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。     

双腔室自激振荡脉冲喷嘴空化射流外部流场的数值模拟

以单腔室自激振荡脉冲喷嘴为基础,采用串联方式建立双腔室自激振荡脉冲喷嘴,应用FLUENT软件对其外部流场进行数值模拟,分析入射压力、靶距、腔长比、腔径比的改变对外部流场的影响。结果表明:当入射压力在1.1 MPa～4.4 MPa间变化时,空化程度随着压力增大而减小,同时压力每增加一倍时,靶面处最大速度增长约20～76 m/s;当靶距在100 mm～400 mm范围内变化时,空化程度随靶距增大而增大,但当靶距达到400 mm时,会因靶距太远气泡在空中溃灭空化程度骤减;当腔长比为0.67时或腔径比为1.2时,腔室内的涡环结构对称性好,有利于脉冲和空化的产生;同时具有较高的动能,当腔长与腔径同时取最佳值时,脉冲性最佳具有较好的清洗效果。     

两段式喷嘴淹没空化射流流场数值模拟

为了研究两段式喷嘴结构对空化射流效果的影响,建立了两段式喷嘴的数学模型与物理模型,对两段式喷嘴进行了模拟。以蒸汽气相体积分数为判断空化效果的主要依据,分析了第一喉部直径、第二喉部直径和连接处直径对两段式喷嘴空化性能的影响,并与角形喷嘴进行对比研究。结果表明：两段式喷嘴的结构参数对空化效果产生显著的影响。空化程度随着第一喉部直径的增加先增强后减弱;第二喉部直径取值越小,空化程度越高,空化程度随着第二喉部直径的增加先增加后减小;随着连接处直径的增大,空化效果逐渐增强。但当连接处的直径大于4 mm时,连接处直径取值对空化效果几乎没有影响;当两段式喷嘴的第一喉部直径为1.5 mm,第二喉部直径为1.0 mm,连接处直径为4 mm时,具有良好的空化效果。     

壅塞管空化器空化流场特性的数值模拟研究

基于水力空化相关原理和壅塞管的特性,对壅塞管空化器空化流场特性进行数值模拟研究,确认影响空化器空化效果的因素。通过研究确认,入口压力与入口直径对壅塞管空化器的空化强度有决定性影响。入口压力增大,空化器内压力梯度增大,表明入口压力越大,壅塞管空化器空化效果越好。入口直径增大,壅塞管内最大含气率升高,可在更大范围水体内产生空化泡,进而加强空化效果。在壅塞管空化器内产生比较均匀的气液混合两相流时,沿轴心线方向,从壅塞管中部位置至壅塞截面位置,气液两相流动的马赫数缓慢增大,在压力梯度到达极值时马赫数达到最大,为0.97,接近于1。     

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。     

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。     

离心泵内流场空化特性的数值模拟研究

针对离心泵内流场特性分析困难的问题,对离心泵流场数值模拟的几何模型建立、模型网格划分和边界条件设定进行了研究,采用计算流体力学方法,获取了在敞水性能条件下离心泵的扬程-流量、效率-流量的变化关系;结合Zwart空化模型,重点对不同有效汽蚀余量时离心泵的空化流场进行了数值模拟,得到了离心泵的内部流线和空泡分布的情况,并与该离心泵机组进行了性能测试实验,最后在此基础之上进行了对比分析。研究结果表明,所采用的数值模拟方法和空化模型合理有效,此结果可为进一步开展离心泵空化监测技术研究提供借鉴。     

带有前置导叶离心泵空化性能的试验及数值模拟

为分析前置导叶对离心泵空化性能的影响,在不同流量下开展带有前置导叶离心泵的空化性能试验,得到无导叶、导叶预旋角(12(时的离心泵空化性能曲线.空化性能试验结果表明,离心泵的临界空化余量随流量的增大近似线性增大.基于均相流假设的完全空化模型,考虑空化流可压缩性的影响修正RNG κ-ε湍流模型,采用SMPLEC算法,数值求解雷诺平均的Navier-Stokes方程,模拟离心泵安装前置导叶前后不同工况下的全流道空化流动.计算得到的H-LBOSGa曲线与试验数据吻合较好,验证计算方法的准确性.基于数值模拟结果,分析不同工况下叶轮内部空泡体积率的分布规律,发现前置导叶预旋调节对离心泵叶轮空化性能的影响较小,并能有效改善叶轮进口流态,使压力分布更均匀.     

