双组水平喷嘴撞击流反应器流场POD分析

利用二维高速粒子图像测速技术研究双组分层水平对置撞击流湍流场,考察了双组喷嘴在不同Re、不同直径及上下径向射流不同工况下的流动结构,对速度场进行POD分解,提取流场中含能大尺度结构。结果表明,低阶本征模态拥有大尺度涡旋结构,流场涡旋结构明显,瞬时流场能量主要集中在一阶模态,易于描述整个流场的流动特征,脉动场的模态重构可以准确还原流场中的涡结构。L=3d工况下,不对称流场能量高于对称流场;低阶模态能量随喷嘴Re的增大而增大,而随喷嘴直径增大呈先递增后递减的趋势,直径d=10 mm的工况下所对应的一阶模态能量最高,涡强最大。     

双组分层不对称撞击流流场能量的研究

采用二维高速粒子图像测试技术(TR-PIV)和平面激光诱导荧光技术(PLIF)测量了双组分层不对称撞击流流场,利用POD分析方法提取流场含能大尺度结构,分解瞬时流场得出主要模态能量,考察了双层撞击流在不同射流Re、不同间距及不同直径比下不对称流场能量的变化规律。主要结论如下:同喷嘴直径下,不对称流场能量总是大于对称流场,在上下撞击驻点形成交叉时,流场整体能量较高,同时流场能量随喷嘴间距的增大而减小;不同喷嘴直径下,流场能量随直径比K增大而增大,直径比K1时,不对称流场能量也总是大于对称流场。综上所述,流场的这种不对称性有利于整体提高流场能量及流动特征。     

水平对置撞击流的POD分析及混合特性

利用平面激光诱导荧光技术和二维高速粒子图像测速技术对浸没对置撞击流的湍流场进行了测量,利用本征正交分解方法对所测两喷嘴出口流体不同动量比(M)和不同喷嘴间距(L/d)下的流场进行分解,提取流场中含能大尺度结构. 结果表明,撞击流瞬时流场的能量基本集中在1阶模态,M=1工况下,1阶模态的能量占总湍动能的比例最高,约为50%,2阶模态约占总湍动能的2%~5%,3阶模态约占2%,与4阶模态差异甚微;在L/d=3时前4阶模态能量占比最大,约为38.6%;低阶本征模态中存在明显的相干结构,主要位于非稳定径向射流附近区域,且大尺度的流动结构与撞击流的液相混合行为直接相关,流场中相干结构尺度越大,能量越大,越有利于快速均匀混合.     

撞击流反应器流场数值模拟及其混合性能优化

利用数值模拟方法分析多喷嘴对称撞击流反应器内部流场以优化反应器结构。研究不同喷嘴数和进料条件对撞击流反应器内速度场、湍流特性及混合效果的影响。结果表明,不同喷嘴数撞击流反应器内流速分布为双峰型,等流速工况下速度梯度随喷嘴数增加而减小,高剪切力分布范围随喷嘴数增加先增大后减小。通过分析湍流尺度分布发现小尺度涡旋主要集中在撞击区,而大尺度涡旋主要集中在发展区,且四喷嘴撞击流反应器平均剪切应力及涡旋尺寸梯度最大,四喷嘴结构更有利于增强流体湍动强度并强化混合。撞击流反应器内平均湍动能随喷嘴数增加先增大后减小,其中四喷嘴撞击流反应器内平均湍动能最大。当撞击流反应器为四喷嘴结构时,其混合效果最好,完全混合时间最短为22 s。在本研究工况内四喷嘴结构为撞击流反应器混合的最优结构。     

异形喷嘴撞击流混合器涡特性及混合性能数值模拟

为了研究撞击流混合器不同形状喷嘴的流场涡特性及混合效果，利用数值模拟方法对不同工况下的流场进行分析，得到不同喷嘴撞击流混合器的速度场、涡量场、涡结构以及浓度变异系数的变化规律，揭示不同形状喷嘴对撞击流混合器混合效果的影响。结果表明：喷嘴出口截面为圆形、等边三角形和正方形的撞击流混合器轴向速度为“V”形分布；喷嘴截面为圆形和正方形的撞击流混合器径向速度为“M”形分布。等边三角形截面喷嘴的撞击流混合器产生的流向涡数量多、强度大并且产生的涡旋结构的连续性更高，分布范围更广。相同工况下等边三角形截面喷嘴的撞击流混合器混合效果明显优于圆形喷嘴和正方形喷嘴混合器，最快达到混合均匀。     

