自振射流装置结构及频率特性

自振射流频率特性包括低频脉动与高频振荡,其发生机理与应用条件均存在较大差异,而现有研究较少。基于流体网络理论建立数学模型,分别计算流体管网与喷嘴的声谐固有频率;基于信号分析方法,获取自振射流的全频谱结构,进而探讨射流装置结构与射流频率特性的关系。试验结果表明,一个完整的自振射流频谱由低频脉动和高频振荡两部分组成,但两者相差近两个数量级;自振射流的低频脉动通常由管网内流体扰动引发,当扰动频率与管网固有频率相接近时,低频振荡增强;其高频振荡由喷嘴出口处流体涡激振动引发,当涡振频率与喷嘴声谐固有频率相接近时,射流产生强烈的高频振荡;低频脉动射流不受喷嘴出口形状和外部环境参数影响,可应用于非淹没或低围压环境下,而高频振荡射流受喷嘴出口形状和外部环境参数影响大,可应用于围压条件下。研究成果揭示了射流装置结构与射流频率特性的关系,为自振射流装置结构设计及深海资源开采提供了技术支撑。     

均匀液滴喷射过程仿真与试验研究

针对液滴喷射增材制造试验参数调整困难、实施难度较大的现存问题,基于流体体积(Volume of fluid,VOF)两相流模型,建立均匀液滴喷射过程流场的计算模型。采用数值模拟的方法,对液滴喷射过程中的液滴流形态、压力场和速度场及其影响因素进行了研究,揭示了形成均匀液滴流的内在变化规律,得到了均匀液滴喷射过程的最优频率。在模拟结果的基础上,建立了液滴喷射装置并配置了相应的高速拍照系统,对射流断裂形态、喷射过程、喷射速度进行了试验研究。结果表明,射流速度主要取决于喷射压强,液滴流均匀性主要取决于扰动频率和扰动振幅,射流的压力场则呈周期性变化。模拟结果与试验结果吻合较好,说明所提出的建模方法是可行的,为不同情况下射流内部流场的计算提供了实用的方法,也为液滴喷射增材制造技术的应用奠定了理论基础。     

自激低频脉冲射流空气喷嘴数值模拟与实验研究

为揭示自激低频脉冲空气射流产生机理,探究喷嘴运行参数及结构参数对空气脉冲射流的影响,提出了自激振荡空气喷嘴设计方案,并利用Fluent软件对自激振荡空气喷嘴腔内速度场进行数值模拟仿真。结果表明：在相同工况下,入口压力为0.4 MPa时,率先出现周期性脉动射流,速度脉动曲线最稳定。此外,在不同入口压力下进行了脉冲射流频率特性实验。实验发现：入口压力是产生自激振荡脉冲空气射流的重要运行参数,且存在最佳腔长61.8 mm,使脉冲射流振荡幅度最大,为空气喷嘴的优化设计提供了参考。     

水下冲击射流振翅摆动的频率特性

为了研究振翅冲击形态下水下冲击射流的频率特性,采用自由能格子Boltzmann方法对一定水深条件下的平面冲击射流流场进行了数值模拟,验证了水下冲击射流除存在稳定冲击运动形态外还存在一种新的振翅冲击运动形态.对振翅冲击射流流场内特定位置上变量的频谱分析表明:横向速度u和自由界面做周期性变化,两者频率相同;在中心轴线上,流向速度频率是横向流动速度频率的两倍.同时,与稳定冲击形态下的射流相比,振翅冲击形态下射流中心轴线速度衰减加快.     

内射流对离心泵进口流场及压力脉动影响

为探究内射流对离心泵进口流场及压力脉动的影响,本文以一台有内射流循环回路的模型泵为研究对象,采用数值方法对泵全流道进行定常和非定常计算。结果表明:无内射流时泵性能模拟与实验值基本吻合,设计点扬程误差在1%以内;有内射流时泵扬程略有下降,效率最大下降1.8%。内射流流量与射流孔轴向平均速度随流量增加而减小。内射流对泵进口流场影响显著,其存在使得进口段轴向速度、压力、涡量及湍流强度均发生变化。小流量时内射流对进口流场的影响范围更大。距射流孔越远,轴向速度梯度越小。进口段内射流流场呈周期性变化,压力脉动频谱图中存在的低频信号f=9.13 Hz为内射流轴向速度场周期变化频率。     

螺旋流对环形射流泵性能影响的数值模拟

为了提高环形射流泵的输送效率,本文提出了一种利用导叶结构形成螺旋流的螺旋流环形射流泵。利用数值模拟的方法研究不同工作压力下的螺旋流环形射流泵和原型泵的速度、压力和湍动能分布计算结果,来分析螺旋流对环形射流泵的性能影响。数值模拟结果表明：在工作压力为130 kPa时,螺旋流使环形射流泵的流量比增加了43.1%,压力比降低了22.8%。螺旋流降低了环形射流泵喉管内的静压,更容易引起空化。螺旋流使得环形射流泵的效率在工作压力低于160 kPa时大于原型泵。螺旋流环形射流泵内具有更大的湍动能分布区域。随着工作压力升高,两种结构的环形射流泵湍动能分布差别减小。导叶阻力对螺旋流环形射流泵的效率有着重要的影响。     