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。     

离心泵非定常空化流动特性的数值研究

采用压力边界条件对一单级单吸蜗壳离心泵进行了三维空化非定常相变流动的数值计算,模拟过程通过定常计算、基于滑移网格技术的非定常计算、以及结合混合项模型和Schneer-Sauer方程的空化演变计算,成功捕捉了泵内非定常空化流动特性。计算结果表明:设计工况叶轮前缘空化率在0.92%～1.12%范围内以叶片旋转频率做周期性变化;当叶片靠近蜗舌时空化加剧,而泵流量略有降低;当叶片远离蜗舌时空化减轻,流量有所增加。     

Experiment and Numerical Simulation of Free Water Jet by a Central-body Nozzle

The recent research about cavitation jet mainly focuses on the organ-pipe nozzle and triangular nozzle.The research content mainly includes the optimized design about the structure of nozzles,the observation and flow analysis about the cavitation jet in the water,and the theory of rock attacked by the cavitation jet,while the energy characteristic of the free jet is not studied yet.In China,the research about the central-body nozzle is almost empty.For the purpose of studying the energy characteristic and the structure of free water jet discharged from central-body nozzle,an experiment with phase Doppler particle anemometry(PDPA) technology is carried out to measure the free water jet flow,which is produced by a central-body nozzle under the jet pressure of 15 MPa.While five sections with different axial distances from the nozzle outlet are selected for data process and analysis,the axial and radial velocity and the droplets of the particle size are studied.Meanwhile,numerical calculation of corresponding flow field is conducted by using volume of fluid(VOF) multiphase model,and the jet flow feature is discussed.The experimental and calculating results show that the axial velocity of high speed jet flow dissipates slowly in the air,and the core area and diffused area are discovered.The diameter of droplet in the core area is small,and jet energy is concentrated,while in the diffusion area,water is mingled with ambient air and radial velocity is relatively large.Obvious low-pressure area exists behind the central body and potential cavitation may occur in that area.The proposed research reveals the energy characteristic of free jet discharged from central-body nozzle,provides the theoretical basis for preestimating erosion feature of the central-body nozzle and also the theoretical foundation for revealing the mechanism of erosion.     

双腔室自振脉冲喷嘴空化射流数值模拟

以风琴管喷嘴为基础,串联一个谐振腔形成双腔室自激振荡脉冲喷嘴,利用Fluent对其流场进行数值模拟,分析射流靶距、二级谐振腔腔长比、腔径比的变化对空化射流流场的影响。结果表明：谐振腔尺寸过大或过小均会影响涡环结构的形成,进而影响空化效果。当谐振腔腔长比为0.77、腔径比为2.6时,谐振腔内涡环结构对称性好,轴向含气率高,射流速度较高,该结构利于清洗效率的提高。靶面滞止压力可对空化效果产生影响。当射流靶距较小时,在滞止压力的作用下二级谐振腔无涡环结构产生,轴向含气率较低。当靶距增加到18 mm时滞止压力产生的影响减小,轴向含气率明显提高,因此清洗靶距应至少为18 mm。但靶距的增加会降低射流到达靶面的动能,因此最佳靶距应取18 mm。     

