旋风分离器内气相流场的相似模化分析（Ⅱ）尺寸参数

基于数值模拟方法分析了几何相似旋风分离器在直径尺寸变化时的气相流场的模化特性。旋风分离器的直径变化范围为100～2100 mm，重点考察流场量纲1速度分布的相似性、尺寸参数的自模特性。模拟结果表明，旋风分离器的直径尺寸变化后，流场的形态结构不变，但量纲1切向速度分布存在一定变化，流场不具有严格的自模性。但随直径尺寸的增大，旋风分离器内流场由弱自模性向强自模性发展，当直径超过2000 mm后，流场量纲1速度基本保持相似与恒定，Euler数与Reynolds数不相关，流场处于强自模区。流场的这种自模特性反映了流场的惯性阻力损失和黏性摩擦损失之间的比例关系和大小变化。随着直径尺寸的增大，黏性摩擦损失系数减小，惯性阻力损失系数增大，但Euler数是减小的。当达到很大的直径时，Euler数恒定，Euler数与Reynolds数不相关，流场进入自模区，流场流态保持相似性。     

以最佳温度均匀度和最小熵产为目标的航天器热循环试验系统运行参数优化

以数值模拟的方法研究了不同运行参数下航天器热循环试验箱内温度均匀度与熵产的变化规律。结果表明,在4.3×103≤Re≤8.6×105、4.62×1013≤Gr≤1.38×1014范围内,由于强浮升力的作用,壁面附近出现回流区,温度由上往下降低,中轴线附近气体加速下沉,温度由上往下升高。箱内量纲1温度标准偏差随Reynolds数增大而增大,随Grashof数变化不明显;混合对流过程中流动熵产远小于传热熵产,熵产数值随Reynolds数、Grashof数的增大而增大。提出了壁面Nusselt数、试验箱内量纲1平均温度、量纲1温度标准偏差及量纲1传热熵产随Reynolds数、Grashof数变化的关联式。     

管形状对平片换热芯片传热性能影响的试验

利用萘升华传质/传热比拟试验方法,研究了三排圆管、扁管顺排和错排布置平片换热板芯在片间距一定时,管形状对换热性能的影响,分析了相同板芯在不同片间距时的传热特性.结果表明,对于给定的片间距,相同管形状错排布置时的换热系数Sh高于顺排布置;对于给定的胎数,同一板芯Sh数随片间距的增大而增大.     

以最佳温度均匀度和最小熵产为目标的航天器热循环试验系统运行参数优化

以数值模拟的方法研究了不同运行参数下航天器热循环试验箱内温度均匀度与熵产的变化规律。结果表明,在4.3×10³≤Re≤8.6×10⁵、4.62×10¹³≤Gr≤1.38×10¹⁴范围内,由于强浮升力的作用,壁面附近出现回流区,温度由上往下降低,中轴线附近气体加速下沉,温度由上往下升高。箱内量纲1温度标准偏差随Reynolds数增大而增大,随Grashof数变化不明显;混合对流过程中流动熵产远小于传热熵产,熵产数值随Reynolds数、Grashof数的增大而增大。提出了壁面Nusselt数、试验箱内量纲1平均温度、量纲1温度标准偏差及量纲1传热熵产随Reynolds数、Grashof数变化的关联式。     

基于微观粒子图像测速法的微肋阵通道内流场特性研究

采用微观粒子图像测速法（Micro-PIV）,实验研究了Reynolds数（Re）=50～800范围内去离子水在微肋直径D=0.4 mm微肋阵内的绕流流场特性,获得了不同Re下错排和顺排微肋阵内的流线分布与速度场,分析了Re与微肋排布方式对旋涡结构、流速分布等流场特性的影响规律。研究结果表明,在Re=50～700范围内,错排和顺排微肋阵内均出现涡结构,当Re=800时错排微肋阵内开始发生旋涡脱落;错排微肋阵内旋涡长度随着Re的增大而增加,而对于顺排微肋阵,在低Re时旋涡长度随着Re的增大而增加,当Re≥300后,旋涡长度保持微肋间距不再增加;顺排微肋阵内主流区顺流速度较错排微肋阵大,而错排微肋阵内横向速度大于顺排微肋阵且最大值比顺排微肋阵高约25%,微肋错排布置增强了流体的掺混。     

基于CFD的多级滑片泵内部流场瞬态分析

针对多级滑片泵在输送高含气量流体时发生的空化现象,研究流体气相体积分数对多级泵流场的影响.采用专业的泵仿真软件对多级滑片泵内部流场进行了数值模拟,结果表明:随着流体气相体积分数从10％增至20％,容积效率逐渐降低,瞬时流量脉动幅度逐渐增大且脉动最低点更加滞后;流体气相体积分数增加会增大滑片泵的瞬时流量不均匀系数,使多级...     

