液氢和液氮绕水翼空化流动特性分析

为分析液氢和液氮两种低温流体介质的空化特性,通过对CFX软件二次开发,将Schnerr-Sauer空化模型和液氮、液氢随温度变化的物性参数嵌入到CFX求解代码中,同时耦合求解考虑汽化潜热影响的能量方程,从而在考虑热力学效应条件下,开展了液氢和液氮绕水翼空化流动的三维数值模拟研究,并将计算结果与试验数据进行对比,验证了数值方法的有效性.计算结果表明,热力学效应对液氢空化区域压力和温度参数变化影响更显著,在液氮空化核心区域内液相体积分数比液氢中的更小,在空泡尾部闭合区域从汽相向液相转化迅速.汽-液两相间质量传输特性可作为评估空化区域内温度、压力以及相体积分数分布的有效依据.     

水力空化效应对水物化性质影响的实验研究

水力空化过程伴随着气泡的初生、生长、溃灭以及气泡溃灭产生的瞬间高温高压,这种空化效应对于空化介质本身产生怎样的影响一直缺乏研究。以单孔、五孔孔板型空化器为实验装置,研究水力空化效应对水物化性质的影响。首先,在相同空化时间和测量温度下,调节空化器不同入口压力(0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa、1 MPa),对孔板空化器内的空化水样进行电导率、溶解氧、pH的测试,分别得到水样三种性质随入口压力和时间变化曲线。实验结果表明,随着入口压力的增大,电导率先逐渐升高后逐渐降低：溶解氧先逐渐降低后逐渐回升;pH受水力空化效应影响较小,整体上没有明显的变化规律。     

基于流声耦合的调节阀空化噪声数值预测

针对工程应用中调节阀普遍出现的空化以及由其产生的噪声问题,提出基于流声场耦合法的调节阀空化噪声数值预测方法,首先选择大涡模拟和空化模型对调节阀进行瞬态流场计算,然后联合声学边界元法利用流场信息计算噪声场特征,分别数值计算一种轴流式调节阀在空化和无空化工况时的噪声。结果表明:监测点处的声压级频率响应曲线整体趋势基本一致,计算结果符合实际规律;空化工况时的声压级频率响应曲线具有较多的峰值点,而无空化则较为平稳,可作为判断调节阀是否产生空化的依据;数值计算得到的监测点处总声压级与理论预测计算的相对误差低于7.1%,证明了数值计算的准确可行性。     

考虑煤油蒸汽冷凝与蒸发的超声珩磨区空化特性研究

超声振动珩磨加工中会产生空化现象,空化泡溃灭产生的微射流与高压会对工件表面产生影响,为了使空化效应合理地应用于实际生产,必须建立更贴近实际环境的空化泡模型,故考虑珩磨因素与煤油蒸汽的蒸发与冷凝建立了磨削区空化泡的动力学模型,对其数值求解,同时进行了超声珩磨谐振系统的试验研究.结果表明:考虑煤油蒸汽的蒸发与冷凝可以更好地解释空化泡各参量的变化,对空化泡溃灭时的温度和压力影响较大,溃灭温度和溃灭压力的最大值分别为10~9 Pa和10~3 K;空化泡初始半径越大,膨胀所能达到的最大幅值越小,溃灭时间越短;同时由于受到珩磨压力和珩磨速度的作用,超声振动珩磨下的空化泡运动幅值比传统环境下的小1/3,但动态变化快于后者;试验后铝箔出现大量凹坑,说明空化效应对工件加工起着一定的作用.     

