基于FLUENT的人工淹没射流喷嘴流场仿真

根据Fluent流体仿真软件和人工淹没射流喷嘴内流场的特点,基于流体力学基本理论,对人工淹没射流喷嘴进行了仿真研究。通过数值模拟计算,得到了人工淹没射流喷嘴的压力分布云图和速度分布矢量图和静压力分布图等。模拟结果表明,在人工淹没射流喷嘴的圆柱段存在速度最大值,射流在圆柱段出口处与周围的水产生了强烈的剪切作用,出现了流速不均匀和脉动现象,再加上圆柱段出口端明显的负压区,这些都为空化作用的产生提供了有利条件。     

A new type of plunge pool—Multi-horizontal submerged jets

Based on the understanding of the mechanism of energy dissipation, a new type of plunge pool is presented with the advantages of high rate of energy dissipation, low impact pressure, and small close-to-bed velocity on the soleplate of the plunge pool. The first advantage owes to enlarged shearing energy dissipation areas in the plunge pool, while the other two are caused by the jet that enters in a nearly horizontal level to keep the soleplate from being scoured directly. All of the above arrangements make this new type of energy dissipator distinct from the underflow energy dissipation. Through experiments on the physical model, the authors found that the water flow maintained stable and submerged in horizontal direction when the flow was narrow in horizontal but thick in vertical direction. However, the wide flat nappe was ready to submerge or float as the downstream water level rised or dropped. The entire flow fields of multi-horizontal submerged jets into plunge pool were also numerically simulated. The numerical results of water surface curve, close-to-bed velocity and floor pressure agree well with the experimental data. The flow pattern in the plunge pool was analyzed after combining the laboratory data and numerical simulation. Supported by the United Research Foundation of the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 50539060 and 50709020) and “973” Project of China (Grant No. 2007CB714105)     

Experimental and numerical study on the flapping motion of submerged turbulent plane jet

A submerged,vertical turbulent plane water jet impinging onto a free surface will be self-excited into a flapping oscillation when the jet velocity,leaving the jet orifice,exceeds a critical value.The flapping phenomenon was verified simultaneously in this paper by laser Doppler velocimeter measurement and numerical analyses with volume of fluid approach coupled with a large eddy simulation turbulent model.The general agreement of mean velocities between numerical predictions and experimental results in self-similar region is good for two cases:Reynolds numbers 2090 and 2970,which correspond to the stable impinging jet and flapping jet.Results show that the flapping jet is a new flow pattern for submerged turbulent plane jets with characteristic flapping frequency,and that the decay of the mean velocity along the jet centerline is considerably faster than that of the stable impinging state.     

新型射流消能的流态演变与极限临底流速研究

本文列举了多个水电站采用挑流及底流消能的应用情况及泄洪雾化特点。针对向家坝水电站所采用的多股多层水平淹没射流的消能型式,分析了影响其效率效果的17个物理参数。表孔单独泄洪条件下,消力池内分别呈自由射流、半潜射流、淹没射流及回复底流的流态演变;中孔单独泄洪条件下,随下游水位的变化,其出现偏流,并随下游水位的升高而消失,同时空间扩散比对其流态演变影响明显;联合泄洪,下游水位对其流态演变影响明显,同时表孔适当收缩对流态改变影响明显。研究表明：表孔单独泄洪,影响其最大临底流速的参数为出口跌坎高程和水流弗氏数;中孔单独泄洪,影响最大临底流速的参数主要为出口跌坎高程和跌坎底坡比;联合泄洪,影响其最大临底流速的为表孔收缩比、表孔侧收缩比、表中孔出口高程差、表中孔出口水流弗氏数及中孔跌坎底坡比。本文展望了高水头大流量低雾化泄洪消能的研究前景。     

空化射流喷丸对45钢表面性能的影响

选用45钢作为研究对象,通过空化射流喷丸对其进行强化.利用microXAM型三维光学轮廓仪测量试样表面形貌,用S-3000N型扫描电镜表征试样表面的微观结构,采用71型显微硬度计测量试样截面硬度值的变化.结果表明:空化射流喷丸对45钢表面有明显的强化效果,喷射时间和射流压力对空化喷丸能力有着重要影响;空化射流喷丸强化比普通喷丸强化得到了更好的表面质量.     