绕流具有光合生化反应管束的格子Boltzmann模拟

采用格子Boltzmann方法模拟了有机废水溶液绕流表面附着有光合生物膜管束的流动、传质及光合生化反应过程,并分析了管束排列,管间距及Reynolds数对流场、浓度场、平均阻力系数及底物的Sherwood数的影响。结果表明：溶液绕流小管间距时具有较高的Sherwood数,同时阻力系数也较高;与顺排管束相比,绕流叉排管束的平均Sherwood数增大了一倍左右,其增大幅度随Re的增大而增大,而阻力系数仅增大了约10%。一定条件下,绕流叉排管束时,出口处具有较低的底物浓度和较高的产物浓度。结果表明,很小的流场扰动可对浓度场产生较大影响,从而,叉排管束更有利于传输传质及生物降解。     

基于旋涡强度法的湍流泡状流混合层流动

用旋涡强度法对PIV测得的湍流泡状流混合层流动进行研究,混合层高低侧流速之比为4∶1,基于速度差和管道水力直径的Reynolds数范围为4400～132000。气泡分别从隔板尾部混合层的中心起始位置与低速侧注入流体,直径为0.5～2 mm。利用旋涡强度法分析流场清楚地显示出排除了剪切作用的涡结构主要集中在混合层中心的锥形区域,随着Reynolds数的增大,旋涡强度的值不断增大而锥形区域不断变窄。在同一Reynolds数下,沿主流方向旋涡强度先增大、后减小。从混合层中心注气时气泡主要分布在隔板下游旋涡强度值较大的区域,而低速侧注入的气泡主要分布在低速侧,但由于涡结构的卷吸作用,低速侧注入的气泡也会进入隔板下游的中心区域。与单相流动相比,低Reynolds数情况下气泡的加入可以加剧流场本身的变化,而高Reynolds数时则对旋涡强度产生的影响较弱。     

离心泵作液力透平的数值模拟

以多级液力透平的首级为研究对象,应用ANSYS CFX软件对泵和液力透平流场进行数值模拟,得到泵及泵作透平使用时的外特性曲线。由外特性曲线可知:液力透平最高效率点的流量、扬程、效率和比转速分别是泵最高效率点的1.93、2.35、1.30、0.73倍;当透平流量增加到65.7m3/h时才有功率输出,此时存在最小扬程84.5m,其流量和扬程分别是最高效率点的0.480、0.571倍。对液力透平的内部速度场和压力场随流量的变化进行分析可知:导叶入口存在二次流和回流,通过导叶的导流作用,导叶流道内的速度分布得到很好的改善;叶轮内部存在漩涡和脱流区,且脱流区的范围随着流量的增加而增大;透平内部的压力从导叶进口到叶轮出口逐渐减小,随着流量的增加压差逐渐增大,这和透平的流量-扬程曲线相吻合。     

基于流热固耦合的熔盐泵转子动力特性分析

用ANSYS软件模拟了熔盐泵转子的应力与变形,研究了不同介质流量下非定常流动对转子部件的影响,考察了泵转子结构的模态性能. 结果表明,转子温度自叶轮部件沿泵轴向轴承逐渐降低,不同介质流量下叶轮内的最大等效应力均出现在叶片进口边与前盖板的结合处,泵轴与轴承的配合处出现了明显的应力集中,转子部件的最大变形出现在叶轮边缘,且最大等效应力和变形量均随介质流量增大而减小,设计流量下转子部件最大等效应力和总变形量的变化幅度最小,添加预应力后转子部件前6阶固有频率增加,但振幅变化不大,流量对转子部件模态性能的影响较小.     

