超声空化对换热器协同场的影响

针对超声波在防除垢对场协同的影响，采用FLUENT软件中的两相流模型、空化模型和标准的Κ-ε湍流模型，获得流场压强随时间步长的变化规律，即流场波动呈类似正弦波波动。引入空化数的概念，并利用π定理推导Reynolds数和空化数的函数关系，即Reynolds数与空化数呈幂函数关系，Reynolds数随着空化数的增加而减小，再根据场协同原理，表示出空化数和场协同数的关系，得到场协同数随着空化数的增大而增大，从而强化了换热器与外界的热交换。     

超声空化对换热器换热效果影响的研究

应用Fluent软件模拟了超声空化对换热器中不同管型(波纹管和横纹管)换热效果的影响,并应用场协同理论对数值模拟的结果进行了分析,结果表明:超声空化效应会增强换热管的换热效果,并且空化泡数量越多空化效果越明显;场协同数随着空化泡数的增加而减小,说明超声空化效应越明显,温度场与速度场的协同程度越差;在换热管入口和超声波加入点处的场协同数均大于无超声波影响处的场协同数,此时温度场与速度场的协同程度较好。     

基于场协同理论的强化管换热效果分析

在湍流工况下,分别对圆管、横纹管、波节管和波纹管的换热效果进行数值模拟。应用场协同理论对数值模拟的结果进行分析,结果表明:各种换热管的努塞尔数和综合性能系数均随雷诺数的增加而增加,而场协同数则随雷诺数的增加而减小;当雷诺数较大时,各换热管的场协同数逐渐趋于定值;相同雷诺数下,横纹管的各项指标最高,而圆管最低。因此在相同工况下,应优先选择横纹管作为换热器中的强化换热管。     

旋流片强化传热的数值模拟和场协同分析

基于壳程周期性单元流道模型;采用数值模拟方法分析了一种新型的传热强化元件——旋流片作为管间支撑物的湍流流动与传热特性。数值模拟采用重整化（RNG）κ ε双方程湍流模型;SIMPLEC算法进行压力和速度的耦合;壁面处理采用强化壁面处理法。分析了单元流道横截面流场和湍流强度的周期性变化;以及截面上流场和温度场的协同关系。比较了截面平均Nusselt数和平均协同角的对应变化趋势。结果表明;旋流片使流体在管束间做三维螺旋运动;破坏了流体流动的连续性和稳定性;增强湍流强度从而强化传热;同时改变了管束间流体的速度场与温度场分布;旋流片强化传热的根本机理是改善了两场的协同关系。     

三维液氮空化的大涡模拟和机理

以三维扭曲翼型（Twist-11N）为研究对象,基于大涡（LES）湍流模型开展了三维液氮空化的数值模拟。通过压力波动曲线得到了液氮空化的空泡脱落周期,观察周期内空泡脱落的过程,与常温空化的数值模拟结果对比,得出了低温空化具有脱落更彻底、过程更复杂的特性。从压力分布和气相云图观察到了三维模拟特有的尾部回射流和侧面射流,分析了三维空化不同于二维的独特性。从涡旋角度分析了空泡脱落与流场的关系,认为空化的发生首先导致了流场的不稳定和涡旋的产生,而涡旋的发展造成了流场边界层分离和空泡的脱落。     

三维液氮空化的大涡模拟和机理

以三维扭曲翼型(Twist-11N)为研究对象,基于大涡(LES)湍流模型开展了三维液氮空化的数值模拟。通过压力波动曲线得到了液氮空化的空泡脱落周期,观察周期内空泡脱落的过程,与常温空化的数值模拟结果对比,得出了低温空化具有脱落更彻底、过程更复杂的特性。从压力分布和气相云图观察到了三维模拟特有的尾部回射流和侧面射流,分析了三维空化不同于二维的独特性。从涡旋角度分析了空泡脱落与流场的关系,认为空化的发生首先导致了流场的不稳定和涡旋的产生,而涡旋的发展造成了流场边界层分离和空泡的脱落。     