淹没磨料射流的动理论分析

淹没磨料射流有效地解决了水下切割硬度较大的物体,动理论方法能更好地分析淹没磨料射流流动的相关理论问题。借助于多相流的运动理论,深入分析了淹没磨料射流的输运特点,探讨了淹没磨料射流中各相的碰撞特征。建立了淹没磨料射流中固、液、气各相分别满足的连续性方程和动量方程。分析指出,只要知道各相的分布函数,则可得到液、固、气各相的运动规律。     

岸坡植被对复式河道水动力特性影响的数值模拟

广泛分布于天然河道岸坡的植被能够改变河道水流特性,进而影响坡脚淘刷、河岸稳定及河道形态演变趋势。为精细揭示岸坡植被对复式河道水动力特性的影响,提出植被固壁边界处理方法,利用雷诺应力模型封闭紊流控制方程构建了复式河道三维水动力数学模型,并对复式河道水流特性进行了模型验证,模拟结果与实测结果吻合较好。将该模型应用于岸坡有植被的复式河道水流特性研究,对比非淹没刚性植被、淹没刚性植被、淹没与非淹没刚性植被交替和无植被情况下流速、流量、河床剪应力、雷诺应力以及紊动能分布的差异。结果表明：岸坡植被加剧了滩槽间横向动量交换,引起二次流涡旋数量、强度和范围的增加,同时使得横断面流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能在滩槽交界区显著减小,紊动交换在临近植被的周边区域明显增加。其中岸坡种植非淹没刚性植被时效果最为显著,相比无植被情况,二次流涡旋数量增加了一对,岸坡植被区流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能大幅减小,甚至趋近于零,而临近植被的周围区域紊动交换剧烈,无量纲化的紊动能值可达到20。     

水下爆炸气泡射流现象的试验研究

水下爆炸气泡塌陷产生的射流载荷会对舰船结构造成严重地毁伤,而射流现象又十分复杂.为研究水下爆炸气泡射流的产生条件以及载荷形式,文章设计了一系列的试验,通过高速摄影观测气泡运动过程,同时利用压力传感器对气泡周围的压力场进行记录.将试验结果与经典的Blake判断准则进行了比较分析,提出了气泡产生冲向靶板的射流条件.同时通过对试验中测量到的压力-时间曲线进行分析,可以看出射流的产生对气泡载荷的压力、冲量、能量都产生了很大影响,从能量的角度提出射流现象将使气泡能量集中,并对其正前方结构可能产生更大的毁伤.在分析试验结果的基础上分析了射流产生的机理,得到了不同引力和浮力方向情况下的射流形成条件和射流形成的载荷形式,为舰船结构抗爆研究提供参考.     

出口面积对有压弯管壁面压强及空化特性影响研究

高流速有压弯曲管道流动往往会出现壁面负压、空化等水力学问题。本文结合卡基娃水电站生态流量放水管工程,采用模型试验、数值模拟及理论分析方法,研究了出口面积对有压弯管壁面压强及空化特性的影响。试验结果表明：出口面积较大时,弯管内存在较大的负压,在高水位时,弯管段水流空化数小于初生空化数;当出口面积缩小为原面积的81.6%时,在不同水位下,弯管内水流空化数增大了2~4倍,弯管在各水位时水流空化数均大于初生空化数;基于能量方程,建立了有压弯管水流空化数的理论计算方法,计算结果与模型试验及数值模拟结果吻合良好。     

垂直洞塞出口冲击区壁面压强特性

垂直洞塞作为一种新型消能工,其出口水流状态可视为淹没射流,出流区域为射流冲击区,受结构自身特点的影响,该类射流的流速大,射流冲击区壁面受到的压强大,为探索垂直洞塞出口冲击区附近有界区域内的壁面压强分布规律,为结构设计及水力设计提供科学依据,作者结合某大型泄洪洞工程,采用模型试验、理论推导及数值模拟相结合的方法,针对不同的出口射流流速及不同压坡位置,研究了垂直洞塞出口射流冲击区的壁面压强特性。结果表明：冲击压强的试验和数值模拟结果吻合良好;当轴线上压强测点同压强最大值处的距离和压强半宽值的比值小于1时,试验及数模得到的壁面压强与理论分析曲线贴合,但当该比值大于1时,且压坡段与射流中心之间距离和射流直径之比较小时,两者结果明显高于理论曲线,理论曲线此时不适用。定量分析表明：随着下游压坡段与射流中心之间距离的增加,底板轴线压强分布逐渐贴合理论曲线;当压坡段与射流中心之间距离和射流直径之比大于2.35时,冲击区下游压坡段位置对底板压强半宽值无显著影响,各试验组次中底板压强半宽约为射流直径的0.3倍;射流冲击区内,顶部和侧壁壁面的压强随着离射流中心的距离减小而降低,在泄洪洞上游封堵处压强达到最大值。     

