污染扩散流场数字图像量测系统

为在环境风洞实验中模拟污染物的扩散流场及变化情况,基于光学粒子散射理论和数字图像处理技术,并利用粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术,研制了一套具有全流场量测、非接触及低成本等特征的瞬态流场定量光学测量系统。将系统用于环境风洞模拟中,可对城市小区、街道峡谷及交通高架污染物等的扩散状况进行定性观察,还可对污染物的流场进行定量量测。可为污染物流场的理论研究、数值计算及环境规划提供参考。     

进口节流式滑阀内流场的有限元计算与PIV研究

用有限元法(FEM)和粒子图像测速技术(PIV)对三种不同开口度下进口节流滑阀沿进口流道、节流口、阀腔以及出口流道的流场进行了数值计算和试验可视化研究。数值模拟的数学模型采用的是连续性方程和Navier-Stokes方程的流函数—涡量式,有限元法用于方程的离散。自行编制的有限元计算程序用来计算求解区域离散点上的流函数及涡量值,再根据流函数及涡量与速度分量之间的关系求出各结点上的速度矢量。对于粒子图像测速试验,光源采用双脉冲Nd:YAG激光器,再用柱透镜和球面镜调制得到1.0mm片光照射流场。30～50μm的聚苯乙烯小球用做示踪粒子,Kodak ES1.0 CCD照相机拍摄流场图像,所得图像用FFT相关算法进行处理,结果用Tecplot输出,数值计算和PIV试验表明,滑阀内部有三个部位产生涡旋。数值计算又表明滑阀开度对阀内部流场结构有影响。研究对于定性分析阀内能量损失、噪声以及对阀的结构和流道的设计有重要实际意义。     

垂直管中定常螺旋流涡量特性的PIV试验研究

为了研究螺旋流场中的涡量特征分布,提高流体传质效率,利用激光粒子测速系统(PIV)对垂直管中不同介质的螺旋流场进行了测量,并利用Tecplot对螺旋流的涡量进行了显示和局部涡量场提取,研究了不同切向速度下,不同介质的螺旋流涡量场分布特点和其局部涡量特征。结果显示,螺旋流的涡量具有贴壁特征,随着切向速度的增加,螺旋流的涡量强度增大,正涡和负涡交换的频率增大,有利于提高流体传质效率。     

绕后台阶与准方腔耦合流道流场的数值计算与试验研究

用Galerkin有限元法对绕后台阶与准方腔耦合流道流场进行数值模拟。数学模型采用的是流函数—涡量形式的N-S方程,分别计算了雷诺数214.2、428.4和642.6三种情况下流场的结构,计算所得瞬态流场和稳态流场以直观速度矢量图和等值线图的形式给出,并绘出了部分纵截面上速度分布剖面图,分析了雷诺数对流场结构的影响。同时应用近年来发展起来的且获得广泛应用的全场瞬时速度测量技术,即粒子图像测速技术PIV)对流场进行了试验研究,所得速度矢量图与数值计算结果吻合较好。计算和试验结果表明:绕后台阶与准方腔流道流场比较复杂,同时具有后台阶流动和方腔流动的结构特征。研究结果对工程实际具有重要意义。     

分离涡流场数值仿真的参数影响研究

分离涡流场普遍存在于工业现场,数值仿真和试验研究在分离涡研究中相辅相成。数值仿真控制方程存在多个参数,某些参数变化对仿真结果有很大影响。以二维后向台阶流场、圆管后向台阶流场和圆管楔形流场为例,借助粒子图像测速技术和数值仿真方法,对参数变化影响进行研究。使用切应力运输(Shear stress transport,SST)k-ω湍流模型对分离涡流场进行数值仿真,理论推导得到SST k-ω湍流模型参数a_1变化对三种具有分离涡的流场数值仿真结果的影响。研究结果认为参数a_1越大,回流区长度越小。通过数值仿真验证理论推导结论。并通过比较模型参数变化对数值仿真结果的影响,认为圆管楔形流场与二维后向台阶流场、圆管后向台阶流场具有相似流场特性。根据粒子图像测速技术观测结果,优化模型参数a_1的设置。     

