半封闭圆管冲击射流流动特性PIV试验研究

为研究封闭板对长直圆管冲击射流流动特性的影响,采用粒子图像测速技术对不同雷诺数Re(5 084～13 926)和冲击距H/d(2～6)条件下的流场进行了测量,统计分析了回流区运动规律、势流核长度变化、射流冲击前卷吸特性、壁面射流扩展率及速度衰减指数。试验结果发现:(1)雷诺数和冲击距对回流区运动特征的影响规律与半封闭孔板冲击射流一致;(2)射流冲击前流动特性表现为,相较雷诺数对势流核长度和卷吸系数扩展率的影响,冲击距的影响更大,且随着冲击距增大,势流核长度和卷吸系数扩展率均增大。(3)壁面射流区流动特性表现为,扩展率随雷诺数的增大而减小,衰减指数在较小冲击距(H/d=2)时随雷诺数的增大而增加,之后随冲击距增大,雷诺数对衰减指数的影响逐渐变弱。(4)与自由冲击射流比较,封闭板的存在使得壁面射流区速度衰减加快,而对壁面射流区扩展率影响不显著,该结果与现有关于封闭板对孔板冲击射流影响特性的研究成果存在显著差异。     

磨料水射流对脆性材料的冲蚀研究

磨料水射流技术作为一种特种加工技术，具有无刀具接触、无热影响区和加工范围广等优势，在众多领域得到应用。为了探究磨料水射流对脆性材料的冲蚀效果，构建和设计了磨料水射流外流场冲蚀仿真模型与磨料水射流冲蚀实验。以30 mm×50 mm的喷嘴外流场域为计算域，建立磨料水射流冲蚀仿真模型，并分析射流冲蚀过程中压力分布、水与磨料的速度分布及它们在射流中心线上的衰减规律。通过对氧化铝陶瓷材料的冲蚀实验，分析工艺参数对冲蚀孔径的影响，并结合仿真结果对比分析了射流束宽度与冲蚀孔径的关系。结果表明：水的速度随着喷嘴距离的增大而减小且分布范围变宽，射流宽度呈线性增大，磨料速度随喷嘴距离的增大而减小且分布范围基本不变；射流中心线上水的速度与磨料速度呈三段式衰减，水的第1段速度衰减段长度比磨料的长，但水的第2段速度衰减段长度比磨料的短；射流束能量的有效利用部分逐渐减小，但在15~25 mm的靶距范围内其有效利用部分较稳定，为40%；冲蚀孔径随喷嘴距离增大呈线性增大。研究结果为磨料水射流切割、铣削及抛光加工的参数选择提供实验依据，同时为磨料水射流加工过程仿真提供参考。     

基于SPH-FEM耦合算法的后混合磨料水射流冲击破岩数值模拟研究

采用SPH-FEM(smoothed particle hydrodynamics with finite element method)模拟了后混合磨料水射流在喷嘴中的混合过程,并研究了射流速度、磨料浓度以及岩石围压等因素对后混合磨料水射流破岩效果的影响规律。研究结果表明:在柱塞推动下,水与磨料在喷嘴的混合段、收敛段与直线段分别获得加速,最终磨料的速度可增加至纯水速度的80%;岩石破碎深度随射流速度呈近似线性增加,而破碎宽度随射流速度变化不大;磨料射流较纯水射流的破岩损伤更加明显,岩石的损伤随磨料浓度呈先增大后减小的趋势;岩石的破碎深度随着围压的增加呈近似线性减小的趋势。数值模拟结果与破岩实验现象基本吻合,该研究结果可为磨料水射流破岩的应用提供一定的理论支撑。     

喷雾半干法脱硫塔内射流卷吸特性的数值模拟

喷雾半干法烟气脱硫塔内射流卷吸特性对塔内烟气与吸收剂的混合以及流场分布均匀有着重要影响。该文通过数值模拟的方法,分析双流体雾化喷嘴的射流卷吸混合特性,得到喷雾半干法烟气脱硫塔内射流流场分布。结果表明：双流体雾化喷嘴在塔内流场呈现中间大两边小的对称分布,并且在靠近塔壁的两侧产生了回流;射流流体与周围气体发生动量交换,对周围气体有明显的卷吸作用,沿着射流轴线方向,射流卷吸量逐渐增加,随着伴随风量的增加,射流卷吸量也逐渐增加。     

