围压下自振喷嘴空化起始能力试验及应用研究

开展喷嘴空化起始能力研究,对增大射流破岩效果,提高深井钻井的速度具有非常重要意义。利用瞬态流和水声学原理设计研制了自振空化喷嘴,通过试验研究了该喷嘴的空化起始能力,并与锥形喷嘴进行了比较,结果表明在更深的井底或更高的围压条件下,自振空化喷嘴比普通锥形喷嘴具有更大的起始空化数和更强的空化起始能力,最大起始空化数达1.67,而锥形喷嘴最大值仅为0.54。现场试验也证实了自振空化喷嘴钻头在增加进尺、提高机械钻速方面有更显著作用。     

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。     

基于空化技术的管道清洗装置的研究

管道清洗是清洗行业的难点之一，在对空化的清洗机理进行研究的基础上，主要本着将脉冲产生空化技术与自振空化喷嘴产生空化技术相结合，以达到较好的空化、剥蚀效果的思路，设计出了一套基于空化的管道清洗装置，并对该装置的结构、提高清洗效果的方法和优点等进行了详细的介绍。     

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。     

水射流空化噪声的混沌辨识

水射流空化是一项很有潜力的高效节能的水处理技术，其关键技术在于空化喷嘴。通过水听器采集3种不同结构的喷嘴产生的空化噪声信号，以Takens定理为基础进行相空间重构并分别计算其最大Lyapunov指数，该方法为空化喷嘴的设计和检测提供了一种新的途径。试验发现这3组空化噪声信号的最大Lyapunov指数均大于零，即这3组信号都是混沌信号。喷嘴I（具有自激振荡腔结构）的最大Lyapunov指数值最大，说明其空化噪声信号相空间中的混沌运动最剧烈，同时该结构的喷嘴对初始条件的依赖性也最大。     

收缩-扩散型喷嘴内高速泡液流稳态解的分岔

空化水射流技术的关键是空化喷嘴 ,实验证明空化喷嘴出口形状对喷嘴的空化效果影响很大。对在具有收缩 扩散形状的喷嘴内高速泡液流稳态解的分析表明 :泡液流中很小的空隙率亦强烈地影响着其流动特性。当空隙率为临界值αc=1.895 993× 10 -4时 ,泡液流稳态解出现分岔现象。收缩 扩散型出口形状更利于喷嘴产生空化     

自激振荡脉冲射流喷嘴的修正空化模型

根据自激振荡脉冲射流喷嘴中的空化发生机理,一种考虑剪切力(包括雷诺剪切力和粘性剪切力)和由湍动能产生的压力脉动对空化影响的修正空化模型被提出来提高喷嘴内流场的模拟精度。修正空化模型通过用户自定义函数UDF挂入到Fluent中定义空化压力属性。采用该修正空化模型模拟计算所得到的不同入口压力和腔径条件下的喷嘴出口压力峰值与以往的实验结果吻合得很好,验证了该修正空化模型的正确性。进一步对剪切力和由湍动能产生的压力脉动对空化的影响进行了分析,并且研究了不同入口压力条件下这两个因素对空化发生的影响的强弱程度以及空化初生的能力。     

不同形状喷嘴的空化性能数值模拟研究

空化效应可在石油钻井中提高钻头钻速,为了获得不同形状喷嘴的空化性能,利使用FLUENT软件对常规型、扁平型、Y型、十字型、星型这5种形式喷嘴的空化效应进行了数值模拟仿真。研究结果表明:扁平型喷嘴经空化作用后气相具有较大的体积,星型喷嘴经空化作用后气相体积较小;喷嘴轴线上速度分布与喷嘴出口处的面积有关,面积越小轴线上的速度分布越大,但分布越不平稳;十字型喷嘴与常规型喷嘴的空化性能差异主要是由于常规型喷嘴内的湍动能强度较大造成的。喷嘴出口处的水力直径与空化作用后的气相分布具有较高的相关性。     

