水力空化装置文丘里管的模拟优化

基于FLUENT软件．采用标准的κ-ε模型和空化泡动力学模型对三种不同几何形状的文丘里管中的空化流场进行了数值模拟，井将计算结果与实验结果进行了比较．计算结果表明，理论计算的汽含率分布与实验拍摄的汽含率分布是相似的。文丘里管的结构对空化效应有着重要的影响．从而为文丘里管的优化设计提供了依据。     

绕水翼空化流场的数值模拟与试验研究

采用试验研究与数值模拟相结合的方法研究绕水翼ys930的非定常空化流场结构,试验采用高速数码拍摄技术观察在10°攻角下的片状和云状空化随时间的结构变化;数值模拟针对应用较多的RNG k-二方程湍流模型做适当修正,分析片状空化及云状空化时的非定常空化流场结构、流动特性及空泡演化过程。结果表明,数值模拟得到的水翼空化流动现象和试验观察到的结果基本一致,验证计算模型和数值方法的可靠性;在片状空化阶段,空泡长度变化不明显,空穴尾部边界存在小幅度波动,空穴总体相对比较稳定;云状空化阶段,空穴分为两部分:一部分为空泡主体,稳定地附着在水翼吸力面上,随时间推移逐渐长大,达到最大空泡长度后出现回缩;另一部分为空泡附体,为周期性非定常汽液两相运动区域。云状空泡的形成和发展过程均伴有压力的波动,在一个空泡生长周期内,压力面压力系数几乎不受空泡变化的影响,吸力面压力系数在空化数的负值附近小幅度波动。     

空化文丘里管稳流特性研究

基于Realizable k-ε湍流模型和Zwart空化模型,采用计算流体动力学方法(CFD),结合相关文献的研究成果,对某文丘里管的流动进行了模拟计算,研究稳流工作的文丘里管的空化流体动力学特性和稳流特性规律。流量的模拟数值与已有的试验数值吻合较好,误差在5.8%以内,证明数值模拟方法可以用来研究文丘里管的流动特性。通过改变文丘里管的渐缩段入口结构跟渐扩段角度,对其稳流特性进行研究,并得到以下结论:空化现象的出现是文丘里管稳流作用的必要条件。增大文丘里管的渐扩段角度,边界层分离现象更为严重,在尾流区会产生更多的旋涡,加剧了流体的湍流程度,造成了更多能量的不可逆耗散。在一定程度上,湍流程度与文丘里管的稳流性能成正比。湍流愈剧烈,稳流性能愈好。同时圆弧式收缩段结构的文丘里管稳流响应迅速;抛物线、直线式收缩段结构的文丘里管稳流响应较慢。     

791翼型非定常空化流动数值计算研究

采用DES湍流模型对791翼型在2°攻角及雷诺数为2.1×105的来流条件下,空化初生以及片状空化阶段三维非定常流动的结构进行了数值模拟,初步揭示了其流动特征。在空化初生阶段,空化初生的起始位置位于翼型最大厚度处,且展向外缘处的小空泡脱落呈周期性变化。片状空化空穴U型结构演变阶段,其空穴长度演变呈现出回缩-生长-回缩的明显特征。片状空化空泡脱落时,在指向翼型前缘发展的回射流和指向翼型展向中间截面的侧向射流相互耦合下,U型结构的两侧中部部分空泡开始脱离主体,向中间截面流动。U型结构两侧上的回射流是导致U型空穴回缩的主要原因。     

空化流动研究进展

空化现象是一种与液体的压力有关的动态过程,而对空化流动的研究涉及到流体机械、船舶工程、医疗、环保、国防等众多领域.本文从空化初生、空泡动力学、空化流的测量、以及空化流动的数值模拟等方面对空化流动的国内外研究现状进行了简要的介绍,并对一些研究方向进行了展望.     