二维水翼空化流动数值模拟研究

采用空化模型和Mixture多相流模型,对攻角为2.5°的NACA 0009型二维水翼的空化流动过程进行了数值模拟研究。对通过数值模拟得到的翼型表面压力系数变化曲线与试验数据进行对比,分析了不同湍流模型和3种空化模型对空化场模拟结果的影响,讨论了湍流模型与空化模型的准确性和适应性。研究结果表明,数值模拟研究二维水翼的空化流动中,采用RNG k-ε湍流模型、修正后的Schnerr and Sauer空化模型计算精度更高,收敛速度较快。数值模拟得到的计算结果与试验数据吻合较好,并通过计算得到了不同空化数情况下翼型吸力面空化区长度变化曲线。     

基于大涡模拟方法的可压缩空化流流场数值模拟分析

针对可压缩空化流流场细节特征,对空化的回射流机制与凝结激波机制下的空化云演化过程进行大涡模拟。通过对比文献实验数据验证了可压缩空化流数值模拟方法的可靠性,并分析了空化数σ、CN空化数、St数和压力损失系数K等无量纲参数,发现数值模拟对空化流压力-速度耦合计算的准确性方面还有待进一步提升。两种空化机制情况下,涡环生长是空化云脱落后耗散过程,涡环溃灭成游离涡是耗散结果;通过大涡模拟实现两种机制下的空化模拟,对比发现回射流机制的空化的无量纲参数偏差较少,凝结激波具有一定偏差;凝结激波的功率谱密度分析发现满足-7/3标度律,回射流满足-5/3标度律。     

空化射流流场数值模拟的研究进展

空化射流因具有高效能、无污染等优点而被广泛应用,但是由于其流场结构和水动力学性能过于复杂,使得对其的应用受到限制,为进一步认识和研究空化射流流场特性,对空化射流数值模拟过程中的空化模型、数值计算方法和流场特性影响因素的研究进行了综合论述.阐述了数值模型中不同的空化模型、湍流模型和多相流模型各自的特点、适用条件及存在的问题;对比分析了拉格朗日和欧拉数值计算方法在空化射流模拟中的应用,以及空化射流自身特点对计算方法的要求;对空化射流流场特性的影响因素研究情况进行了综合概述,使复杂的空化射流流场结构有更加清晰的表现,为以后的研究与应用提供了依据.通过以上论述,对目前空化射流数值模拟研究进展中存在的问题进行了分析,并根据所提出的问题,对以后的研究方向提出展望,有助于以后在空化射流流场的数值模拟研究中取得进展.     

圆球型声化学反应器内声场的数值模拟与实验研究

利用计算流体动力学CFD商业软件-FLUENT,以多相流模型中的混合物模型(Mixture)为基础,并耦合空化模型,对自主开发研制的圆球型超声化学反应器内空化场进行了数值模拟。反应器内空化场为液态水和空化汽泡二相流动问题,研究了空化模型参数的影响,对数值模拟的结果包括超声振动时的压力场、气含率场的分布进行了分析讨论,并与声压测量实验及铝箔空蚀实验结果比较,实验数据和模拟结果基本吻合。空化模型中,不可压缩气体的质量分数越大,水中O点处的气含率越高,压强波动幅度越小;水的饱和蒸汽压越高,O点处的气含量越大,且波动幅度越大,但压强幅值变化程度越小。本项研究表明CFD技术的应用对于超声声场分析具有重要的参考价值,对声化学反应器设计理论的发展具有指导意义。     

轴流泵叶顶区的空化流场与叶片载荷分布特性

针对轴流泵叶顶区空化流气液混合区域密度变化,以SST k-ω湍流模型为基础,对湍流黏度项进行了修正。基于输运方程的完全空化模型对轴流泵NPSH曲线、空化特性及其叶片载荷进行了数值模拟和分析,并与实验结果进行了对比。研究结果表明,修正的SST k-ω湍流模型和空化模型较准确地预测了叶顶区空化流,临界空化数预测误差为7.79%。通过高速摄影实验观测到轴流泵的初生空化为刮起涡空化、间隙附着空化和涡带区空化,空化区域也随着空化数的降低而不断扩大,直至在叶片后缘脱落和爆破,爆破位置也不断向叶片中部移动;叶片吸力面的低压区主要集中在叶顶翼型间隔角为-13°～+13°的区域;在叶轮叶顶间隙的3%区域,随着半径系数增大,叶片压力面压力逐渐减小,叶片载荷不断降低,且越接近间隙边缘,叶片载荷降低越明显,从机理上找到了空化诱导轴流泵性能下降的原因。     