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。     

自激振荡脉冲雾化喷嘴的空化特性研究

基于自激振荡脉冲喷嘴结构及其射流空化特性,建立了射流雾化过程中的液滴高密度区域和低密度区域破碎模型,分析了空化特性对自激振荡射流液滴破碎的影响,得到了影响自激振荡脉冲喷嘴空化特性的主要因素。研究结果表明:自激振荡脉冲射流呈周期性变化的空化特性使喷嘴出口形成超空化,出口处射流低密度区域形成一次雾化,而高密度区域则以液滴二次雾化形式破碎,增强喷嘴空化强度有利于射流雾化;自激振荡脉冲射流系统频率、喷嘴出口锥角以及射流进口压力都影响喷嘴的空化效果。     

Scale effects on propeller cavitating hydrodynamic and hydroacoustic performances with non-uniform inflow

Considering the lack of theoretical models and ingredients necessary to explain the scaling of the results of propeller cavitation inception and cavitating hydroacoustics from model tests to full scale currently, and the insufficient reflection of the nuclei effects on cavitation in the numerical methods, the cavitating hydrodynamics and cavitation low frequency noise spectrum of three geometrically similar 7-bladed highly skewed propellers with non-uniform inflow are addressed. In this process, a numerical bridge from the multiphase viscous simulation of propeller cavitation hydrodynamics to its hydro-acoustics is built, and the scale effects on performances and the applicability of exist scaling law are analyzed. The effects of non-condensable gas(NCG) on cavitation inception are involved explicitly in the improved Sauer’s cavitation model, and the cavity volume acceleration related to its characteristic length is used to produce the noise spectrum. Results show that, with the same cavitation number, the cavity extension on propeller blades increases with diameter associated with an earlier shift of the beginning point of thrust decline induced by cavitation, while the three decline slopes of thrust breakdown curves are found to be nearly the same. The power of the scaling law based on local Reynolds number around 0.9R section is determined as 0.11. As for the smallest propeller, the predominant tonal noise is located at blade passing frequency(BPF), whereas 2BPF for the middle and both 2BPF and 3BPF for the largest, which shows the cavitating line spectrum is fully related to the interaction between non-uniform inflow and fluctuated cavity volume. The predicted spectrum level exceedance from the middle to the large propeller is 6.65 dB at BPF and 5.94 dB at 2BPF. Since it just differs less than 2 dB to the increment obtained by empirical scaling law, it is inferred that the scale effects on them are acceptable with a sufficient model scale, and so do the scaling law. The numerical implementation of cavitating hydrodynamics and hydro-acoustics prediction of propeller in big scale in wake has been completed.     

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。     

不同燃油温度下柴油机喷嘴空穴流动特性试验研究

作为喷射系统的终端,喷油器内部的空穴流动对燃油雾化具有重要影响。采用比例放大透明喷嘴,研究不同燃油温度对喷嘴内空穴流动及其对近场喷雾的影响。引入无单位参数空穴数表征喷油器内燃油空化程度,研究发现燃油温度升高,其空穴初生时的压力减小,同一空穴数下,空穴程度更强烈。同时,试验观察到喷嘴内空穴区域的不对称性,喷孔管壁下壁面的空穴分布远大于上壁面的空穴分布;发生超空穴之后,随着空穴数的增加,试验结果中喷嘴内部的空穴流动变化不太明显,但仿真结果中看出喷孔出口流速减小。相同燃油温度下,随着空穴数增加,体积流量增加,流量系数减小,空穴相对面积增加,近场喷雾锥角增大;相同空穴数下,燃油温度增加使体积流量和流量系数都增加,空穴相对面积逐渐增大,近场雾化效果更好。     

高功率密度液力变矩器空化特性研究

高功率密度液力变矩器由于其内部流速高、局部压力低而易出现空化现象,导致其液力性能恶化。针对液力变矩器内空化现象进行试验及数值研究,通过对不同转速、不同速比及不同补偿油压力下液力变矩器性能测试,获得空化随工况及供油条件变化规律。构建基于Rayleigh-Plesset的全流道瞬态空化仿真模型对不同工况下液力变矩器内部两相空化流动进行预测,利用应力混合涡模拟湍流模型精确捕捉涡流状态,实现对有/无空化下液力变矩器内部流场及液力特性的计算。结果表明,液力变矩器在高泵轮转速、低速比及低补偿压力下容易发生空化,空化程度随着速比的下降而升高,在起动工况时达到最大。在空化工况下,液力变矩器导轮流道内产生大量空泡,空泡阻碍油液流动,导致循环流量降低,进而使液力变矩器传递功率的能力下降,起动工况下能容系数降低高达31%。全流道瞬态空化模型能够实现液力变矩器空化特性的精确预测,对变矩比、能容系数及效率的最大预测误差由无空化的30%降低至5%。     

