不同进口压力下柴油机非对称喷嘴内部流动特性的数值分析

采用流体动力学欧拉多相流模型，模拟了不同进口压力下柴油机喷油器非对称喷嘴内部流动特性，研究了喷嘴各孔出口处气相体积分数和质量流率分布特性。结果表明：喷嘴内部形成了均匀的雾化场，喷嘴出现空化的气相体积比和压力差上升速度都表现为孔1孔、5孔、2孔、3孔、4孔逐渐降低变化，并且空化现象基本都出现在转角上部。喷嘴各孔质量流率均随进出口压力差表现出单调增加的变化规律，之后趋于一定的稳定。在进口压力30 MPa下，压力增大后将会促进质量流率的升高；在80 MPa的进口压力下，质量流率不会发生显著改变；随着进口压力达到160 MPa，质量流率处于一个恒定状态。     

气液同轴自激振荡式雾化喷嘴设计与流场分析

利用气液两相作用力和自激振荡效应产生的脉冲压力能够有效提高喷嘴雾化效果。基于气液二相流原理和自激振荡脉冲射流发生机理,将气液二相流原理和自激振荡雾化效应相结合,创新性地提出了气液同轴自激振荡式喷雾方式,设计出了气液同轴自激振荡式雾化喷嘴模型,并分析了新型喷嘴的射流脉动效果和雾化性能。研究结果表明:增加气液同轴后自激振荡雾化喷嘴内部的能量聚集与释放相比以前更加稳定;在相同条件下,相比原始自激振荡雾化喷嘴,气液同轴自激振荡雾化喷嘴出口轴线上速度脉动增长大约13.9%~31%,出口平均速度峰值提高了约24.3%,流场内部气相体积分数增长约23%~30%;气液同轴自激振荡雾化喷嘴内空化现象明显,流场内的紊流和扰动剧烈,具有良好的雾化性能。     

两段式喷嘴淹没空化射流流场数值模拟

为了研究两段式喷嘴结构对空化射流效果的影响,建立了两段式喷嘴的数学模型与物理模型,对两段式喷嘴进行了模拟。以蒸汽气相体积分数为判断空化效果的主要依据,分析了第一喉部直径、第二喉部直径和连接处直径对两段式喷嘴空化性能的影响,并与角形喷嘴进行对比研究。结果表明：两段式喷嘴的结构参数对空化效果产生显著的影响。空化程度随着第一喉部直径的增加先增强后减弱;第二喉部直径取值越小,空化程度越高,空化程度随着第二喉部直径的增加先增加后减小;随着连接处直径的增大,空化效果逐渐增强。但当连接处的直径大于4 mm时,连接处直径取值对空化效果几乎没有影响;当两段式喷嘴的第一喉部直径为1.5 mm,第二喉部直径为1.0 mm,连接处直径为4 mm时,具有良好的空化效果。     

异形中心体诱发空化射流的数值模拟研究

为了产生更好的空化效果,探索空化射流应用于油罐清洗除锈的新方式,提高清洗除锈的效率和安全性。提出了将异形中心体与锥形喷嘴组合产生空化射流的思路,采Mixture多相流模型,在12 MPa的射流压力下,对含平头柱体、90°锥形柱体和半球柱体3种中心体喷嘴产生的射流流场进行数值模拟,重点对流场压力分布、轴向速度分布和空化体积进行了对比分析。研究表明:含半球柱体喷嘴比另两种异形中心体喷嘴产生更高的射流速度,且存在较大的核心区;含半球柱体喷嘴和含90°锥形柱体喷嘴比含平头柱体产生的空化区域更大,稳定性更好;含90°锥形柱体喷嘴射流产生空化泡扩散距离最长,空化体积最大。     