等腰直角三角形截面螺旋流道内层流流体的流动特性

应用CFD软件对直角三角形螺旋流道内层流流体的流动特性进行了数值模拟,得到了充分发展条件下流体的速度场,分析了无量纲曲率d、无量纲挠率l对二次流强度和流体流动阻力的影响. 结果表明,当d=0.021~0.083且Re=200~1000时,流体流过该螺旋流道产生的二次涡为稳定的两涡结构;随Re及d增大,二次流强度增强,流体阻力系数也相应增大;在研究范围内,l对二次流强度及流体流动阻力的影响不大;当结构参数及Re取值相同时,三角形螺旋流道的阻力比半圆形螺旋流道小,且随Re增大,二者的差值增大,在所计算的Re范围内三角形螺旋流道的阻力系数为半圆管螺旋流道的84.1%~99.5%.     

双组分层撞击流反应器浓度场混沌分析

采用平面激光诱导荧光技术测量双组分层式撞击流反应器撞击区浓度分布,利用混沌理论分析不同喷嘴间距、喷嘴直径和射流雷诺数下撞击流反应器浓度场混沌特征参数(关联维、Kolmogorov熵和最大Lyapunov指数)的变化规律。结果表明,撞击流反应器内浓度场混沌特征参数随喷嘴间距的增大呈上下波动的变化趋势,Kolmogorov熵在L=2d时达到最大。浓度场混沌特征参数随喷嘴直径增大呈上下波动的变化趋势,Kolmogorov熵在d=8 mm时整体上最大;射流雷诺数为Re=22 000时整体上混沌特征参数最佳。受二次撞击区的影响,撞击面上靠近二次撞击区各点的混沌特征参数有明显提高。     

波瓣喷嘴燃烧室燃烧特性的数值模拟

建立了波瓣式燃油多点喷射燃烧室模型,考察了波瓣诱发涡系对燃烧室燃烧特性的影响。采用文献的多点喷射燃烧室实验的空载、30%载荷、巡航与起飞4种工况,对波瓣喷嘴燃烧室内的流场涡系结构、燃烧多物量场及燃烧特性进行了数值模拟。结果表明,不同油气质量比下随空气质量流量增加,每个工况下的流向涡、正交涡等无量纲涡量逐渐增大,出口温场品质逐渐提高,NOx排放逐渐降低,燃烧效率和出口温度场改善。波瓣喷嘴燃烧室实验台的水流模型实验结果验证了模型计算结果的正确性。     

新型干煤粉气流床气化炉的冷态数值模拟

为了考察基于无焰氧化技术所提出的新型干煤粉气流床气化炉的流场和颗粒停留时间分布特性,对该气化炉进行三维冷态数值模拟研究,得到了不同工况下的模拟结果,可知:单喷嘴切向进气工况导致炉内速度场发生了偏移;双喷嘴中心对称切向进气工况导致炉内形成外圈速度大、内圈速度小的对称旋转梯度场。随着进口总气速、颗粒平均直径和颗粒密度的增大,气化炉内颗粒停留时间逐渐减小。颗粒停留时间随颗粒平均直径增大的减幅较随颗粒密度增大的减幅更大。当颗粒入射角度为正时,随着入射角度的增加,颗粒停留时间逐渐增大;当入射角度为负时,随着入射角度的增加,颗粒停留时间逐渐减小。     

