Numerical simulation of air entrainment and suppression in pump sump

The dynamics of air entrainment and suppression schemes in a pump sump are investigated. Four different turbulence models(standard k-ε model, realizable k-ε model, renormalization group(RNG) k-ε model and shear-stress transport(SST) k-ω model) and the volume of fluid(VOF) multiphase model are employed to simulate the three-dimensional unsteady turbulent flow in a pump sump. The dynamic processes of air entrainment are simulated under conditions of relatively high discharge and low submergence; the mechanism of air entrainment is discussed in detail. Then suppression means for air entrainment is adopted by placing a circular plate on the intake pipe at three different heights. The results show: the position and structure of the free-surface vortices, sidewall-attached vortices, back wall-attached vortices, and floor-attached vortices calculated by SST k-ω turbulence model agree well with the experimental data. The two main contributors for air entrainment are pressure difference and vortex strength. By placing a circular plate in the middle of the intake pipe under water, air entrainment is suppressed because vortex strength is reduced.     

高水头泄水建筑物侧墙掺气减蚀特性研究

工程中通常采用强迫掺气减蚀措施,防止泄水建筑物在高速水流作用下发生空蚀破坏,但在保护过流面底板的同时,忽视了对其侧墙的保护。为了减免位于高流速区域和低压区域侧墙发生空化空蚀,消除侧墙清水区,采用理论分析和物理模型试验研究方法,对龙抬头明流泄洪洞下游边墙掺气减蚀进行了研究,提出了在反弧末端加折流器（突扩）和突跌掺气方式。结果表明,采用突扩和突跌的掺气方式后,侧墙水流的出射角增大,侧空腔畅通,并直接和底空腔相连,有助于掺气坎后水舌的全断面的掺气,对侧墙和底板皆起到了很好的保护作用。     

微粒羽流自由降落过程特性的探讨

根据自由下落微粒羽流的运动特征,对微粒羽流自由下落过程中卷吸空气的机理进行初步分析,应用Tomom i给出的混合微粒模型及Ogata给出的单微粒模型与环境空气卷吸量实验值进行对比分析.结果表明,混合微粒模型对环境空气卷吸量的模拟值与实验值有较好的吻合性,而Ogata给出的单微粒模型预测值低于实测值.实验结果表明,环境空气卷吸量随着微粒羽流下降高度的延伸而增加,随着微粒流中微粒的密度及粒径的增大而减小.     

考虑岩土体变形的边坡临界高度上限解

考虑岩石和土体变形，取对数螺旋面为破坏面，利用塑性力学中的极限分析方法对边坡的临界高度进行了研究,由库仑材料相关联流动法则推得了变形破坏区的速度场．由变形破坏机构得到了边坡临界高度上限解随坡角及岩土内摩擦角的变化规律．并通过比较发现：变形破坏机构对应的上限解略小于刚体平动机构对应的上限解，略大于刚体转动机构得到的上限解．     

考虑岩土体变形的边坡临界高度上限解崔新壮

考虑岩石和土体变形，取对数螺旋面为破 坏面，利用塑性力学中的极限分析方法对边坡的临界高度进行了研究.由库仑材料相关联流动法则推得了变形破坏区的速度场.由变形破坏机 构得到了边坡临界高度上限解随坡角及岩土内摩擦角的变化规律.并通过比较发现：变形破坏机构对应的上限解略小于刚体平动机构对应的上 限解，略大于刚体转动机构得到的上限解.     

三辊轧制镁合金薄壁管成形工艺及微观组织

为了制备高质量的镁合金薄壁管材,利用三辊轧管机研究了冷轧镁合金薄壁细管的成形工艺.分析了轧制时管材易出现开裂的原因,发现其与变形量和中间退火工艺有关.结果表明,当主变形的当量变形ε_H& lt; 0.2时,可以得到质量和性能都符合要求的管材; 当主变形的当量变形ε_H& gt; 0.3时,管材表面成形性较差,且易出现表面裂纹.退火温度为300 ℃,保温时间为90 min,然后再进行空冷的中间退火工艺可以实现晶粒细化,得到的平均晶粒尺寸约为9.8 μm,从而提高了管材进行进一步轧制的变形能力.     

绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性

为深入了解通气两相流的流场结构及水动力特性,在循环水洞中利用高速全流场显示技术及六分力天平测量技术,对绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性进行实验研究.结果表明:弹身区域流场呈均匀分布的水气两相混合状态,流动稳定,非定常特性不明显;尾部区域流场较为紊乱,非定常特性明显,尾部空泡涡的周期性脱落引起模型阻力系数出现周期性脉动现象.绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性与雷诺数及通气率有关.通气率的增加可降低由于尾部空泡涡的脱落而引起的阻力系数的波动幅度,而对尾部涡的脱落频率无明显影响;随着雷诺数的增加,由于尾部空泡涡的脱落而引起的阻力系数的波动幅度减小,尾部涡的脱落频率增加.     