沟槽数量对泰勒涡流稳定性的影响

用粒子图像测速技术(Particle image velocimetry,PIV)对光滑壁面和沟槽数量为18的模型内的流场进行测量,初步获得沟槽的存在对于环隙内流场的影响规律;同时利用数值计算获得沟槽数量为18的模型内的流场分布,通过对比试验结果和数值模拟结果,验证数值计算方法可靠性。通过数值计算研究沟槽数量0、6、12、18模型内的流场分布,在比较沟槽模型与光壁模型环隙内的速度场和涡量场的基础上,得出以下结论：较少的沟槽数量增加了泰勒涡的轴向尺寸,随着沟槽数的增加,沟槽结构对流场影响不断加剧,环隙内最大径向速度和轴向速度均有不同程度的增加;对比不同轴向位置的流场分布,发现沟槽区域内存在明显的旋涡流动,不同轴向位置沟槽内的流体存在着进出环隙内的运动。     

基于快速多帧PIV方法的超声速自由射流流动结构研究

针对超声速流场速度场难以测量的特点,搭建了一套具有高时空分辨率的快速多帧PIV测量系统,对压比为5的超声速欠膨胀自由射流流场进行了测量,PIV速度场结果分别与国外的实验结果和数值模拟结果进行对比,验证了本PIV系统的良好性能。结合速度场分布图像对超声速自由射流的流场结构进行了分析,并基于速度场分布获得了涡量场分布等信息。实验结果表明,涡量场中存在两条环状涡量分布区,将自由射流的下游流场分割为三块速度、温度等参数沿径向分布规律显著不同的区域。     

煤液化调节阀流场演变特性的测试与分析

利用粒子图像测速技术（particle image velocimetry,简称PIV）和涡量分析原理对调节阀不同工况下的流场信息进行测量,研究了进口压力对液压调节阀速度场、涡量场及湍动能的影响。结果表明：调节阀节流口处有对冲射流,其在阀芯头部下游汇合后形成向下游的整体喷射;节流口下游的油液轴向速度先减小后增大,在喉部末尾处附近趋于稳定;在靠近壁面区域油液径向流动速度都较低,在流道中心区域流动速度较高;阀芯头部和下游流道存在由速度梯度引起的介质回流旋涡,高涡量区域主要分布在阀芯头部和壁面处,强的正涡与负涡呈2条斜形宽带分布;阀芯头部为高涡量区且具有贴壁特征,壁面附近高涡量区向下游延展;随着调节阀进口压力的增大,阀口流量、流场高速分布区域、旋涡的强度和尺度以及湍动能均随之增大。     

多孔射流式通风的流场特性分析

为了分析多孔射流风机作用下风场的流场特性,文中采用CFD方法,对多孔射流式风场模型内部流场进行了数值模拟,对比分析了不同喷嘴数量及排布方式对流场性能的影响,并引入涡动力学理论,分析了流场内涡结构的分布发展规律及其对流体掺混的影响。结果表明：喷嘴的数量及排布方式对流场性能有显著影响,外围喷嘴会对中心喷嘴的流动起到限制作用;流向涡对流体掺混效果的作用比展向涡大,在涡量一定的情况下,流向涡尺度越大、衰减越快,流体间的混合效果越好,流场稳定性越高。流场内速度及涡动力学分布表明,流场稳定性随着喷嘴数量的增加而显著提高,因此在保证经济性的前提下应尽量采用数量多的喷嘴排布方式。     