喷嘴出口结构参数对风琴管射流空化作用的影响

风琴管射流的空化作用虽由其振荡特性诱发,但受制于其出口结构,出口结构对空化作用的影响一直被忽视。首先从射流空化作用机理出发,分析风琴管喷嘴出口边界层流动特性,揭示喷嘴出口结构与空化作用的内在联系。基于水声学原理,采用噪声信号分析法研究了相同空化数下出口结构参数对风琴管射流空化作用的影响,探究不同空化数下出口结构参数对射流空化作用的影响规律。试验结果表明,流道长度L1、扩口长度L2及扩口角度θ等喷嘴出口结构参数对射流空化作用效果均产生显著影响,L1仅对射流空化作用产生直接影响,L2仅对射流空化作用产生间接影响,而θ对射流空化作用产生双重影响;L1、L2及θ对射流空化作用的影响具有明显的规律性,均存在合理的取值范围,在该范围内射流空化作用效果较佳。风琴管射流的高频振荡特性只是自振射流发生空化作用的前提条件,而喷嘴的出口结构在一定程度上决定着自振射流的实际空化作用效果。     

基于自激振荡脉冲效应的雾化喷嘴出口流道空化特性研究

喷嘴结构及射流运动参数对液体空化流动状态有重要影响。基于空化泡溃灭的雾化机理和自激振荡脉冲喷嘴出口流道空化过程,分析空化效应对自激振荡脉冲射流雾化效果的影响。依据自激振荡脉冲雾化喷嘴结构,分析射流来流速度和脉动压力对喷嘴出口流道空化效应的影响,提出利用来流雷诺数和脉动特征值表征喷嘴出口流道空化程度,并根据自激振荡脉冲喷嘴有限元分析得到喷嘴出口流道较好空化状态的来流雷诺数和喷嘴腔室长径比。研究结果表明:当来流雷诺数在2.14×10~5~3.05×10~5内逐渐增大时,自激振荡脉冲雾化喷嘴出口流道液相体积分数先减小后增大,相应的空化程度先增大后减小。雷诺数在2.44×10~5~2.75×10~5内可以使喷嘴出口流道形成较好空化效应,尤其在2.44×10~5附近时喷嘴出口流道出现最好的空化状态;脉动特征值与喷嘴出口流道处脉动压力幅值差成正比,随着自激振荡脉冲雾化喷嘴腔室长径比增大,脉动压力幅值差值先减小后增大。当喷嘴腔室长径比为0.60~0.70时,喷嘴出口流道空化状态较好。计算结果为自激振荡脉冲射流雾化喷嘴设计提供了理论依据。     

新型环流式空化喷嘴的空化及清洗特性

在非淹没射流环境下,空化射流在离开喷嘴后,空化现象迅速消失,难以到达清洗表面。针对现有空化喷嘴对空化效应利用不充分的问题,在空化喷嘴出口处添加环状射流,利用Fluent对射流流场进行数值模拟。表明随着环状射流压力的增强,喷嘴外部出现低压区,使空化射流进入大气以后还能继续维持空化发生,射流的空化区域得到扩展。研制了新型空化喷嘴,实验表明环流式空化射流会对表面产生吸附效果。测量不同压力及距离下靶件表面受到空化射流的打击力,发现空化射流对靶件的冲击力并非与靶距呈单调递减关系。     

空化水喷丸工艺中喷嘴几何参数对空化行为影响的研究

空化水喷丸是利用微小空泡群在固体边界附近溃灭时产生的冲击波压力和微射流来强化金属材料表面,而这些空泡群则是由缩放型喷嘴产生的空化射流所提供。因此,缩放型喷嘴的空化性能可直接影响喷丸效果。利用FLUENT计算软件对缩放型喷嘴产生的淹没式空化水射流进行计算机模拟,并模拟分析了喷嘴喉部直径和喷嘴扩张角对流场中空化行为的影响,同时使用Fujifilm压敏试纸对垂直于空化水射流轴线的截面上的冲击压力场进行测量。结果表明,随着喷嘴喉部直径的增大或喷嘴扩张角的减小,流场中的整体汽含率会升高,试验测得的最高冲击压力高达300 MPa。     