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。     

基于剪切涡流运动的自激振荡脉冲射流减阻特性

流体运动特性对管道近壁面阻力变化有重要影响。以速度梯度和切应力线性表示壁面摩擦阻力,分析了自激振荡腔室出流管道剪切涡流演变规律及圆截面涡流层次分布状态变化。采用大涡模拟数值方法,计算得到出流管道某轴切面及法向面的瞬时速度和平均速度、不同上下游管径比下出流管道的壁面切应力以及不同长径比下出流管道的法向速度梯度。研究结果表明:自激振荡脉冲射流流动受反向助推涡影响具有强烈三维特性,射流流型呈现"波浪式"运动且发生周向偏转,射流流速及流型均发生周期性波动变化;当自激振荡腔室上下游管径比大于1时,出流管道壁面切应力开始减小,且随腔室上下游管径比增大,切应力缩减率最大达到约30%,壁面摩擦阻力随之减小;自激振荡腔室长径比在0.55时射流最大法向速度梯度波动幅值达到最大,当长径比继续增大时,出流管道内射流法向速度梯度逐渐减小,摩擦阻力亦随之减小。研究结果可为自激振荡脉冲增输装备设计及优化提供理论基础与科学依据。     

自激振荡脉冲射流频率特性实验研究

为了研究射流峰值压力频率和脉冲射流峰值压力以及自激振荡装置结构参数间的相互关系,运用流体网络理论建立了自激振荡装置相似网络模型,并完成了单腔室自激振荡脉冲实验。相似网络模型和实验结果表明:脉冲压力峰值频率不仅取决于系统的固有频率,还决定于系统的阻尼比;射流压力峰值频率随腔长的增大而减小,随泵压的升高而增大,存在一个最佳腔长使射流峰值压力最大;自激振荡装置具有低波滤通性,当来流脉动主频与自激振荡装置固有频率相近时,脉冲射流压力峰值最大。     

直旋混合射流破岩钻孔参数试验研究

直旋混合射流是由通过喷嘴叶轮中心孔的直射流和叶轮加旋槽产生的旋转射流经混合段混合而成的一种新型高效射流,它综合了旋转射流破岩面积大和直射流破岩深度大的优点.试验研究了叶轮中心孔直径、混合段长度、扩展腔扩展角、喷距和压力等5个主要参数对直旋混合射流破岩效果的影响规律.结果表明,叶轮中心孔直径为2mm、混合段长度为8mm、扩展腔扩展角为60°的喷嘴产生的射流具有较强的破岩能力;试验条件下,直旋混合射流破岩最优喷距约为喷嘴出口直径的6倍;增大射流压力可以大幅提高直旋混合射流的破岩体积.     

考虑压力脉动的消防水炮自适应炮头射流系统参数振动研究

消防水炮自适应炮头可根据流体压力和流量变化自动调整炮口开度,从而显著提升其射流性能。考虑自适应炮头射流系统中流体的压力脉动,结合流体体积弹性模量与刚度间的关系,建立基于时变流体刚度的射流系统参数振动动力学模型,采用多尺度法推导脉动激励频率接近射流系统固有频率和固有频率与脉动频率的组合频率时的共振响应公式,分析射流系统的主共振和组合共振响应。结果表明射流系统发生主共振响应时,激励频率占主导成分,且接近一阶固有频率时系统共振幅值最大;射流系统发生组合共振响应时,激励频率与流体刚度波动频率的组合频率对系统响应的影响与流体脉动频率有关;主共振和组合共振将恶化系统的动力学行为。本项研究可为深入探索自适应炮头射流系统的动力学特性,优化不同工况环境下的设计参数提供理论依据。     

自激振动空化射流振动分析试验

从提高喷射喷嘴的设计效率和射流冲蚀与清洗效率角度出发,在理论分析自激振动空化喷嘴工作原理的基础上,设计不同尺寸组合的风琴管自激振动空化喷嘴,测量风琴管自激振动空化喷嘴喷射时喷嘴及射靶的振动,通过对振动信号的比较分析,研究自激振动空化射流振动特性及频率特性。结果表明,自激振动空化喷嘴振动频域图中的高频成分是谐振腔内空化泡破裂撞击导致的高频振动,自激振动空化喷嘴振动频域图中存在调制频率,即喷嘴谐振腔内自激振动的谐振频率。实测值与理论计算值相符。给出风琴管自激振动空化喷嘴的主要结构参数喷嘴直径、谐振腔长对喷嘴产生自激振动空化效果的影响规律,得出给定试验系统中自激振动空化喷嘴的最佳结构参数。振动分析试验研究与仿真研究结果一致,为自激振动空化喷嘴的优化设计提供了有效方法。     