液滴碰撞亲-疏水性组合壁面的数值分析

采用VOF方法对液滴碰撞亲-疏水性组合壁面过程进行数值模拟。通过量纲1化,在Reynolds数不变的情况下,研究Weber数和亲水性区域直径对液滴碰撞动态特性的影响,绘制了液滴碰撞结果分区图。结果表明：随着Weber数从1增加至100,液滴呈现出附着、短液滴一次破碎和长液滴多次破碎3种状态;液滴破碎过程受到表面张力、壁面黏附力及Rayleigh不稳定性的影响,亲水性区域直径增加时,液滴破碎所对应的临界Weber数随之增大;此外,Weber数较大时,液滴最大铺展因子不受亲水性区域直径的影响,Weber数较小时,最大铺展因子随亲水性区域直径的增大而增大。     

液滴碰撞亲-疏水性组合壁面的数值分析

采用VOF方法对液滴碰撞亲-疏水性组合壁面过程进行数值模拟。通过量纲1化,在Reynolds数不变的情况下,研究Weber数和亲水性区域直径对液滴碰撞动态特性的影响,绘制了液滴碰撞结果分区图。结果表明:随着Weber数从1增加至100,液滴呈现出附着、短液滴一次破碎和长液滴多次破碎3种状态;液滴破碎过程受到表面张力、壁面黏附力及Rayleigh不稳定性的影响,亲水性区域直径增加时,液滴破碎所对应的临界Weber数随之增大;此外,Weber数较大时,液滴最大铺展因子不受亲水性区域直径的影响,Weber数较小时,最大铺展因子随亲水性区域直径的增大而增大。     

折流式旋转床气相流动的CFD模拟

采用计算流体力学(CFD)方法对折流式旋转床气相流场和压力分布进行了模拟,研究了折流式旋转床转速、进气量对转子外侧和内侧气相流场的影响,并用实验数据对模型进行了验证.结果表明,模拟结果与实验数据相对误差在9%以内;气体由转子外侧进入转子内时,流速明显改变,切向速度占总速度的76.1%~99.9%,轴向速度和径向速度均较小.随气体流量和转速增大,切向速度明显增大.气体流出转子内侧时,动圈附近存在一个最低压力和一个最高压力,产生了逆时针旋转和顺时针旋转2个漩涡.两漩涡交界处气体流动较剧烈,靠近转轴处气体存在回流,但速度较小.     

旋风分离器内气相流场的相似模化分析（Ⅰ）流动参数

基于数值模拟方法分析了流动参数变化对旋风分离器内气相旋转流流场模化特性的影响。选择直径φ300 mm的旋风分离器为计算模型,在入口气速0.5～30 m·s^-1、气体温度293～1273 K和操作压力0.1～6.5 MPa范围内,分析了流动参数变化对流场量纲1速度分布相似性的影响,考察了常规参数模型与高参数原型之间的流场模化关系。模拟结果表明,流动参数变化后,虽然旋风分离器内旋转流流场仍呈现准自由涡与强制涡分布形态,但流场的量纲1速度分布不能保持完全恒定和相似,存在着一定的变化。然而当入口速度高于20 m·s^-1,或压力高于3.0 MPa时,流场量纲1速度可以基本保持恒定,不再随流动参数变化而改变,Euler数与Reynolds数不相关,近似处于流场的自模区;当温度超过1000 K后,Euler数基本不受Reynolds数变化的影响,流场也可以保持相似性。最后从能量损失的观点,讨论了Reynolds数和Euler数之间的相互关系,分析了流动参数对旋风分离器气相旋转流流场自模特性作用的机理。     

焦油切割泵固液两相流数值分析

分析了不同颗粒大小、转速及转子安放角度对切割泵内流线及固体颗粒分布的影响。结果表明,小流量时进口区域涡流严重,流量对固相浓度分布影响不大;颗粒和浓度越大,转子工作面固相浓度越高,对转子表面的磨损与冲蚀越严重;增大转速可以提高粉碎效率,但是对设备的使用寿命有影响。     