高雷诺数水流中悬空输油管道安全性数值分析

穿越河流的输油管道在长距离输油管道工程中占相当比例,在水流长期作用下容易裸露悬空。悬空管道在水流作用下可能产生共振或锁频现象,造成管线失效。通过交错网格系统中的SIMPLE算法求解N-S方程,对均匀来流中的静止管道绕流场进行模拟,验证了模型的可靠性;并应用动网格技术对高雷诺数均匀来流中悬空的横向振动管道绕流场进行了数值模拟,得到不同频率比下的升力系数、阻力系数随时间的变化曲线以及涡量等值线分布图。通过分析涡量等值线分布图得到管道在给定雷诺数流体中的"锁频频率"以及高雷诺数下管道临界长度曲线,结论可用于水流作用下管线的安全分析。     

PIV study of vortexing during draining from square tanks

The flow field in square tanks with various corner roundings is studied to investigate drain flow characteristics. An attempt is made to understand the mechanism of flow field responsible for vortex suppression by the different radius of rounding at the corner. For this purpose, flow visualization studies using particle image velocimetry are employed to determine the flow patterns in a square tank. Results are obtained for no draining and with draining experiments. The flow field is visualized both in horizontal and vertical planes. The results reveal that the secondary vortices formed at the corners are responsible for vortex suppression.     

变速搅拌混沌混合的PIV试验研究

针对搅拌槽内部的流体混合在湍流状态不成问题,但当流体处于层流状态下如何提高混合效率的实际问题,为提高层流状态下搅拌槽内流体的混合效率,采用混沌混合使叶轮以变转速做周期性运动。利用粒子图像测速技术对层流搅拌槽变速混沌混合流场进行试验研究,对所测得的粒子图像采用相应图像处理软件处理,得到了六个不同角度处流体径向速度分布云图,并对比分析变速搅拌与常速搅拌混合流场速度分布曲线的不同。试验结果表明,叶轮变转速运动时,搅拌槽内径向速度范围宽,扰动区域大,说明变转速运动比常转速运动的搅拌混合效果好、搅拌效率高。所做研究对充分认识变速层流搅拌诱发混沌混合的机理,为大型层流混沌混合搅拌槽的设计提供指导性建议,具有重要理论意义及实际应用价值。     

Improved Soft Abrasive Flow Finishing Method Based on Turbulent Kinetic Energy Enhancing

Soft abrasive flow(SAF) finishing can process the irregular geometric surfaces, but with the matter of low processing efficiency. To address the issue, an improved SAF finishing method based on turbulent kinetic energy enhancing is proposed. A constrained flow passage with serration cross-section is constructed to increase the turbulence intensity. Taking the constrained flow passage as the objective, a two-phase fluid dynamic model is set up by using particle trajectory model and standard k-ε turbulence model, and the flow field characteristics of the flow passage are acquired. The numerical results show that the serration flow passage can enhance the turbulence intensity, uniform the particles distribution, and increase the particle concentration near the bottom wall. The observation results by particle image velocimetry(PIV) show that the internal vortex structures are formed in flow passage, and the abrasive flow takes on turbulence concentrating phenomenon in near-wall region. The finishing experiments prove that the proposed method can obtain better surface uniformity, and the processing efficiency can be improved more 35%. This research provides an abrasive flow modeling method to reveal the particle motion regulars, and can offer references to the technical optimization of fluid-based precision processing.     

The performance characteristics of a novel multi-electrode electromagnetic flowmeter

The design of a novel multi-electrode electromagnetic flowmeter, which provides nine conventional electromagnetic flowmeters housed in a single body, has been used in adverse flow conditions immediately downstream from a header tank. The results show that careful initial calibration, in accord with the pipeline conditions recommended in international standards, enables errors of under 1% to be achieved. The results show that the two electrode planes closest to the header provide results with the greatest errors. The performance with the electrodes mounted in the vertical plane is generally better than that achieved with the electrodes mounted in the horizontal plane. Pressure measurements together with laser Doppler anemometry (LDA) and particle image velocimetry (PIV) techniques have been used to provide details of the magnitude of the disturbance caused to the flow field by the header and outflow combination.     