自激振荡脉冲喷嘴空化效应及其射流形态的数值分析

基于自激振荡脉冲喷嘴空化效应和多相流模型,建立了自激振荡脉冲射流空化模型。依据自激振荡腔室结构及其几何参数建立了腔室轴对称物理模型,计算得到了振荡周期100ms内自激振荡脉冲射流的空化泡破碎、腔室内两相分布、湍动能分布和速度分布等结果。研究表明：在1.02~2.37ms时,空化泡半径减小,气泡开始径向运动形成泡面加速射流;在2.69~4.67ms时,空化泡面压力达到极限破碎值时气泡开始破碎;在自激振荡周期前25ms,主射流与空气接触边界面形成较强湍动能,自激振荡腔室中心漩涡区逐渐变大,外流场连续射流被割断成多股状射流,射流在喷射轴线附近速度达到并稳定在30~40m/s;在振荡周期的40~90ms,腔室内中心空化气囊形成并开始阻挡主射流运动,喷嘴出口流道出现大面积空化区域,湍动能最大区域集中在下喷嘴出口下游;在振荡后期,随着主射流与空气相互作用及射流贯穿距离增加,主射流速度逐渐趋于稳定且扩散作用减弱。     

空化效应对斜线槽机械密封性能的影响

润滑膜的空化效应对流体动压型机械密封的密封性能影响显著。以煤油基磁流体润滑斜线槽上游泵送机械密封为研究对象,考虑空化热效应以及黏温效应,建立润滑液膜特性的数值分析模型,以液膜中的气相体积分数为指标,研究工况和结构参数对密封性能的影响规律,并与仅考虑黏温效应的模型进行对比。结果表明：因空化热模型考虑液膜介质饱和蒸汽压力随温度变化,考虑空化热效应时的开启力、泄漏率和气相体积分数均小于仅考虑黏温效应下的对应值,但2种条件下各参数的变化趋势基本一致;转速和槽径比增大,空化效应增强,而进口压力、膜厚、径向夹角和槽数的增大会削弱空化效应;转速、槽深、径向夹角、槽径比增加,会导致泄漏率增加,而进口压力和槽数的增加能够提升密封性能。     

发动机喷嘴内部空化初生的数值模拟研究

采用全空化模型研究了具有不同物性（黏性、饱和蒸汽压和表面张力）的流体在不同几何形状（入口圆角半径和长径比）喷嘴中的空化现象,用临界空化压力和临界空化数对不同条件下空化的初生进行了分析与表征。结果表明：流体的黏性越大,饱和蒸汽压越小,空化初生的临界压力就越大,而表面张力对临界空化压力没有影响;在入口圆角半径较大和喷嘴长径比较大的喷嘴中,临界空化压力较大,在流体黏性和喷嘴几何形状相同的情况下,虽然临界空化压力会随着流体饱和蒸汽压的变化而变化,但临界空化数基本保持不变;由于喷嘴几何形状的改变造成了流体方向的变化和流体与孔壁之间摩擦损耗的变化,而流体物性的变化影响了流体内部的连续性,因此,喷嘴几何形状和流体物性是影响临界空化压力和临界空化数变化的关键因素。     

柴油机气缸套冷却水空化流的三维数值模拟

基于计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法应用动网格技术采用两相混合流体完整空化湍流模型,对某型柴油机气缸套主推侧的冷却水空化流进行非定常数值模拟。计算结果揭示缸套空蚀发生机理和冷却水流场特性变化,预测缸套冷却水的空化部位和程度。与缸套空蚀的统计结果对比,建立的数学模型是可靠的。结果表明,缸套附近流场的绝对压力和气相体积分数均具有周期性变化特性,且与缸套的振动周期一致。缸套附近冷却水空化流的流场特性不均匀。贴近变形最大的缸套壁区(缸套壁的中上区域)处流场压力和气相体积分数波动剧烈。此局部流场脉冲压力峰值达到约350 kPa,气相体积分数在5.8%～0.4%波动。较强脉冲压力的作用导致此壁区空蚀严重。振动频率和振幅分别增大30%,变形最大壁区附近流场压力峰值分别增加55%和15%。进口流速和流向对冷却水空化特性有一定影响,最大变形壁区气相体积分数峰值随流场平均流速的增大而增加。缸套振动的加速度是影响冷却水空化流流场特性的关键因素。     