基于k-ωSST模型的DES方法在空化流动计算中的应用

基于试验结果评价了基于k-ωSST两个方程的DES湍流模型在空化流动中的应用,分别计算了绕Clark-y型水翼云状空化与Hydronautics型水翼超空化流动,获得了随时间变化的空穴形态与流场结构细节。通过与试验结果对比发现,DES方法对于高雷诺数的绕水翼空化流动的预测是合理的,可以准确地模拟出空穴形态的非定常特性和空泡团交替脱落的非定常细节。     

文丘里管不同空化阶段空化不稳定特性的试验研究

采用高速摄像技术研究文丘里管在空化数分别为0.76、0.51、0.26的三种不同状态下的空化流动现象,比较不同工况下空化云脱落的具体方式,利用图像处理工具分析空化云面积的变化规律,研究空化云脱落和各测压点压力变化之间的关联关系。结果表明,空化云从文丘里管喉管起始段近壁面处生成以后,逐渐向下游发展,在不同空化阶段呈周期性的以不同的方式脱落。随着空化数的减小,空化云脱落方式由单一的上下同时脱落向单边脱落转变,而单边脱落又以下边脱落为主。当空化非常剧烈时,在扩散管内出现多段不连续的团状空化云。另外,空化云脱落与扩散管内3个不同位置的压力脉动有很强的关联性,而与喉部内压力脉动关联不大。空化云脱落的主频与扩散管内压力脉动主频几乎完全对应,且随着空化程度的加剧而递减,对应主频分别为275.9 Hz、176.8 Hz、12 Hz。     

文丘里疏水阀流场的有限元分析

为了对文丘里疏水阀内部流场做进一步研究,对文丘里疏水阀的流场进行连续性方程和Navier-Stokes方程的数学建模,建立3D实体建模并进行网格化.利用Fluent中Realizable k-ε湍流及空化模型对文丘里疏水阀流场进行有限元分析,得到流场压力》速度》温度在流场中的变化,以及通过含气率及湍流动能的模拟对空化效果进行分析.通过分析研究,了解了文丘里疏水阀在工作中状态中流场各参数的变化,为进一步研究排量奠定了基础,同时为文丘里疏水阀的选型提供了参考,对工程实践具有较高的理论指导价值.     

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。     

绕水翼空化非定常的动力特性

采用试验的方法研究绕水翼空化流动的非定常流体动力特性。试验在一闭式空化水洞针对一Clark-y型水翼进行。采用高速摄像技术观测不同空化阶段的空穴形态;应用自开发软件分析空穴形态随时间的变化;测量翼型所受的升阻力和升力方向的加速度;对上述的数据进行频谱分析。试验结果表明,绕水翼空化流动中,空穴形态及其对应的动力特性随时间的变化过程存在两种不同的模式。当4σ/2α6时,空穴平均相对长度为l/c0.7,由空穴形态和升力系数得到的功率谱峰值对应的斯特劳哈尔数大于0.3;当σ/2α4,空穴平均相对长度为0.7l/c1.0,绕水翼空化流动呈现明显的非定常性,翼型吸力面出现了大量空泡团周期性的脱落,升力系数功率谱峰值对应的斯特劳哈尔数在0.18左右,空泡团脱落频率不随空化数的变化而改变。     

离心泵内部空化流动的定常数值模拟及性能预测

为了研究离心泵内部的空化流动,利用fluent软件中的空蚀模型及混合流体两相流模型,对离心泵的三维湍流空蚀流场进行定常数值模拟,根据模拟计算结果显示的液相和空泡相流动特征,预测了离心泵在设计工况下运行时流道内空化发生的位置和程度;通过分析空蚀发生过程中叶片上的压力分布,揭示出离心泵流道内部流场的内在特性,最后对泵的性能进行了预测,说明数值模拟可以为离心泵在特定工况下运行时的空化性能预测提供依据。     

液压滑阀高压空化流动特性的数值研究

采用数值模拟方法研究液压滑阀内的高压空化流动特性,分析了进口压力的改变对液压滑阀内的高压空化流动特性的影响。结果表明:在高压入口条件下,液压滑阀节流槽区域内及其出口处存在多个空化区域。随着进口压力的增加,液压滑阀内的空化流场会从稳态向非稳态转变;当液压滑阀内的空化流场处于非稳态时,其空化流动结构的变化具有明显的周期性,可明显区分出空化初生、发展和衰退阶段。进口压力越高,节流槽出口处的空化区域和强度越高,空化流动周期性变化的时间越短,且会出现云空化脱落现象。     