螺旋套管换热器壳程流体湍流换热热力性能数值研究

利用计算流体力学软件对内管为螺纹管的螺旋套管换热器壳程流体的湍流流动和换热性能进行了数值模拟。通过与内管为光管的研究结果对比,揭示了内管为螺纹管时壳程流体的速度场和温度场分布,研究了雷诺数、槽高对壳程流体湍流流动及换热性能的影响,并利用场协同原理初步揭示了螺纹复合螺旋流动强化流体换热的机理。结果表明,螺纹内管的螺纹凸起对螺旋套管换热器壳程流体的扰流和导流作用明显,在研究范围内(Re=10000～24000),内管为螺纹管的螺旋套管换热器壳程流体的传热效率较内管为光管的模型最大提高了22.1%;结构参数相同时,随着Re增大,螺旋套管换热器壳程流体的Nu逐渐增大,阻力系数f逐渐减小,综合评价因子Ψ逐渐减小,在研究范围内,Nu最大增加了85.6,f最大减少了0.008,Ψ从1.35减小至1.18。当Re一定时,当量高度h’增大,f逐渐增大,Nu先增大后减小。由场协同原理分析得出,h’=0.220时,在螺纹凸起扰流和导流的作用下壳程流体的温度场与速度场协同性能较好,综合评价因子Ψ最大,螺纹的优化当量高度h’宜取约0.220。     

Numerical study on the hydrodynamics of agglomerates at intermediate Reynolds numbers

The flow pattern and hydrodynamics of a heterogeneous permeable agglomerate in a uniform upward flow at intermediate Reynolds numbers(1–40) are analyzed from three-dimensional(3 D) computational fluid dynamics simulations. Different from the homogeneous or stepwise-varying permeability models used in previous papers, a continuously radially varying permeability model is used in the present study. The effects of two dimensionless parameters, the Reynolds number and the permeability ratio, on the flow field and the hydrodynamics were investigated in detail. The results reveal that unlike the solid sphere, a small recirculating wake initially forms inside the agglomerate. The critical Reynolds number for the formation of the recirculating wake is lower than that of the solid sphere and it decreases with the increase of permeability ratio. A correlation of drag coefficient as a function of the Reynolds number and permeability ratio is proposed. Comparisons of drag coefficients obtained by different permeability models show that at intermediate Reynolds numbers(1–40),the effect of radially varying permeability on the drag coefficient must be considered.     

Numerical investigation on relationship between injection pressure fluctuations and unsteady cavitation processes inside high-pressure diesel nozzle holes

The relationship between injection pressure fluctuations and unsteady cavitation processes inside the high-pressure diesel nozzle holes have been numerically analyzed by using a two-fluid approach. In order to improve prediction of nozzle hole cavitation content under high-pressure injection conditions, a new adjustment model of bubble number density has also been developed through the analysis of cavitation bubble dynamics and internal flow characteristics of nozzle hole. Model validation results verify that this model is applicable for a wide range of diesel injection pressures. Based on simulation results, it has been found that cavitation bubbles in recirculation zone and its wake flow show totally different responses to the variations of upstream pressure, and the evolution of cavitation content shows a close association with the time derivatives of upstream pressure.     