圆形液体浸没射流冲击驻点传热的数值模拟

对圆形液体浸没层流射流的流场结构和冲击驻点的单相传热进行了数值模拟．考虑的因素为喷嘴直径、喷嘴至冲击板距离、射流速度和加热面尺寸等．计算结果表明：冲击板上涡的位置随Ｒｅ的增加而远离对称轴．对于充分发展的管形喷嘴而言,驻点换热随射流出口Ｒｅ的增加和喷嘴直径的减小而增强;在５＜Ｚ／ｄ＜９内出现峰值,与加热面尺寸无关．     

航行体云状空泡稳定性通气控制

为研究水下航行体云状空泡稳定性,通过水洞实验对水下航行体模型云状空泡进行了实验研究,对比分析了不同空化数对水下航行体通气空泡稳定性的影响,分别分析了不同空化数下通气空泡发展、断裂和脱落等准周期性波动特性以及脱落速度和空泡发展对表面压力的影响,得到了通气对流动控制效果和局部不稳定性机理.结果表明:在通气作用下空泡内的透明部分逐渐增大,在逆压梯度的作用下,回射流形成并向航行体前部运动,空泡前部由透明逐渐变为浑浊,当回射流到达空泡前段,空泡表面出现波动,在回射流的作用下空泡以涡团形式发生脱落,航行体模型肩部通气空泡的发展和脱落随着空化数的控制而呈现明显的不同;当空化数较大时,空泡发生断裂、脱落两个过程;当通气量增大空化数减小后,空泡呈现断裂、融合、脱落3个过程,此时空泡呈现稳定发展的特性;空泡平均脱落速度随着空化数的减小而减小;实验结果也表明了不同时刻航行体表面压力脉动情况,空泡闭合位置存在压力峰值,航行体表面压力随着空泡的脱落出现波动.     

浅水流动环境中垂向缝隙射流的数值模拟

为探求浅水流动环境中缝隙射流的流动规律,提出射流的影响范围公式与流动转变条件.应用体积率（VOF）方法跟踪处理自由水面,利用重组化群（RNG）紊动动能-紊动耗散率（k-ε）模型,对浅水流动环境中垂向缝隙射流进行数值模拟.研究流速分布和自由水面位置,对比数值模拟与物理模型试验结果,分析流动转变条件.结果表明,计算结果与试验结果吻合较好,射流出口断面垂向流速分布符合半无限域中射流流速的衰减规律,流速场分布及自由水面位置在小流速比、临界流速比及大流速比下存在不同特性,自由水面隆起高度和流速比、水深比有关,射流对上游的影响距离随流速比增大而增大.     

Energy Consumption in Comminution of Mica with Cavitation Abrasive Water Jet

We have studied the efficiency of energy consumption in the comminution of mica powder with cavitation abrasive water jet technology. The energy required to create new surfaces in the comminution of mica powder with cavitation abrasive water jet was calculated,in order to estimate its efficiency of energy consumption. The particle size distribution and the specific surface area were measured by applying a JEM-200CX transmission electron microscope and an Autosorb-1 automatic surface area analyzer. The study results show that the efficiency of energy consumed in creating new surface areas is as high as 2.92%,or 4.94% with the aid of cavitation in the comminution of mica powder. This efficiency will decrease with an increase in the number of comminutions. After three comminutions,the efficien-cies will become 1.91% and 2.29% for comminution without cavitation and with cavitation,respectively. The abrasive water jet technology is an effective way for comminution of mica powder.     