消能孔板空化特性的数值模拟

采用大涡模拟方法对消能孔板流场及空化现象进行了数值模拟,研究分析了消能孔板空化特性,计算所得的压力分布及空化特性与减压模型实验结果进行了比较,二者符合良好,计算结果表明,采用大涡模拟方法模拟空化是可行的,由于数值模拟不仅可以给出详细的流场物征,而且不受比尺效应影响,故可成为研究空化问题有力手段。     

天然气井下节流嘴前后压力温度分布的数值计算

针对天然气井安装井下节流装置以后很难测得节流嘴上游压力的情况,从空气动力学的原理出发,提出根据井口采集的数据,从节流嘴下游向上游计算其喉部和上游的压力温度综合值的数值计算方法。采用临界状态判别的新方法,即依据节流嘴出口处的马赫数的值,对节流嘴附近的流态进行判别,再分别计算节流嘴出口处,节流嘴喉部以及节流嘴上游的各参数。对宝1井进行了实例计算,计算结果表明:节流后压力温度骤降,经过激波面后压力温度急剧升高的变化情况。     

节流口内空化流体的湍动特性

为了提高孔板空化器的水力空化强度并得到空化规律,考虑到脉动对空化模型的影响引入了脉动影响因子,得出流体脉动空化模型,采用多相流的方法通过Fluent软件得出流体的气液两相传质速率及湍流强度,最后得出流体空化规律.研究结果表明:当恢复压力一定时,适当增加入口压力可以提高流体的空化强度,在0.5～0.7 MPa可获得较大的空化强度,当压力继续增加时,使空化强度和发育程度均降低;相比于进口压力,出口压力对流体空化强度起主导作用,在0.4～0.6 MPa空化强度不断增强,当出口压力继续增加时,压差过小抑制了空化的发生;分析多孔出流的流体湍动模型和传质速率得出,在0.4～0.6 MPa多孔出流引起了流体的湍动叠加效应,导致空化强度增加.     

射孔完井高产气井井筒压力温度预测

正确计算井筒温度是进行气井流压计算、水合物形成以及凝析液析出等气井生产动态分析的前提.对于射孔完井的气井,气体从储层流入井筒的过程中所产生的压降要大于裸眼完井时的压降.正确计算节流压降和温降,对计算射孔完井井筒中的压力温度具有重要作用.研究建立相应的模型,得到节流压降及温降、井筒压力及温度布分的计算方法.对一口射孔完井高产气井进行实例计算,得到节流压降、节流温降以及压力、温度沿井深的分布情况,并对射孔参数进行敏感性分析.     

倾斜椭圆微孔端面机械密封的回吸现象及对泄漏量影响

目前研究成果直接或者间接表明机械密封端面加工孔或槽可能会产生间隙流体的回吸,从而减少泄漏量,回吸的现象和机理都需要深入研究。基于Fluent多相流空化模型,针对倾斜椭圆形微孔端面机械密封,建立了其中一个微孔周期的间隙流体的三维数值计算模型,通过改变内外径压差、转速等密封工况参数,研究了回吸现象产生的原因以及回吸现象对泄漏量的影响。首先,通过流动因子判定流动状态、网格无关性分析确定网格尺寸、和文献计算结果对照等,保证了计算模型的正确性。然后,通过数值模拟实验,在靠近泄漏侧微孔单元的r-θ平面流线图和密封间隙出口截面径向速度云图中直接观察到了回吸现象。随后,分析了r-θ平面的压力场、径向方向速度场,结果表明,由于微孔而存在发散间隙,因为动压效应引起出口附近的流体压力降低,低于了密封间隙出口压力,造成了间隙流体产生回吸现象。回吸现象因流体动压效应的增强而增强,而压力的降低将导致空化现象,空化效应阻止了回吸的增强。最后,通过分析外泄量和回吸量曲线,研究了回吸现象在不同内外径压差Δp和转速n下的变化规律。随着回吸现象的出现,泄漏量会出现明显的降低,甚至会出现零泄漏。可以利用倾斜微孔的回吸现象降低机械密封的泄漏量。     