分支谐振型液压脉动衰减器动态特性分析

对分支谐振型液压脉动衰减器用CFD(Computational Fluid Dynamics,计算流体动力学)分析软件进行计算,分析共振腔结构与衰减器动态特性的关系。在层流状态下,考虑流体的可压缩性,利用M序列压力信号激励,对衰减器进行CFD模拟,利用FFT(Fast Fourier Transform,快速傅立叶变换)得出其频率特性,比较了共振腔容积相同但直径和长度不同的衰减器的频率响应和插入损失;利用阶跃压力信号模拟压力冲击,比较了它们内部流场。设计了频率特性相同但共振腔容积不同的衰减器,比较了它们的性能。利用分布参数法对共振腔结构与衰减器基频的关系进行了分析。结果表明:衰减器的固有频率特性在一定程度上与共振腔的直径和长度相关,当共振腔直径-长度比小于1并逐渐减小时,衰减器基频也减小;当其大于1并逐渐增大时,衰减器的基频变化很小,因此减小共振腔直径-长度比可以减小衰减器的体积,同时保持共振频率不变。     

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。     

基于CFD的喷嘴结构对高压水射流反推特性的影响

喷嘴作为无人机新型射流反推弹射的重要元件,其结构参数对无人机弹射动态特性具有重要影响.以圆柱形、圆锥形和余弦形结构的喷嘴为研究对象,基于CFD建立不同结构喷嘴射流流动的数学模型,采用VOF多相流模型和k-ε湍流模型等对不同结构喷嘴射流流态进行数值模拟,获得不同结构喷嘴内外壁面的压力场、速度场分布,对比分析喷嘴结构特征和...     

多级降压调节阀流激振动特性分析

分析某管路系统多级降压调节阀的流激振动问题,仿真得到调节阀小开度、中等开度、全开3种工况下压力、速度、漩涡速度云图、压力脉动时域与频域特性曲线及流激振动频率范围.利用热流固耦合模态分析得到调节阀固有频率.将流激振动主频与固有频率相对比,验证调节阀工作可靠性.分析得出:随着开度增大,各级降压效果明显,大涡逐渐形成小涡,且...     

高压水射流喷水推进装置空化流动及推力特性仿真分析

高压水射流喷水推进器是一种新型推进装置,其高速射流具有强剪切作用并将引起剧烈的剪切空化,从而对推力性能会产生重要影响。利用大涡模拟对推进装置的强剪切空化射流特性进行了仿真研究,探究了空化射流的流动机理及空化云演变规律,分析了空化现象对反推力特性的影响。结果表明：高速射流射入自由水域时将产生大量低压旋涡从而诱导剪切空化,并对反推力具有一定的增强作用,反推力增幅随空化程度的增强而增大;但受空化云形态变化影响,反推力将呈现脉动特性,其脉动幅值随着空化程度加剧逐渐增大,脉动主频随空化程度加剧而逐渐减小。     

侧壁式压水室离心泵的压力脉动特性

压力脉动是引起泵振动的主要因素之一,为有效地降低离心泵内压力脉动水平,提出具有特殊结构的侧壁式压水室。为研究其压力脉动特性,采用FLUENT软件对比转数130的侧壁式压水室离心泵进行数值计算,并将时域信号进行快速傅里叶变换为频域信号,结果如下:由于叶轮和隔舌的动静干涉作用,侧壁式压水室内压力脉动周期性明显,叶频在由压力脉动诱发的振动中占主导作用;由于隔舌位置及结构的变化,叶轮出口处液流与隔舌的直接冲击、干涉作用减弱,因此侧壁式压水室内隔舌附近监测点处的脉动幅值并未明显地高于其他点。与常规螺旋形压水室相比,侧壁式压水室可以大幅地降低泵内压力脉动水平,因此采用侧壁式压水室可以显著地降低由压力脉动诱发的振动,改善泵的振动性能。     

An experimental study on the distribution of the drop size and velocity in asymmetric impinging jet sprays

Distributions of the drop size and velocity in an asymmetric impinging jet are investigated by injecting water and a sodium carbonate (Na₂CO₃) solution, which simulates the mixing process in impinging jet sprays of liquid oxidizer and liquid fuel for liquid propellants. The liquid sheet formed from the impinging jet is visualized and the drop size distributions are obtained by using image processing for the visualized images. The drop size distribution of the asymmetric impinging jets is fitted to the Rosin-Rammler distribution function. The obtained drop size distributions according to the azimuth angle in the impinging jet are compared with the theoretical predictions of previous research. The experimental results of the drop size distributions are located between the two curves obtained from the theoretical predictions by treating each jet in the asymmetric impinging jets as an independent wall-impinging jet. PIV images using a double-exposure method were processed to obtain the drop velocity vector in the impinging jets. Whether the drops shedding from the edge of the asymmetric impinging jets occurs radially or tangentially is also investigated from the PIV results.