细小尺度下潜热型功能热流体压降与传热特性

实验研究了相变微胶囊颗粒(囊芯材料为正十六烷,壳材为尿素-甲醛树脂)和去离子水混合制成的潜热型功能热流体流过等热流细小圆管的流动与传热特性,同时以去离子水作为传热工质在相同条件下进行了对比实验。得到了压降随质量流量的变化规律,实验段出、入口温度以及量纲1出口温度随Reynolds数变化规律,量纲1壁面温度沿轴向的分布规律,平均Nusselt数随Reynolds数的变化关系。结果表明,相变微胶囊颗粒的加入会导致流动压降增大,但随着流量增加,流动压降逐渐与单相液体的接近;出口温度及壁面温度要比相同条件下单相液体的低;含有较小相变微胶囊颗粒浓度的潜热型功能热流体的平均Nusselt数是相同条件下单相液体的2.0～4.0倍。     

低Reynolds数下水平管降膜滴状流动的实验研究

为了充分了解水平管降膜滴状流动现象,以水为实验流体,采用高速高清摄像仪对不同管距下水平管降膜滴状流动进行了可视化的实验研究。实验观察了低Reynolds数Re≤200、管间距s≤40 mm范围内的管间滴状流动过程。根据流动形态的特征,将滴状流动划分为堆积滴状流、不完全滴状流、吊坠滴状流、完全滴状流和不完全回缩滴状流。依据实验结果,绘制了滴状流动形态分区图。提出了分离长度的概念,并讨论了流量对分离长度的影响。研究了低Reynolds数下液滴流动的滴落点间距与流量的关系。结果表明,滴状流的管间流动形态不仅受流量的影响,同时也受管间距的影响。分离长度随着Re的增大呈两段式线性增大。液滴流动的滴落点间距在Re≤100范围内随Re增大而减小,在100Re≤200范围内趋于平稳。此外,分别建立了分离长度和滴落点间距与Re的关系式。     

水平蒸发管管间相邻液柱分离间距测量

采用可视化方法对水、乙二醇、水/乙二醇混合物在8种液体分布装置开孔规格下的管间相邻液柱分离间距进行了实验测量,得到了分离间距随流量、管间距、管外表面结构和开孔规格的变化规律。随着Reynolds数增加,分离间距呈减小趋势;随着管间距增大,分离间距先增大后趋于稳定值。管外表面结构和工质热物性共同影响分离间距。在开孔孔径一定的条件下,开孔间距逐步增大,分离间距随之增大;在孔间距一定的条件下,开孔孔径逐步增大,分离间距随之减小。     

转盘离心雾化高黏非牛顿流体薄液膜纤维化特性

高黏性流体经转盘离心雾化以液滴形式进入气相可显著改善气液相间接触,其纤维化特性直接决定了雾化液滴的尺寸,是影响物料品质的关键因素。针对转盘离心雾化器,对非牛顿黏性液膜失稳纤维化过程的物理机制进行了分析,分析了高黏度流体,仅考虑黏性作用时,黏性力对纤维间距的贡献,建立了黏性力与表面张力耦合作用下液膜破碎的纤维间距预测模型,探讨了液膜纤维化的一般规律。结果表明,黏性对液膜的失稳纤维化起抑制作用,黏度提高,纤维数量减小,纤维间距增大。纤维数量与转盘边缘液膜线速度相关。进入完全纤维状模式后,纤维数量趋于稳定,提高转速引起纤维数量稳定的流量范围缩小,不利于雾化,可采用低转速、大直径转盘改善雾化效果。非牛顿高黏流体液膜破碎后的纤维数量与Weber数、等效Reynolds数和流变指数直接相关。研究结果对高黏流体的转盘离心雾化系统设计与优化提供了可借鉴的理论与应用基础。     

射流卷吸边界层内相干结构的实验研究

在轴对称水射流实验台上,采用单帧长曝光图像法,测量了出口Reynolds数在1849～2509范围内的卷吸边界层内流场结构。发现在流向距离L=2D～3.5D,径向距离H=D～1.25D的区域内,流场中吞噬作用和侵蚀作用两种卷吸模式交替出现。分析得到,当Re1915时,吞噬作用所占的比例随着Re的增大而增大,当Re2311之后,Reynolds数对该结构发生概率的影响降低;通过快速傅里叶变换得到该相干结构发生的频率在10～19Hz之间;吞噬作用发生的同时在流场中观测到一些特殊涡结构。同时采用运动单帧长曝光图像法对射流流场进行拉格朗日法观测,发现射流流场中的涡结构一般存在于湍流与非湍流界面附近。