近球壁射流空泡溃灭对微细颗粒破碎效果的影响

为有效解决大规模机械粉体制备中存在的微细颗粒团聚和粉磨极限等问题,采用了空化射流冲击结合磨介研磨的微细颗粒制备方法,并对近球壁空化射流有效冲击破碎颗粒开展了研究。理论分析了近球壁空泡溃灭对微细颗粒的冲击特性,得出了颗粒冲击破碎的有效量纲一距离及临界空泡最大半径;通过空化射流冲击球壁的数值模拟仿真,分析了喷嘴入口压力和靶距对近球壁空泡分布的影响。为验证理论与数值分析结果,开展了基于靶距、转速率、颗粒质量分数和喷嘴数目等多因素的石英砂球磨空化破碎对比实验,实验结果与理论和数值分析结果吻合良好,验证了此方法的有效性。研究结果表明:空化冲击结合磨介研磨微细颗粒的破碎率比单一研磨微细颗粒的破碎率更高;在空化射流入口压力5 MPa下,靶距和转速率是石英砂微细颗粒破碎效果的主要影响因素,其次是喷嘴数目。     

基于图像灰度统计的调节阀空化分布特性研究

针对调节阀内复杂的空化流动现象,研究调节阀内的空化形态特征和分布特性。建立调节阀空化图像采集试验系统,采用高速相机对空化形态进行捕捉。由于空泡的生长、溃灭等动力学行为使空泡群的密度和数量的不同,捕获的图像上灰度值的变化与空泡的演变过程之间存在相关性。该文通过空化图像中灰度值的变化来识别空化区域,且为提高分析可靠度,引入三个特征量：相似系数R确定所需样本数量、灰度变化率λ来表征空泡的动力学行为变化、平均灰度值ψ表达空化长度。根据这三个特征量,我们准确获得了调节阀内空化产生的位置、分布区域以及形态的变化。调节阀流道内空化附着区域可分为空化形成区(IR)、发展区(DR)和溃灭区(CR)。背压是影响空化附着区域形态的一个重要因素。随着背压的增加,其对空化的抑制作用比较明显,空化形成区的终点也是溃灭区的起点,即空化在流道内的分布形式仅为空化形成、溃灭这两种分布形式。此外,随着背压的增加,空化强度减弱,空化长度亦减小。     

倒角阀座式水压锥阀空化射流动态行为数值模拟

使用可压缩的VOF空化两相流算法对倒角型阀座水压锥阀的空化射流进行了三维瞬态流场仿真。模拟结果揭示,空化结构首先在狭窄的倒角阀座流道内以附着空化的形式出现;在压差为4.4 MPa的工况条件下,空化分布集中在3个区域,阀座流道内及阀芯后沿的附着型空化,阀座流道至阀芯后沿的漩涡空化。射流势核在阀座流道入口及阀芯后沿均有分离流现象,从而诱发附着型空化;而大尺寸漩涡结构主要分布于射流势核的自由剪切层侧,漩涡空化亦相应地集中在自由剪切层侧,壁面侧偶发性形成薄层型漩涡空化。由于整体的空化行为涉及多个不同类型空化的耦合,其动态演变的周期特性受到干扰。阀座流道后部的脱落空化伴有明显的三维漩涡结构,阀芯后沿的漩涡空化与附着空化通过耦合作用形成大尺寸汽泡结构,揭示了后沿下游稀疏分布的大尺寸空化结构的产生过程。通过开展三维瞬态模拟,结合流场结构探索了空化射流的动态特性,从流体力学的层面解释了实验观测到的空化形态及分布规律。     

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。