基于正交试验的磨料浆体流变特性

立足于磨料浆体射流在除鳞领域的应用,通过设计正交试验,对磨料浆体的流变参数进行测量,研究不同因素对2种磨料浆体流变特性的影响效应。结果表明:对于石榴石磨料浆体,聚丙烯酰胺(PAM)质量浓度对磨料浆体黏度的影响最为显著,磨料质量浓度次之,磨料粒径对磨料浆体黏度无明显影响。对于钢砂磨料浆体,PAM质量浓度对磨料浆体黏度有显著影响,磨料质量浓度和磨料粒径对磨料浆体黏度无明显影响。利用幂律模型、Bingham模型及Herschel-Bulkley模型对实验测得的流变参数进行拟合,优选出Herschel-Bulkley模型作为描述磨料浆体流变特性的最佳模型,建立了其本构方程,得出磨料浆体的流变特性规律。     

DM8148的射流扩散试验图像处理系统研究

将实时快速图像处理技术引入射流浓度场检测领域,结合自主研发的浓度场扩散试验装置,设计了一套以DM8148为图像处理核心,CCS5.5.0和Matlab为软件平台的射流浓度场检测系统.在实验水槽射流扩散实验中,CMOS相机采集示踪物质浓度扩散的一系列瞬时图像,并提取示踪物质扩散区域,通过图像处理算法使示踪剂的扩散图像以等浓度线图形式显示,实现流场浓度分布可视化.实验表明,本系统对污染物扩散规律研究及水环境质量评价均有借鉴意义,同时也表明本系统在水体污染物浓度场测量中具有一定的可行性.     

前混合式磨料水射流磨料粒子加速过程数值模拟

针对前混合式磨料射流磨料加速过程运动复杂、实验研究困难及有限元处理超大变形存在网格畸变等问题,基于光滑粒子(SPH)耦合有限元(FEM)方法模拟前混合式磨料射流喷嘴不同阶段磨料粒子加速特征及磨料射流破碎靶体全过程。其中水介质用SPH建模,磨料粒子、喷嘴、靶体等用FEM建模。揭示磨料粒子群在喷嘴中的运动轨迹及喷嘴结构对磨料粒子加速影响规律。研究表明,磨料粒子进入喷嘴收敛段之前已基本达到与水介质相同速度,进入收敛段后因与水介质存在速度差使其获得加速,但与水介质速度差逐渐增大;进入直线段后水介质与磨料粒子一直加速,且水介质速度在直线段末端趋于稳定,在离开喷嘴的短距离范围内水介质速度趋于稳定,磨料粒子在核心段水流作用下继续加速,最终趋于稳定;磨料粒子群在喷嘴收敛段相互碰撞运动剧烈,进入直线段后相对平缓;流量一定下磨料粒子速度随喷嘴收敛段延长而增加,但增加有限;随直线段延长而增加,增加显著。数值模拟结果与相关文献吻合较好。     

街道峡谷内细微颗粒物扩散特性的DPM数值模拟

应用离散相模型(DPM)对城市中典型的街道峡谷内细微颗粒污染物浓度场进行了模拟,计算湍流模型选择标准k-ε双方程模型.计算结果表明,城市风场作用于街谷内导致涡旋流动,进而影响颗粒物的扩散分布.背风侧壁面颗粒物的浓度场呈现明显的"爬墙效应".不同几何结构影响颗粒物的浓度场,递增型街谷模型更有利于颗粒污染物的扩散.     

水基铜纳米流体管内颗粒凝并的数值模拟研究

采用大涡模型和泰勒展开矩方法对三维水平圆管中水基铜纳米流体的运动和颗粒扩散及凝并过程进行了数值模拟,主要研究了纳米流体中纳米颗粒在管内的演化过程.结果显示,随着颗粒凝并的进行,颗粒粒径增加,数密度减小;小颗粒的混合和颗粒凝并同时改变颗粒粒径,最终使粒径在径向呈现抛物线分布;流场雷诺数越大对凝并的抑制作用越强.     