修正湍流粘度的混流泵空化非定常分析

为了减少混流泵空化数值模拟误差和分析泵内空化压力脉动的特征,运用Zwart-Gerber-Belamri空化模型对混流泵的空化性能进行了数值模拟,分析了SST湍流模型和RNG湍流模型对混流泵空化数值模拟的影响,并利用湍流粘度修正后的RNG湍流模型对混流泵的空化性能进行了定常和非定常数值计算。研究表明,无论是在非空化时还是空化时,RNG湍流模型都比SST湍流模型计算的误差小;湍流粘度修正后,RNG湍流模型的误差进一步减小。通过对叶轮进出口和泵出口处的压力脉动进行监测和分析,发现叶轮进口处的平均压力最小,但波动最剧烈;各监测点处压力脉动的主频为叶轮叶频,并且主频的幅值随着进口有效汽蚀余量的减少而增大。     

调节阀空化噪声原因分析及降噪研究

为了控制和防止空化噪声,对液流管道调节阀简化孔板模型的内部流场进行了二维CFD解析,分析模拟结果得出压力分布与空化噪声的关系,重点分析了空化噪声产生的机理及特性．结合空化噪声的预估方法,依据多级降压控制空化噪声的原理,提出有效的降噪声措施,对降低液流管道调节阀空化噪声具有一定的指导意义．     

改进Schnerr-Sauer模型在水翼空化模拟中的评估分析

为了提高Schnerr-Sauer模型模拟空化流动的能力,基于Rayleigh-Plesset方程和均相流假设建立了一种修正的Schnerr-Sauer空化模型,修正后的模型考虑了湍动能引起的脉动压力和不可凝结气体的影响。联立涡粘度系数修正的SST k-ω湍流模型,对绕二维Clark-Y翼型空化流进行了非定常数值计算,得到了时均化升阻力系数随空化数的变化曲线、云状空化时空泡周期性演变及其水平速度分布规律。通过与已有文献的实验结果对比分析得到,采用修正后的空化模型计算得到的时均化升阻力系数与实验值更为接近,并能较准确地捕捉升阻力系数随空化数的特殊变化规律;修正后的Schnerr-Sauer模型能准确地模拟翼型表面空化云的初生、成长、脱落和溃灭的全过程。本文的研究结果验证了修正后的Schnerr-Sauer模型在水翼空化流数值计算中的可靠性和准确性。     

脉动压力对空化的影响

为了消除空化试验的比尺效应,具体分析脉动压力对空化的影响,从泡动力学方程得出水中气核的发育时间和临界压力,得出气核的生长时间小于水流的负脉动周期;另由于水流脉动对气核的振荡作用,使气核提前膨胀,促使空化提前发生,计算空化数时需计入脉动压力项。根据N-S方程分析了脉动压力的模型律,结合原型测量结果,得出在强紊动区中脉动压力满足重力相似律,但在溢流坝面、陡槽底部等处脉动频率比尺不满足重力相似律,频率比尺约为1。在进行强紊动区的空化实验时,应注意水流脉动对空化的影响。     

双层套筒调节阀节流特性数值模拟

套筒调节阀是管路中重要的调节部件,其节流特性是套筒调节阀的主要性能指标.针对实际工况中不同套筒参数对调节阀调节性能的影响,文章以双层套筒调节阀为研究对象,采用Fluent数值模拟计算的方法,研究10个不同套筒间距和2种不同二级套筒小孔排列方式对调节阀节流特性的影响,对不同间距和不同小孔排布下压降、流速和湍流耗散率等节流...     

探究串联文丘里管空化特性

为了研究串联文丘里管的空化特性,采用数值模拟方法,建立文丘里管空化模型与压力损失模型,基于入口压力和水温变化进行单级、多级串联文丘里管内空化效果演变过程的研究;以平均气含率为空化效果表征,得到文丘里管串联级数与空化特性的关系,得到出口锥角与文丘里管的匹配关系,得到单级和多级串联之间空化效果的演变规律。提出了以空化效应的介质(水)的性质——电导率为空化实验表征,验证串联文丘里管的空化特性。实验结果表明：实验压力下(<1 MPa)单级文丘里管水样的电导率大于串联管,随着空化时间的增加水样的电导率增加;电导率可以作为表征空化效果参数之一。为串联文丘里管空化与压力、温度的关系提供指导,为空化效果的实验表征提供新的方法。     