内插螺旋立式上行管流场及传热性能的实验研究

通过粒子图像测速流场实验与传热实验相结合,研究了内插螺旋立式上行管的螺旋节距、丝径、中径比等结构参数在不同Re下对流场、阻力及传热性能的影响。结果表明,内插螺旋能够有效扰动和混合管内流体,使管内形成多个纵向旋涡的流体结构、增大管壁附近液体涡量,有利于强化传热。当Re相同时,管内平均流速v、Nu和综合换热性能PEC均随丝径增大而增大,随中径比减小而增大;随节距增大,3种参数均出现增大的趋势,节距大于20 mm后开始减小。管内流体的阻力f随丝径和节距增大而减小,随中径比增大而增大。综合比较,在较低Re时,节距p=20 mm、丝径e=1.6 mm、中径比D/d=0.75时综合传热效果最好。     

浸没式撞击流反应器流场涡特性的数值研究

利用大涡模拟（LES）方法研究了撞击流反应器内流场涡特性,分析撞击区域流体流动特征。改变进口速度、喷嘴间距,讨论流场速度、涡量和平面涡能量分布规律,并分析了流场流型、涡演化过程和涡核形式。在反应器内靠近撞击驻点的涡尺寸小、脉动性高,随着撞击距离的增加,流体速度逐渐减小,涡影响范围变大。平均涡量和平均涡能量随进口速度的增加,先增加后减小。结合Q判据分析了反应器内涡的演化过程和流体流型。根据径向射流涡的演变过程,得到径向射流两侧涡演化的周期,在0.15~0.20 s之间。撞击区的涡结构主要为马蹄涡和肋状涡,在出口位置存在涡环。研究结果为深入分析撞击流反应器流体运动规律和优化反应器提供了理论参考。     

浸没式撞击流反应器流场涡特性的数值研究

利用大涡模拟（LES）方法研究了撞击流反应器内流场涡特性,分析撞击区域流体流动特征。改变进口速度、喷嘴间距,讨论流场速度、涡量和平面涡能量分布规律,并分析了流场流型、涡演化过程和涡核形式。在反应器内靠近撞击驻点的涡尺寸小、脉动性高,随着撞击距离的增加,流体速度逐渐减小,涡影响范围变大。平均涡量和平均涡能量随进口速度的增加,先增加后减小。结合Q判据分析了反应器内涡的演化过程和流体流型。根据径向射流涡的演变过程,得到径向射流两侧涡演化的周期,在0.15~0.20 s之间。撞击区的涡结构主要为马蹄涡和肋状涡,在出口位置存在涡环。研究结果为深入分析撞击流反应器流体运动规律和优化反应器提供了理论参考。     

流线型涡发生器与螺旋片强化换热器壳侧传热

为降低翅翼型纵向涡发生器与螺旋片复合强化的套管式换热器壳侧传热阻力,提出一种新型翅翼型纵向涡发生器,即流线型涡发生器。采用实验和数值模拟方法研究了流线型涡发生器与螺旋片复合强化的换热器壳侧的传热和阻力特性并与三角翼型涡发生器（DWP）的强化效果进行比较,考察了流线型涡发生器common-flow-down（CFD）和common-flow-up（CFU）两种安装方式的强化效果,分析了流线型涡发生器的减阻机理。结果表明,在涡发生器面积和迎流角相同的情况下,流线型涡发生器可以取得与三角翼型涡发生器相同（Re<8000）或略低（Re>8000）的传热系数,但其产生的流动阻力比三角翼型涡发生器低21%;在相同压降条件下,common-flow-up安装方式的综合传热效果优于common-flow-down;流线型涡发生器减阻机理在于提高了速度场与压力场的协同性。     

Experimental study of flow regimes in three‐dimensional confined impinging jets reactor

Dynamic behaviors in a three‐dimensional confined impinging jets reactor (CIJR) were experimentally studied by a flow visualization technique at 100 ≤ Re ≤ 2000 and 2 ≤ D/d ≤ 12 (where D is the reactor diameter and d is the nozzle diameter). The effects of inlet Reynolds numbers (Re) and geometry configurations of the CIJR on the flow regimes have been investigated by a particle image velocimetry and a high‐speed camera. Results show that with the increasing Re, a segregated flow regime, a radial deflective oscillation, an axial oscillation and a vortex shedding regime emerge in turns in CIJR. A map of parameter space formed by the inlet Reynolds number (Re) and the normalized reactor diameter (D/d) has been presented. The effects of jet instability and confined boundary of the chamber on the flow regimes and their transition are also investigated and discussed. © 2014 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 60: 3033–3045, 2014     