高压磨料水射流过程流场压力场数值模拟

利用计算流体力学方法对高压磨料水射流过程进行了数值模拟。应用拉格朗日随机轨道模型对固体颗粒的运动轨迹进行数值模拟,采用标准湍流模型对连续相流动进行数值模拟,得到连续相速度场和压力场分布。结果表明,颗粒直径是射流过程主要影响因素,改变系统压力和喷射靶距,可以为高压磨料水射流过程的研究提供有意义的途径。     

旋进射流流动的大涡模拟

分析了基于流体附壁效应而自激产生的旋进射流的流动特征,采用大涡模拟(LES)方法研究了射流喷嘴内部的流场.数值模拟得到了流场的速度分布和压力分布,比较了膨胀比、长径比等喷嘴结构参数以及雷诺数对旋进射流流动的影响.数值模拟表明旋进射流的轴向流动速度衰减得很快,流场中存在明显的旋流、附壁效应和反向回流现象,所得到的结果与已有的分析结论基本吻合.     

预处理情形下斜管湍流横向射流大涡数值模拟

采用带预处理情形下的大涡模拟方法,结合高阶WENO格式,针对椭圆斜管湍流横向射流进行了数值模拟。计算结果显示在选取截面上,三个方向上平均速度分布与试验值较为接近。对计算结果进行分析,描述流场中发卡涡拟序结构及其运动演化过程,阐述发卡涡对流向速度分布的影响,讨论流场中雷诺应力与发卡涡运动演化之间的关系。     

螺旋桨尾流动态结构实验研究

利用2D-PIV(Particle Image Velocimetry)技术在空泡水筒中对均匀来流下螺旋桨尾流场进行了测试。分析了尾流场中轴向、径向速度分布规律。计算了尾流中轴向平均诱导速度,利用提取到的涡心坐标计算得到了梢涡涡线螺距角,分析了诱导速度、梢涡涡线螺距角在尾流中的分布、演化规律。最后利用连续随机分布的若干流场速度子样,分别对尾流场的轴向、径向湍流度做了探索性分析,得到了尾流中湍流分布特征及该特征随螺旋桨载荷的变化。试验结果与理论分析吻合,分析数据为螺旋桨的设计以及性能预报提供了参考。     

二维涡斑的运动发声

本文通过对Navier-Stokes方程的直接数值模拟,并应用涡斑模型,研究了腔内二维涡斑运动发声问题,结果表明旋转方向相同的涡斑,不管 始涡斑的涡量分布如何,最后的涡量分布为Burgers型涡斑,呈现“单胞”的稳定结构;旋转方向相反的涡斑,其运动演化转变与初始条件有关,最终呈“双胞”的稳定结构。     

在线检测中不同形状煤粉颗粒的流动特性

基于图像识别技术在煤粉二值化图像中进行煤粉颗粒基本特征的提取；建立煤粉颗粒和在线检测装置的三维几何模型；设定气固两相的模拟参数及边界条件后，采用CFD-DEM耦合方法模拟煤粉的气固两相流动，进行气相速度场的分析以及颗粒相的流动分析，研究颗粒的扩散机理，获得颗粒相的速度场和体积分数的分布，归纳出颗粒的流动特性。结果表明：气相在主流通道内流动比较均匀，沿管径增大方向流速逐渐减小；在检测通道内有比较明显的旋涡生成，湍流卷吸效应影响了煤粉颗粒影像的清晰度；形状规则的球形颗粒更易偏离主流流动方向，形成颗粒沉积；形状不规则的颗粒受气力输运作用影响较大，大部分在煤粉气流主流通道内流动；在颗粒受湍流卷吸效应偏离主流流动通道后，粒径较小的颗粒更易运动至检测通道两侧检测元件附近从而影响检测效果。     