矿井火灾引起节流和浮力效应的理论研究

将风网中的风流视为一维可压缩流体的非定常流动，导出了矿井发生火灾时巷道内空气温度的计算式和空气非定常流动的运动方程，进而获得节流和浮力效应的计算模型。并给出了算例，采用此模型，将使矿井火灾灾变时期风流状态变化过程的研究更接近实际，还可以自动将节流和浮力效应加入网络解算模型中。     

超声波测量油膜厚度方法误差分析

为了获得温度、压力以及数值计算对超声波测量油膜厚度方法的误差影响,本文对2种超声波测量模型:谐振模型和等效弹簧模型开展理论分析。利用泰勒展开式建立了模型中反射率、频率与误差的关系;并基于数值拟合方法得到ISO 4113标准试验油的温度、压力、密度和介质声阻的关系方程,从而求出温度压力对测量结果的影响。研究确定了超声波反射率的合理取值范围,并得出结论:随着温度的升高,油膜厚度计算值减少;随着压力的提高,油膜厚度计算值变大;超声波频率越低,温度和压力的绝对影响越大。     

基于SST湍流模型的圆盘空化器超空泡特性仿真分析

基于全空化模型和SST k-ω湍流模型,对圆盘空化器的空化流动进行了仿真。首先,分析了平头回转体表面的压力分布,所得结果与Rouse和Mc Nown的试验结果符合良好,验证了文中数值方法的有效性。其次,计算得到了不同空化数下无攻角圆盘空化器的超空泡形态特性和阻力特性,并与经验公式进行比较,二者具有良好的一致性。最后,对带攻角圆盘空化器进行了仿真,分析了攻角对超空泡形态特性和流体动力特性的影响。研究表明空化数和攻角都对超空泡的主要尺寸有影响,而攻角还会对超空泡的对称性和回射流现象产生显著的影响,此外攻角对圆盘空化器的流体动力特性也有比较大的影响,尤其是对升力系数有着直接的影响。研究结果为圆盘空化器在水下航行体上的应用提供了参考。     

余热排出泵小破口失水事故空化特性数值分析

为研究小破口失水事故工况下余热排出泵内部空化流动特性,基于Rayleigh-Plesset方程的混合物均相流空化模型和剪切应力运输SST湍流模型,对余热排出泵高温高压环境下叶轮内空化流动进行全流道数值计算。根据计算结果获得了余热排出泵小破口严重事故工况下扬程和效率的衰减曲线及空化发生的初始压力,捕捉到泵内空化的发生、发展过程。研究结果表明:当环境压力降低至大约1.15 MPa时,叶片吸力面进水边靠近前盖板处开始出现空泡,随着环境压力的降低,空泡分布区域及空泡体积分数不断扩大;当压力降低至1.143 MPa时,叶轮内部最大空泡体积分数达到50.17%,严重空化时,叶片工作面会有空泡聚集并造成叶轮流道严重堵塞致使泵扬程急剧下降。通过分析空化发生的状况得出空化发生的初始压力,为余热排出泵的设计提供一定的参考。     

空化空泡发育和溃灭过程的数值分析

基于空化空泡发育和渍灭过程的热力学分析,综合考虑热传导和热辐射的影响,提出了一个新的用于数值分析空泡变化过程的数学模型--热传导-热辐射模型.结合Runge-Kutta-Fe-hlberg法,利用3个数值分析模型(等温模型、绝热模型和热传导-热辐射模型)求解了描述空泡发育和溃灭过程的Rayleigh-Plesset方程,并将数值计算结果与不同研究人员所得到的试验结果进行了比较.结果表明:热传导-热辐射模型可以以较高精度地数值模拟空化空泡的变化过程,其计算结果与试验结果吻合较好.