固相粒径对深海采矿矿浆泵空化特性影响的规律

针对深海采矿矿浆泵空化现象,研究固相粒径对其空化特性的影响。根据空化核子理论、质能方程建立气液两相之间的质量转换方程,运用Fluent软件和Singhal et al的空化模型对在不同固相颗粒粒径工况下的深海采矿矿浆泵进行稳态全流道空化仿真研究。分析叶轮叶片背面压力和气相体积分布规律,对不同区间气相体积分数进行统计,计算出不同颗粒粒径下泵的空化余量和扬程。研究结果表明:随着固相颗粒的增大,叶轮叶片背面入口处的低压区面积逐渐扩展,泵的空化现象趋于严重,扬程下降。当粒径为25 mm时空化余量陡降至最低1.11m,空泡分布广泛,部分区域体积分数高达0.9;粒径从10 mm到25 mm的过程中扬程下降了8.67 m;继续增大粒径,泵的空化性能有所提升,空化余量稳定在3.5 m,但泵的扬程在空化和颗粒磨损共同作用下继续下降至65.3 m。     

出口形状对中心体喷嘴射流性能的影响

提出将中心体喷嘴与异形喷嘴组合以产生更好的空化射流效果的思路。采用Mixture多相流模型,在15MPa的射流压力下,对正方形出口、三角形出口和圆形出口3种中心体喷嘴产生的淹没射流流场进行数值计算,重点对轴向速度、径向速度、湍动能和空泡相体积份额进行了对比分析。研究表明:圆形出口的中心体喷嘴比另两种异形出口的中心体喷嘴产生更高的射流速度和湍动能;正方形出口比三角形出口的中心体喷嘴的射流稳定性能更强,圆形出口的中心体喷嘴产生的集束性能较强;异形出口的中心体喷嘴产生的流场中,空泡相延伸距离更长,异形出口的中心体喷嘴产生的空化射流效果更好。     

花瓣形喷嘴的射流流动与卷吸特性研究

针对离心式风机射流核心流过短、易扩散的问题,设计了一种花瓣形喷嘴,通过与传统的方形喷嘴对比,采用模拟结合实验的方法研究了不同喷嘴出口面积和形状对射流流场的影响规律。结果表明:对于一定出口形状的喷嘴,出口面积越小,喷嘴射流特性越好;对于一定出口面积的喷嘴,花瓣形喷嘴射流特性优于传统的方形喷嘴,而花瓣形喷嘴中三瓣形喷嘴射流特性最好,在喷嘴进口速度为6 m/s时,三瓣形喷嘴轴线平均速度比方形喷嘴提高了10.4%。     

冰粒气射流喷丸喷头流场数值模拟

基于射流的湍动特性,应用FLUENT对冰粒气射流喷头内流进行数值模拟。分析了射流压力对内流连续相轴向速度和轴向动压强及射流压力和粒径对弹丸轴向速度的影响。结果表明,当射流压力增大时,气体喷嘴出口处和弹丸喷嘴出口处的轴向动压强也随着增大;当射流压力增大时,气体喷嘴出口处和弹丸喷嘴出口处的轴向速度也随着增大;粒子速度随着射流压力的增大呈现先增大后减小的趋势,随着粒径的增大呈现减小的趋势,但最大值均出现在磨料喷嘴出口处。     