前混合磨料射流喷嘴内流的数值模拟研究

基于多相流动的拉格朗日离散相模型，应用FLUENT软件对前混合磨料射流出口带圆柱段的圆锥收敛形喷嘴内部等温、不可压缩、稳态、液固湍流进行了数值模拟。连续相采用三维不可压缩稳态雷诺时均N-S方程，湍流模型采用标准的肛￡模型，代数方程组采用分离解方法，通过SIMPLE算法求解压力速度耦合；离散相采用拉格朗日方法追踪颗粒运动轨迹；收敛残差为10^-4。给出了颗粒初始位置对颗粒的运动速度和运动轨迹的影响规律，数值模拟结果对前混合磨料射流喷嘴的优化设计和工程应用具有很好的指导意义和参考价值。     

阀口气穴流场的数值模拟与实验研究

针对阀口喷流的现象,采用FLUENT商业化CFD软件中的RNGk-ε湍流模型、多相流气穴模型和壁面模型相结合,对阀体内流场进行了模拟。并据此定性分析几何参数、物理参数等对气穴强度的影响,定量预测阀体内气穴发生的区域,减少阀体内的气穴强度,抑制气穴发生,从而寻求优化的流道结构形状,为设计高效率、低能耗、低噪声的液压阀奠定基础,提供重要的理论和实际应用信息。     

基于FLUENT的后混合磨料水射流喷嘴内流场的数值模拟

以后混合磨料水射流喷嘴为研究对象,基于多相流动的欧拉模型,应用FLUENT流体分析软件对几种典型后混合磨料喷嘴的内流场进行数值模拟和仿真,得到压力分布、速度分布、湍流能量分布.结果表明:喷嘴内由于涡旋的形成损耗了部分能量,使得射流出口速度和动能明显降低;存在一个最优圆柱长度使得磨料出口速度达到最大值,其长度为喷嘴出口直径的23～37倍时,磨料得到最高的出口速度;喷嘴内流体紊动能的分布主要集中在喷嘴近壁区和几何形状变化较大的区域.     

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。     

基于CFD方法的超声空化发生特性数值分析

利用计算流体力学软件FLUENT对磁致伸缩超声振动仪中超声空化发生特性进行数值模拟.通过考察流场内的绝对压力、气含率以及流体速度的变化,分析了超声空化的发生特性,并分析了相关参数对模拟结果的影响.结果表明:试样振动时,试样中间区域为主要空化区域.边缘区域发生空化的概率很小,但该区域始终受到试样周边流体绕流的作用,会对试样的两个边缘产生"磨削"破坏.在次边缘区域,水蒸气泡在快速流动的过程中溃灭,因而会对试样表面造成辐射状"划痕".在影响参数中,密度和质量力的欠松弛因子的取值影响模拟结果的准确性;RNG k-ε模型对低压较敏感;非平衡壁面函数与增强壁面函数对贴近壁面处的流体压力变化更加敏感;在空化模型中,水的气化压力越高,流场内的高低压降幅越小,压力变化越稳定,而试样表面的气含率分布差异更大;不可压缩气体质量分数越大,试样表面压降幅度越小,试样表面的平均气含率越高.     

管道节流过程中气蚀的数值模拟

应用数值模拟的方法,对流体在圆形、六边形、正方形、渐缩及渐扩几种不同几何形状和尺寸的节流管道中流动时所产生的气蚀现象进行数值计算,模拟流体在管道节流过程中气蚀的发生过程,分析不同节流断面形状节流管道的含气量分布、沿程含气量、沿程压力变化等规律。数值计算的结果表明,在所计算的不同断面形状节流管道中,渐缩形节流管道中气蚀发生的区域最小。同时,还对具有较好气蚀特性的几种不同长度渐缩形节流管道进行模拟计算,结果显示,节流段长度对气蚀的存在区域有重要影响,随节流段长度的增加,气蚀区域向下游的发展范围逐渐加大。此外,对各种断面节流管道中气蚀产生的位置进行预测,并对气蚀形成的机理及影响因素进行分析。