内置过滤器边界对小型化液压油箱内流场的影响

随着液压油箱向小型化方向不断发展,体积占比较大的过滤器对油箱内流场影响愈加明显。为明确内置过滤器边界对流场的具体影响规律,以液压油箱回油区和吸油区为研究对象,结合Fluent模块中的多孔介质模型对过滤器进行有限元数值模拟。探究过滤器安装位置、边界范围对油箱内部流场影响,并对比不同边界下内流场速度值、能量耗散以及颗粒沉降情况。同时,通过理论计算和PIV可视化试验验证文中过滤器模型和仿真方法的正确性以及仿真结果的准确性。最终得到物理边界对流场影响的评价指标,基于指标参数揭示出过滤器边界对内流场的影响规律,给出较优边界范围的选择依据。通过总结过滤器边界对于油箱内流场的影响规律,为液压油箱的小型化设计提供参考。     

液压油箱用固液旋流分离器分离效率影响规律

颗粒物污染是影响移动装备液压元件及系统性能的主要原因之一,液压油箱考虑去除杂质功能会增加其设计容积,不利于液压系统轻量化设计。应用离心分离的原理,使不同密度的介质在高速旋转的流场中进行分级筛选,可快速去除液压油中大颗粒污染物,提高液压系统可靠性,提升过滤器使用寿命。由于旋流分离器中流场的流动形式复杂,预测旋流分离器内部的流场特性、颗粒运动轨迹十分困难。因此,研究旋流分离器流场流动规律和污染物旋流分离机理,可以为液压系统污染物分离和去除提供理论基础。针对固液旋流分离器的流场分布规律和污染物分离效率的影响规律展开研究。根据旋流分离理论设计了固液旋流分离器结构,分析旋流分离器不同直径和长度下,固液旋流分离器轴向速度、切向速度的分布规律,通过粒子图像测速法对仿真结果进行试验验证,得到结构参数对分离效率的影响规律。结果表明,当中心的轴向速度为负值、壁面附近的轴向速度为正值时,切向速度越大,越有利于分离液压油中的颗粒。该研究结果可对液压油箱用固液旋流分离器的结构设计提供理论指导。     

机械搅拌槽内非牛顿流体内流特性研究

在工业生产中获得广泛应用的机械搅拌混合,其流体大都是非牛顿流体,具有与牛顿流体不同的流变性质（弹性效应,剪切稀化以及剪切变稠）,所以急需对非牛顿流体情况下搅拌槽内的内流特性开展研究。基于Lin-A315桨型的粒子图像测速技术（Particle Image velocimetry,PIV）试验结果对搅拌槽内非牛顿流体的流场特性进行定常/非定常数值模拟,研究不同质量分数的黄原胶溶液在不同搅拌速度下的轴面流速分布、湍动能分布、径向截线的流速剖面、所需要的搅拌混合时间以及搅拌能耗。结果表明,数值模拟可以很好地模拟分析机械搅拌槽内非牛顿流体的流场特性;提高搅拌速度可以增加槽内主循环流的范围和强度,搅拌槽内涡的分布和湍动能分布范围也相应变大,与100 r/min相比,300 r/min和500 r/min工况下的轴向速度最大值增加3.6倍和5.9倍,所需要的混合时间缩短0.46倍和0.36倍;增加黄原胶溶液的浓度会减小流场的主循环流范围,增加速度梯度,降低槽底区域循环速度,所以与非牛顿流体溶液浓度的变化相比,所需要混合时间对转速变化更为敏感;另外提高搅拌速度会增加搅拌能耗,因此对低浓度非牛顿流体宜选择中等转速、高浓度非牛顿流体宜选择高转速以有利于溶液混合和能源节约。     

实验用离心泵叶轮内流场的PIV测量

离心泵叶轮内流场的流动规律直接影响泵的扬程、效率等外特性指标,利用PIV测试技术可以在不干扰流场的情况下,进行高精度的测量。在实验中,使用PIV测量技术测量了离心泵内部流场,得到了离心泵内的速度分布,初步掌握了离心泵在不同工作条件下内部的流动特性。