基于Fluent外混式气动雾化喷嘴改进与仿真研究

为了有效降低喷嘴气体能量的损耗，需要对气动雾化装置整体结构进行雾化速度和压力流场的仿真分析，通过改进局部设计来减少非必要的能量损失，以此来提高气体能量利用率，提升喷嘴雾化性能。为此，对外混式气动雾化装置的内外流场进行了数值研究。首先，对该气动雾化装置内部气相通道进行了数值模拟，找到了原设计中最大能量损失的原因；然后，根据流场的压力和速度分布规律，对壶体与喷嘴连接处的气相通道进行了局部结构改进，分析了装置改进前后内外流场的压力与速度变化情况；最后，通过模拟喷雾过程，对比了不同气压下原喷嘴和改进后的喷嘴内外流场的雾化特性，对喷嘴局部结构改进的合理性与改进后气动雾化装置性能的优越性进行了验证。研究结果表明：通过掏空雾化喷嘴主体和改变雾化喷嘴进气口形状的方式，可以有效改善气相通道的节流情况，减少气体能量的损失，缩短改进后的喷嘴气相通道内部高速气体路径，并且增加喷嘴气相出口附近的流场速度，最大增幅为11.49%;改进后的喷嘴雾化性能得到了提升，当气压在0.3 MPa附近时，其雾化效果最佳。     

扁平扇形喷嘴的设计研究

对侧向V型狭缝式扁平扇形喷嘴的内部结构参数设计方法进行了研究.使用该方法对一个喷嘴进行了设计,实际使用中喷洒效果符合要求.分析得出了侧向V型狭缝式扁平扇形喷嘴内部结构参数和流量阃的关系:喷嘴内圆柱面半径和V型槽底部至内圆柱面轴线的距离必在一族等式约束曲线上取值,且曲线随流量增大而上移;当内圆柱面半径一定时,喷嘴流量随V型槽切口深度增大而非线性增大;当V型槽切口深度一定时,喷嘴流量随内圆柱面半径增大而非线性增大.     

空化水喷丸工艺中空化行为的数值模拟与验证

空化水喷丸工艺是用于金属材料表面改性的一项新技术,该工艺中的空化行为涉及高速、高压、相变、湍流、非定常特性等复杂多变情况,对该工艺中的空化行为及冲击压力场分布规律的探索一直是该领域的重点和难点。利用FLUNET6.3流体计算软件对淹没式空化射流中喷嘴内外的流场特性进行模拟分析,获得流场内的速度、静压和汽含率分布规律,同时使用Fujifilm压敏纸对空化水喷丸工艺中沿空化射流方向上的冲击压力场的分布规律进行试验测定。研究结果表明空化水喷丸工艺中的淹没式空化射流在缩放型喷嘴内外形成剧烈的空化现象,空泡群溃灭瞬间产生的冲击波压力高达300 MPa以上。     

考虑空化效应的齿面沟槽织构润滑性能CFD分析*

为探究齿面沟槽织构参数对渐开线圆柱直齿轮润滑性能的影响,简化齿轮啮合模型选取并建立单元沟槽CFD仿真模型,通过分别求解未考虑和考虑空化效应的2种仿真模型,获得不同沟槽尺寸参数对模型润滑性能的影响规律。结果表明：沟槽织构的存在改变了流体域油膜压力分布状态,具有更高的油膜承载力和更好的动压性能;不考虑空化效应时,油膜承载力大小与沟槽宽度的变化密切相关,而受沟槽深度变化的影响较小,沟槽织构浅且宽时齿面具有更好的润滑性能;考虑空化效应后,表面润滑性能随沟槽宽度与深度的变化而动态变化,相较于不考虑空化效应,沟槽宽度更窄、深度更深时齿面具有更好的润滑性能;在沟槽深度与宽度均较小时,空化效应对动压性能的影响不是很大,在沟槽深度较小而沟槽宽度较大时,空化效应对动压性能的影响较大;而在沟槽深度较大时,空化效应对动压性能的影响始终较大,且不受沟槽宽度变化的影响。