电磁制动结晶器内电磁参数对钢液流动行为影响数值模拟

采用数值模拟方法研究了电磁参数（上、下磁极间距和线圈电流强度）对结晶器内流场和钢/渣界面波动行为的影响。结果表明,全幅两段式电磁制动结晶器内上部磁极和下部磁极覆盖区域磁感应强度会相互影响,上部（下部）磁极线圈电流强度的增加,会导致对应的下部磁极（上部磁极）覆盖区域内磁感应强度增加;施加全幅两段式电磁制动可以显著抑制结晶器内钢液流速和稳定弯月面波动;当上、下磁极间距增大时,钢液射流对结晶器窄面的冲击强度增大,钢/渣界面处湍动能和钢液流速增大;随着上部磁极线圈电流强度增大,钢液射流对结晶器窄面的冲击强度基本不变,钢/渣界面处钢液流速和湍动能减小;随着下部磁极线圈电流强度增大,钢液射流对结晶器窄面的冲击强度略微减小,钢/渣界面处流速和湍动能减小。     

水疗按摩喷头内部两相流流场的数值模拟

为详细了解水疗按摩喷头内的气液两相流流场,对喷头内部流场进行了数值模拟计算,并在数值模拟的基础上。分析喷头内流场的压力、速度、气相分布。找出原结构的不足。结果表明：进水管直角弯头处的压力和速度减小显示了管道方向的突然改变引起局部能量损失;根据数值模拟显示的负压区可指导设计进气管的最佳位置;气相分布显示,原进气管的非对称结构使气液混合不够均匀。将模拟计算结果与实验结果比较,证明数值模拟所用的计算模型是有效的,表明数值模拟可以用于喷头的结构设计指导。并为喷头的结构优化提供便捷的验证手段。     

淹没射流流场演化过程研究

摘要：采用大涡模拟方法（LES）研究了淹没射流紊动流场的演化过程,分析了速度、压力、涡量的演化规律和它们之间的内在联系。研究发现,压力场等值线呈一簇簇同心圆分布,沿射流轴线方向圆心高压和圆心低压交错分布,随着射流的进行,同心圆随射流下移并伴有变形、分裂、融合等现象;分析速度场发现射流轴线处存在高速流体团脱落现象,在固定点处的速度和压力大小有很好的负相关关系;分析涡量场发现涡旋的摆动造成了射流主体的摆动,涡旋的存在导致了压力场圆心低压和圆心高压交错分布的现象。     

VOF模型在黄河潘家台滩整治工程中的应用

为了验证VOF水气两相流模型在模拟有丁坝等影响的复杂流动方面的可靠性,进行了一系列的丁坝水槽实验,并用VOF模型对实验进行了模拟。实验中,丁坝布置包括单丁坝和双丁坝情况,每种丁坝又包括上挑、正挑和下挑3种角度,流量条件分别为绕流和漫坝两种情况。模型计算结果与实测值比较,二者吻合很好。结果表明：VOF模型对于模拟复杂流动有推广价值。本文将VOF模型应用于实际工程——黄河潘家台滩2km长重点整治河段,对两种推荐方案进行了模拟分析,提出方案2为优选方案。     

单股水平淹没射流的理论计算与数值模拟

采用理论分析的方法,利用单股水平淹没射流纯水状态下射流中心轴线流速的试验推导公式,进行不同流程下中心轴线最大流速的计算。然后利用FLUENT流体计算软件,对单股水平淹没射流进行数值模拟研究,求得射流相对应流程上中心轴线的最大流速,并与理论分析结果加以比较,从而验证CFD流体计算软件对淹没射流研究的适用性和准确性。     

Experimental investigation of submerged impinging jets in a plunge pool downstream of large dams

Ｔｈｅｐｌｕｎｇｅｐｏｏｌｗｉｔｈｏｖｅｒｆｌｏｗｓｐｉｌｌｗａｙｓｉｓａｔｙｐｉｃａｌ,ｓａｆｅａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃａｌｅｎｅｒｇｙｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｆｏｒｍｄｏｗｎｓｔｒｅａｍｏｆｌａｒｇｅｄａｍｓｉｎｎａｒｒｏｗｖａｌｌｅｙｓ.Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ,ｉｔｉｓｑｕｉｔｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒｄｅｓｉｇｎａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆｐｌｕｎｇｅｐｏｏｌｓｄｏｗｎｓｔｒｅａｍｏｆｌａｒｇｅｄａｍｓｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙｆｌｏｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ,ｄｉｆｆｕｓ…