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。     

多孔式射流钻头流场数值模拟研究

多孔式射流钻头是应用于径向水平井技术的一种新型射流钻头。本文建立了多孔式射流钻头流场计算模型,采用RNGk-ε湍流模型进行数值计算,分析了射流钻头内外不同区域的流场分布情况和局部流动特性。模拟计算结果表明:多孔式射流钻头有效扩大了井底冲击区,有利于扩大成孔直径;反向射流冲刷井壁,可以进一步扩大孔径,其反推力平衡了正向射流的反推力,有利于轨迹控制;反向射流的附壁作用,增大了喷嘴局部阻力系数。射流钻头入口及环空的压力和流量的数值模拟结果与试验测试结果一致。     

三相旋流抛光磨粒运动的测量与微气泡补偿

研究了气液固三相旋流流场抛光机理和规律。设计了三入口的抛光加工流道,对气液固三相旋流抛光流场进行了数值模拟。基于模拟结果设计了气液固三相磨粒流旋流流场测量平台,并通过粒子图像测速法(PIV)测量了微气泡补偿条件下气液固三相旋流抛光的流场参数,获得了微气泡补偿区域流场的运动图像、速度矢量图和涡量图。PIV测量试验数据显示:在微气泡补偿区域,磨粒速度主要集中在30m/s到80m/s,同一测量点高速磨粒出现频率明显增加,少数磨粒速度达到100m/s以上;磨粒平均速度从33.8m/s增大到44.2m/s,经4h抛光后硅片表面最大粗糙度从10.4μm下降到1.3μm。理论和试验研究表明,气液固三相旋流抛光流场中微气泡溃灭引发的空化冲击效应可增大磨粒动能,提高抛光效率,实现B区域的均匀化抛光。     

汽车冷却水泵小流量工况下非定常空化特性研究

针对汽车冷却水泵的空化问题,对小流量工况下非定常空化特性及其对压力脉动的影响进行了研究。采用SST k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri (ZGB)空化模型,对水泵在典型空化状态下的流场进行了数值模拟研究,得到了小流量工况下叶轮内的非定常空化流动特征和空泡的时空演变规律;对蜗壳上的压力脉动进行了频谱分析,得到了不同空化条件对压力脉动的影响;通过泵的空化实验,对数值模拟结果进行了验证。研究结果表明:随着空化余量的减小,各监测点压力脉动峰的峰值和主频幅值逐渐增大,特别是隔舌位置处的压力脉动变化最为显著;泵内的空泡表现为不对称分布,主要集中在叶片前缘位置以及后盖板靠近叶轮进口位置,并随着空化的加剧,空泡体积分数逐渐增大。     

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。     

截止阀内流道空化形态演变规律及空蚀损伤试验研究

为了研究阀门非对称结构流道空化损伤机理,采用高速摄像机针对一种特殊结构的空化室内空化演变过程进行试验分析,考察了不同空化状态下空泡初生、发展、脱落、分离或融合再生或直接溃灭的过程。结果表明,随流量增加,空化强度增大,空化状态从单空泡初生、脱落演变为下凸圆后方云状空化带,再发展为全流场超空化。固定狭缝3 mm宽度,空化指数在1 224～652区间时,空化状态为泡状空化,空泡在上凸圆绕流135°边界层分离位置初生,经狭缝旋转与下凸圆空泡聚并、长大、溃灭,空泡演变周期约为40 ms;当空化指数在652～81区间时,空化状态为云状空化,微小空泡充满整个空化腔,在上、下凸圆后形成了高透光空泡团聚、溃灭区域,加剧空蚀损伤作用;当空化指数小于21时,出现超空化状态,微空泡溃灭引发的波动效应增大,阀门空蚀损伤速率达到极值。所得结果可为阀门非定常空化过程及阀门空蚀损伤分析提供理论基础。     

喷水推进器全流道空化数值模拟

喷水推进器常被用在船舶,两栖车辆等作为推进装置。论文应用三维Navier-Stokes方程和两方程湍流模型以及全空化模型,对喷水推进器的空化流动进行数值模拟。介绍了空化流动的模拟方法,并计算了推进器的空化性能指标,通过与试验对比得出:采用数值模拟方法能有效地预测叶片上空化发生的区域和空化流动的发展情况。同时,根据推进器内部流场提出提高抗空化性能的相应设计。     

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。