激光粉末床熔融成形腔内非稳态流场特性研究

目的 研究激光粉末床熔融(LPBF)中成形腔内保护气的流动规律,获得气流速度脉动和旋涡等流场非稳态特征及其变化规律。方法 利用热线测速计测量腔内的瞬时速度,研究保护气的速度分布及其脉动特性;基于数值模拟方法探究腔内气流形成的旋涡情况,分析涡的分布及其旋转速度;利用烟雾示踪方法对保护气流场进行可视化处理,分析气流的运动过程。结果 腔内气流经历了射流扩散、上下波动、大涡流、汇流等复杂运动过程,气流速度随时间的变化呈明显脉动特征,且气流脉动幅度受位置影响较大,进出风口的平面流速最大可达2.4 m/s,最小为0.25 m/s。同时,气速随平面高度的增大而逐渐减小;腔内存在以纵向大尺度旋涡为主、若干小尺度旋涡共同作用的涡流,由腔内边壁至中心,涡流切向速度呈先上升后下降的趋势,且随入口气速的增大而增大,在切向速度急剧降低的腔体角落、透镜等区域,易形成流动“死区”,导致烟尘颗粒聚集且难以排出,影响构件的高质量成形制造。结论 保护气在LPBF成形腔内形成了复杂的非稳态流动,并以剧烈的速度脉动和多尺度的涡流为典型特征,而针对非恒定的层流、成形腔结构的优化设计仍需进行更深入的研究。     

硫酸合水纳米颗粒在湍射流中演化过程的B-TEMOM模拟

利用双峰泰勒展开矩方法结合大涡模拟方法,研究在湍射流情况下硫酸合水纳米颗粒的形成以及随后的成核、凝并、凝结等生长情况.包含了水蒸气和硫酸分子的不可压缩气体射入含有背景气溶胶颗粒物的稳定流体域形成纳米颗粒,对颗粒的尺寸分布、质量浓度以及背景颗粒与生成颗粒之间的竞争关系进行了研究.结果表明,大涡拟序结构会增强颗粒在流动中的扩散运动,造成了不同峰之间颗粒的转移.在背景颗粒浓度为5×1011、直径为100nm时,背景颗粒物对新颗粒的抑制作用最为显著.     

喷水室喷嘴内部及喷嘴出口流场数值模拟

利用计算流体软件FLUENT建立了喷水室内喷嘴及喷嘴出口外部流场的三维数学模型。采用标准κ-ε湍流模型模拟了喷嘴内部及出口外部流场,并根据各种情况分析了喷嘴参数对流场速度分布、压力分布和出口速度的影响。结果表明,喷嘴的扩散角和扩散段尺寸对喷嘴及出口流场影响较大:喷嘴的扩散角直接影响喷嘴出口后液滴的方向和速度大小,并影响流场的湍流分布情况,影响流场的紊流区域分布,最终影响水滴与风流的热湿交换;扩散段尺寸影响流场压力分布,特别会产生负压区直接影响射流后液滴的状态。     

高海拔矿井通风供氧模型及数值模拟

为了研究高海拔矿井供氧浓度的分布规律,运用气体扩散流动的高斯烟羽模型,根据高海拔矿井通风的特点和测量计算数据,采mMATLAB软件的三维视图可视化功能,对矿井作：业工作面的供氧浓度分布进行模拟。模拟结果显示,大部分氧气的扩散分布在下风向并呈扇形扩散的一定区域;当巷道风速在1-4m／s之间时,有利于氧气的扩散和有效利用;风向、风速及外界气体稳定度是影响氧气扩散的主要因素。     

水电工程大坝基岩三维随机裂隙岩体灌浆数值模拟

针对目前裂隙岩体灌浆数值模拟主要以单一裂隙或者二维裂隙网络为研究对象,且多未考虑隙宽随机性分布的现状,该文首先利用Monte-Carlo方法构建隙宽服从随机分布且耦合灌浆孔的三维随机裂隙网络灌浆模型;然后采用三维离散元软件（3DEC）模拟多级水灰比浆液在裂隙网络中的扩散过程,并分析压力场、单宽流量场的分布特征。运用该方法模拟某水电站灌浆孔基岩帷幕灌浆过程,结果表明：压力由灌浆孔壁向裂隙内呈非线性衰减,在灌浆孔附近压力衰减速率最快;浆液流量因水灰比的逐级变浓而随着灌浆时间的增加呈阶梯状下降;将模拟灌浆量和灌浆时间与实际值对比,相对误差分别为-17.11%和3.11%,模拟结果与实际值基本吻合,验证了该方法的可用性。