Two-dimensional unsteady flow of power-law fluids over a cylinder

The unsteady flow of incompressible power-law fluids over an unconfined circular cylinder in cross-flow arrangement has been studied numerically. The two-dimensional (2-D) field equations have been solved using a finite volume method based solver (FLUENT 6.3). In particular, the effects of the power-law index (0.4?n?1.8) and Reynolds number (40?Re?140) on the detailed kinematics of the flow (streamline, surface pressure and vorticity patterns) and on the macroscopic parameters (drag and lift coefficients, Strouhal number) are presented in detail. The periodic vortex shedding and the evolution of detailed kinematics with time are also presented to provide insights into the nature of flow. The two-dimensional flow transits from steady to unsteady behaviour at a critical value of the Reynolds number Re∼(40-50) and the von-Karman vortex street is observed beyond the critical Reynolds number (Re). Obviously, both the lift coefficient and Strouhal number values are zero for the steady flow, but their values increase with the increasing Reynolds number (Re) in the unsteady flow regime. For highly shear-thickening fluids (n=1.8), the flow becomes unsteady at Re=40 and unsteadiness in the flow appears at Re=50 for all values of power-law index (n). As expected, the evolution of the kinematics and vortex shedding show a complex dependence on the flow parameters near the transition in the flow. For a fixed value of the Reynolds number (Re), the drag coefficient increases and lift coefficient decreases with increasing value of the power-law index (n). For a fixed value of the power-law index (n), the drag coefficient gradually increases with the Reynolds number (Re). Similar to the drag coefficient, lift coefficient also shows a complex dependence on the power-law index (n) near the transition zone. The value of the Strouhal number (St) decreases with the increasing value of the power-law index (n) at a fixed value of the Reynolds number (Re).     

横纹槽管管外强化传热数值模拟与场协同分析

利用FLUENT软件对横纹槽管和光管水平管外的对流传热进行了数值模拟,并比较两种管的换热特性。结果表明,在相同条件下,横纹槽管外侧换热系数是光管的1.2～1.5倍,且随着Re的增加,倍数值逐渐减小。最后应用场协同理论,从局部换热角度分析其强化机理。分析结果说明横纹槽管外侧换热得到强化的原因是协同程度随其周围的速度场与温度场之间夹角的变化而改变。     

一种协同式强化表面的换热特性

根据场协同理论发展了一种新型强化换热表面,对其紊流流动和换热特性进行了实验测定,考察了翅片倾角、通道高度和Reynolds数的影响,并且在相同泵功条件下进行了强化效果评价。结果表明,在翅片倾角β=0～23.2°范围内,强化效果随翅片倾角单调增加,但是随Re的增大而单调减小。对于一定的翅片倾角,通道高度大者呈现较好的低功耗、高换热率特性。     

低粘附功管壁的内流减阻研究

以乙烯基三乙氧基硅烷 无水乙醚溶液处理玻璃管道内壁 ,降低流体水与管壁间的粘附功 ,研究了低粘附功内壁管道的内流减阻性能。结果表明 ,在管壁与液体间的粘附功小于液体的内聚功条件下 ,当雷诺数大于临界雷诺数时 ,低粘附功内壁管道呈现明显的内流减阻效果 ,临界雷诺数的值与一定的临界壁面剪力值或层流底层临界厚度值相对应 ;在减阻区内 ,减阻率随雷诺数的增加及管道内径的减小而增大 ,阻力系数的无因次关联式可表示为λ=f (Re ,X) ,其中X为无因次数群 [W / (du2 ρ) ]。     

Wave formation in a high-velocity symmetric impact of metal plates

The impact of metal plates is considered within the framework of the model of a viscous incompressible fluid. The beginning of the wave-formation process in the model is equivalent to the initial stage of origination of instability of a steady flow in Landau’s scenario. To establish the correspondence between the model and the real process, a series of experiments is performed on a symmetric impact of plates made of an aluminum alloy with identical impact angles and different velocities of the contact point. At high values of the Reynolds number and, hence, at high velocities of the contact point, wave excitation is shown to have a soft character; at lower values of Reynolds number, there exists a metastability region where the wave-excitation regime is rather hard; at even lower Reynolds numbers, no action can lead to wave formation, as it follows from the theory. Thus, Landau’s model of origination of instability of a steady fluid flow is found to agree with the process of wave formation in an oblique impact of metal plates. __________ Translated from Fizika Goreniya i Vzryva, Vol. 42, No. 5, pp. 132–137, September–October, 2006.