喷射式浮选机充气搅拌装置内流体阻力分析

煤用喷射式浮选机充气搅拌装置内流体运动复杂,直接影响浮选机的设计及实际生产过程。研究其流动规律及损失可提高分选效果。采用流体动力学方法分析了其中的流场状态及能量损失的组成,利用测试手段在6m^3浮选机内进行阻力测试,得知充气搅拌装置内能量包括循环泵加压循环量所提供的能量,吸入气体得到的能量,损失包括两种流体混合时能量损失、经喷嘴时能量损失、气体经吸气管能量损失、气液流经喉管内的能量损失等等,并得出充气搅拌装置阻力损失的表达式。分析及试验表明,长喉管的充气搅拌装置的阻力损失比短喉管的阻力损失要大。     

国外泄水建筑物掺气减蚀研究

泄槽掺气设施是目前较为通用的工程减蚀措施,前人对其掺气机理与布置形式进行了大量的研究工作,其中,国外的工作侧重于机理研究,主要探讨空化空蚀的发生、水流的掺气过程及气体的逸出过程等,而国内的工作则紧密结合工程实际,重点研究掺气浓度的减蚀效果及掺气设施的布置方式。对国外相关研究工作进行了系统的回顾,希望能够在理论及实践上对我国高坝泄洪的掺气减蚀问题提供一定的借鉴。     

Effect of air bubble size on cavitation erosion reduction

Over the past 60 years, the air concentration in water has been considered as a control index of cavitation erosion reduction and widely used in the designs of hydraulic structures. However, the mechanism of air entrainment against cavitation erosion has been paid good attention to. In the present work, the effect of air bubble size on cavitation erosion reduction was experimentally investigated. A device with micron-scale orifice diameters(10, 20 and 50 μm in size) was specially designed to introduce air bubbles into water. The experiments about the effect of air bubble size were conducted by means of a vibratory apparatus, including the behavior of formation and movement for single air bubble, the characteristics of cavitation erosion reduction at different air entrainment conditions. The findings demonstrate that high air concentration has significant effects on cavitation erosion reduction.But, a notable problem was that the size of air bubbles is of outstanding effect on cavitation erosion reduction. Small air bubbles support to alleviate cavitation erosion, even at same air concentration.     

粘弹性流体旋转流实验研究

利用粒子图像测速仪(PIV)对圆筒形容器内有自由表面变形的粘弹性流体旋转流动进行了实验研究.旋转流动由等速旋转的容器底面来驱动.实验工质为CTAC(十六烷基三甲基氯化铵界面活性剂)水溶液.测量了水、40×10-6、60×10-6和200×10-6CTAC水溶液在弗鲁德数为2.59至16.3范围内的旋转流动.PIV用来测量子午面内的二次流场,并从PIV图像中抽取自由面高度.结果表明在相似的弗鲁德数下,相比于水流CTAC水溶液旋转流动自由表面中心处的凹陷深度降低,随着溶液浓度或粘弹性升高,子午面内右上角的惯性涡被压缩且强度变得越来越弱.通过与水流动比较并做力平衡分析,定量估算了CTAC水溶液的第一正应力差或弱粘弹性.     

表面活性剂水溶液弹性湍流特性实验研究

弹性湍流是本世纪初发现的一种新的流动现象,发生在具有弯曲流线的粘弹性流体低雷诺数流态下,对其发生机理和特性的认识还很匮乏.利用传统的二维低速粒子成像测速仪和高速动态粒子成像测速仪(PIV)实验研究了自由面旋转流中的弹性湍流的统计特性.对PIV测得的低雷诺数表面活性剂(十六烷基三甲基氯化铵)溶液粘弹性流体旋转流中水平面和子午面内的速度场进行了流型观测.结果表明实验测量的弹性湍流以大涡运动为特征,表现出在时间上随机而在空间上光滑的特性.     

深部复合顶板巷道变形破坏机理研究

高应力下软弱复合顶板的持续塑性变形破坏,是深矿井巷道支护与维护的难点之一.分析了车集煤矿2405工作面区段运输平巷和区段回风平巷的围岩结构和岩性特征,构建了该类巷道复合顶板的力学模型,导出了该模型的力学变形方程.对巷道顶板变形破坏机理进行了深入分析,认为当巷道顶板岩层所受轴向压力大于岩梁达到屈服时的临界压力0.8倍时,巷道变形(下沉)明显增大,严重时产生冒顶.提出了同类巷道掘进过程中围岩控制的关键措施.     