竖直上升螺旋流内瞬态压力波动信号混沌吸引子形态特性

为了探讨湍流状态下(雷诺数Re=1756~3512)旋流静态混合器内混沌拓扑结构演化规律,对采集的360组竖直上升螺旋流瞬态压力波动时间序列进行相空间重构,通过在其混沌吸引子域中放置参考截面,考察旋流静态混合器内瞬态流混沌吸引子形态特征量与雷诺数、轴向位置和径向位置之间的关系. 结果表明,轴截面内径向二次流为不同尺度强制涡和自由涡组合的兰金涡,在rm/R≤0.3和rm/R>0.8(rm为测量点到截面中心距离,R为混合管半径)处混沌吸引子特征量随Re增大而减小,而0.4≤rm/R≤0.8处主体区内压力波动信号混沌吸引子特征量随Re增大呈先增大后减小再变大的趋势. 瞬态压力波动信号混沌吸引子形态特征量对漩涡结构演化敏感,有助于理解竖直上升螺旋流的非线性混沌动力学机制.     

Flow field in the freeboard of vortexing fluidized bed

A systematic investigation on the flow field in a vortexing fluidized bed cold model was reported. The gas velocity profiles within the freeboard with diameters of 0.19 m and 0.29 m were measured by using a five-hole pitot tube. A new parameter, called vortex number, V_or defined as the ratio of tangential velocity to axial velocity of the swirling gas stream, was proposed for representing the swirl intensity. V_or is found to be increased with secondary air velocity, and decreased with primary air velocity and diameter of secondary air nozzles. It is also found that the profile of swirl flow is significantly affected by the arrangement of the secondary air nozzles. The effects of inserted length of secondary air nozzles and geometric structure of expansion section on the swirl flow are also studied. Based on the experimental data, a correlation is presented to estimate the vortex number. Vortex number is found to be a function of the geometric structure of exhaust tube, diameter of secondary air nozzle and tangential air flow rate.     

航空发动机燃烧室叉排波瓣喷嘴的分级喷射及气动特性

搭建了由13个波瓣喷嘴采用5?5叉排方式布置的航空发动机分级燃烧室水模型实验台,通过改变各喷嘴的分级喷射方式实现不同的工作载荷。对30%及巡航两种载荷下的模型燃烧室,分别采用2级和3级两种燃烧组织方式下的空气动力学流场特性进行了水模拟示踪实验和数值模拟研究。对两种分级燃烧方式,通过实验和数值模拟研究了改变两种载荷下的油气比时,各级波瓣喷嘴所诱发的复杂涡系结构和涡量的大小、形态、相互作用和演变规律等气动特性。结果表明,两种分级喷射方式的涡系结构均可分为初始段、过渡段和发展段;各涡系之间历经了从独立到合并重组、再变成新涡系等演变和相互作用过程;增加油气比对两种分级喷射的过渡段影响均较大。空气模型、水模型流场的计算结果与实验结果吻合良好,验证了研究结果的可行性和可信度。     

釜内螺旋半圆管夹套内流体湍流流动特性

采用实验和数值模拟方法对安装在反应釜内壁侧的螺旋半圆管夹套中流体的湍流流动特性进行了研究. 无量纲曲率d=0.133、无量纲螺距t=0.127的夹套中流体湍流速度场的实测与模拟结果吻合较好. 基于正交螺旋坐标系,给出了夹套内流体的速度场,包括平均轴向速度、二次流速度及二次流函数分布. 研究了平均雷诺数Re、d及t对速度场及流动阻力的影响. 结果表明,充分发展湍流条件下,釜内螺旋半圆管夹套横截面上,平均轴向速度最大值的位置有2个,二次流为恒定的4涡结构. 随Re和d增加,2对二次涡的强度及湍流流动阻力fRe均增加. 相对于釜外螺旋半圆管夹套,在0.05≤d≤0.1, 10000≤Re≤18000的范围内,釜内螺旋半圆管夹套中的湍流流动阻力fRe提高了2.13%~7.72%.