Review: Recent Advancement of Experimental and Numerical Investigations for Breaking Waves

波浪破碎实验和数值研究进展

刘成,胡一丁,李政,万德成

（上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,船舶海洋与建筑工程学院,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海 200240）

摘要：

波浪破碎是发生在水气界面处一种复杂的物理现象,是两相湍流产生、波能耗散以及水气之间质量传递的主要原因。对于船舶水动力学,船舶航行产生的船首破波会引起气泡混合流,最终演化为易被光电设备探测到的湍流尾迹。此外,由波浪破碎引起的流激噪声可能会影响声纳探测设备正常工作,减弱船舶隐身性能。在海洋物理学中,波浪破碎是海洋-大气环流能量和物质交换的重要原因,对天气预报和全球气候预测有重大影响。由于多相湍流的多尺度特性,使得对于波浪破碎实验和数值研究相当复杂。在早期综述中,充分描述了与波浪破碎问题相关的一般机理。然而,以前的研究主要关注波浪破碎的现象特征。本文综述了近年来研究波浪破碎中空气夹带、气泡分布、能量耗散和毛细管效应等方面的实验和数值研究进展。

关键词：波浪破碎;能量耗散;空气夹带和空隙率;气泡和液滴分布;毛细效应

     

采用混联机床研抛模具自由曲面

采用混联研抛机床对自由曲面进行了研磨加工,在不同的加工条件下,通过对相同的曲面片进行研磨实验,探讨了研磨参数变化对自由曲面的研磨效率和表面质量的影响规律,通过对研磨加工工艺过程的分析,建立了研磨条件的数学表达式,推导出影响表面质量和加工效率的4个研磨工艺参数,并分析了研磨参数对表面粗糙度的影响。初步建立了自由曲面研磨的专家系统,为研磨过程的自适应控制提供依据。     

地表径流与地下渗流耦合的水动力数学模型

深入研究暴雨作用下地表径流与地下渗流过程,对山洪与滑坡灾害防治意义重大.然而,迄今为止对地表与地下水流的相互作用机制的理解还极为有限.基于地表完整一维浅水动力学方程与地下二维饱和-非饱和渗流方程,建立地表径流与地下渗流耦合水动力数学模型,并分别运用WAF-TVD二阶数值格式和ADI法进行离散求解.与现有实验数据比较,结果表明该模型能更好地模拟坡地的降雨产流和下渗过程.该计算模型具有健全的物理机制,将为深入研究地表-地下水流运动过程提供理论基础,有助于增强山洪与滑坡风险预测的可靠性.     

基于变形分析的3维边坡滑动面搜索新方法

针对3维强度折减法定量化确定滑动面的不足,提出了一种新的3维边坡滑动面搜索方法。边坡岩土体变形只有超过临界值后,才能产生滑裂破坏。因此可以根据3维强度折减法所得的位移场,采用临界位移等值面（即3维滑体与稳定体的分界面）定义临界滑动面。根据特定剖面边界的剪应变增量极大值点确定滑体剪出口位置,据此求解对应的临界位移值。采用自编的FISH程序将临界位移节点3维坐标和对应的位移值输出,通过离散节点网格化搜索滑动面。对不同实例进行分析,包括匀质边坡、坡顶荷载作用下的边坡、含软弱夹层的边坡以及凸面边坡等。研究表明,即使是匀质边坡,其滑动面形状都不能简单地假设为球面、椭球面或对数螺旋面。算例分析也进一步说明了3维强度折减法的优势,即不需要引入滑动面形状,更能真实地反映3维边坡破坏机制。     

高速双体船的水动力特征研究

发展了基于二维半理论的预报排水型双体船在波浪上的水动力特征及运动性能的数值方法。在定解条件中，自由面条件是三维的，而控制方程和物面条件则是二维的，所以称为二维半理论。采用时域自由面Green函数将定解问题转化为物面上的积分方程，进而求解水动力系数和船舶运动方程。已经对NPL4b双体船型的运动性能作了理论预报，预报结果与试验结果相当接近。对NPL5b双体船型的计算再次表明二维半理论预报结果与试验结果在中流航速吻合很好。通过改变片体间距，考察了双体船的水动力系数及波浪力特征，表明考虑片体间水动力干扰现象对双体船运动预报是必要的。     

面曝光快速成型过程中树脂收缩变形

为了研究面曝光固化过程中树脂收缩行为对成型零件变形的影响,设计并制作了基于DLP(digital light procession)技术的面曝光固化快速成型机,分析了光固化过程中树脂收缩的原因.对树脂在自由液面和约束液面2种曝光情况下的收缩行为进行实验,同时将固化成型件进行二次固化.结果表明:自由液面曝光时,B5B型树脂的收缩量与曝光时间成正比,最终稳定在4%左右,而在约束液面情况下由于溢出光固化效应导致收缩量随曝光时间增加而减小.二次固化过程中仍会产生收缩,收缩量占收缩总量的40%~50%.     

复杂流场的二维数值模拟方法

提出了基于二维数学模型对溢洪道下游三维复杂运动流场进行模拟计算的一种新方法.通过对泄洪建筑物下游河道复杂流场水流运动及河床冲刷状况的分析,研究了自由面流消能区水流扩散方式、流动特征及相关水力要素的概化确定.根据主流下回流区和表层水股之间质量交换很小的特点,提出了把底部回流区域作为河道无实际过流部分,即修正河流下边界条件,对溢洪道挑坎下游复杂流场进行二维数值模拟的方法.利用上述方法对某工程实例进行了数值模拟计算,计算结果与实际流场状况比较一致,较为真实地反映了自由面流区的流动.