微乳化生物质燃油在喷嘴内部的空化流动特性

运用混合均相流模型加完全空化模型对微乳化生物质燃油在喷嘴内部的空化流动特性进行数值模拟研究,并结合WINKLHOFER的试验验证所选模型的合理性.研究尖角入口和圆角入口两种喷嘴反应入口形状对微乳化生物质燃油在喷嘴内部空化流动特性的影响,同时将结果与0号柴油进行对比.引入量纲一参数雷诺数(Re),空化参数(K),韦伯数(We),流量系数(Cd)等分析喷嘴的内部流动特性.结果表明,空化发生后,燃油的出流质量流量,量纲一参数的变化规律和出口截面的速度分布均与空化前不同;相比于柴油,微乳化生物质燃油开始空化和达到超空化需要较高的喷射压力;喷嘴入口圆角的存在削弱了空化,不利于出口燃油的喷雾.此外,所选模型预测的结果也与Nurick理论关系式吻合较好.     

柴油机喷嘴结构对喷雾特性影响的耦合模拟研究

高压共轨系统能有效地改善柴油机的喷雾质量,但随着燃油喷射压力的增加,燃油雾化过程变得更加复杂。而喷嘴内部湍流和空穴现象对喷雾雾化有重要的影响,特别是空穴现象。利用同步辐射X射线同轴相衬成像技术准确获得喷嘴几何结构尺寸,建立精确的喷嘴内部流动模型,建立起耦合喷嘴内空穴流动的耦合喷雾模型,分析喷嘴内空穴流动对燃油喷射雾化的影响。利用在高压共轨喷雾试验台架上的高压喷雾试验,验证该喷雾模型的准确性。利用该验证后的喷雾模型直接得到喷嘴结构参数,包括喷孔长径比、喷孔入口圆角半径及喷嘴压力室结构对喷雾特性的影响,得出喷孔入口圆角半径和压力室结构对喷雾的索特平均直径有较大的影响。研究结果为柴油机燃油喷射系统的优化提供了理论依据。     

叶轮流道入口喉部面积对离心泵空化性能的影响

为了探究叶轮流道入口喉部面积对离心泵空化性能的影响,以某型号离心泵为研究模型,通过修改叶片包角和方格网流线构建了4组具有不同叶轮流道入口喉部面积的叶轮,基于RNG k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对4组模型泵方案的空化性能进行数值模拟。研究结果表明：在保持叶轮流道出口面积不变的前提下,叶轮流道入口喉部面积增大,初生空化余量NPSH_i与临界空化余量NPSH_r的变化存在相反的趋势,两者之间没有倍数关系;临界空化余量NPSH_r主要与叶轮流道面积的变化趋势有关,宽敞流道有利于降低离心泵的临界空化余量,提高空化严重时的断裂扬程;初生空化余量NPSH_i与叶轮进口几何形状有关,为获得较小的初生空化余量,在水力设计过程中,须采用使入口喉部面积减小的措施。     

喷嘴结构参数对流体特性影响的三维流场模拟

为了改善柴油机D6114喷油嘴291 DLLA150 FC PV01内部燃油流动状况,使喷入气缸内的燃油达到较好的雾化质量,在原有喷嘴基础上,针对喷嘴结构参数长径比、喷嘴入口过渡圆角及喷孔锥角设计了9种方案。在CFD(计算流体动力学)软件中建立了喷嘴内部流场的三维模型,对整个流场区域进行了流体动力学模拟计算。分析了喷嘴结构参数对喷孔内部空化程度、湍动能及流速的影响,得出:随着长径比(L/D)的减小,燃油在喷孔中的空化程度增强,湍动能减小,流速增加;随着过渡圆角与直径比(r/D)的增大,喷孔内部流体空化程度增强,流速增大,湍动能减弱;随着喷孔锥角(θ)的增大,喷孔内燃油空化程度加强,湍动能减弱。     

自激振荡脉冲射流喷嘴的修正空化模型

根据自激振荡脉冲射流喷嘴中的空化发生机理,一种考虑剪切力(包括雷诺剪切力和粘性剪切力)和由湍动能产生的压力脉动对空化影响的修正空化模型被提出来提高喷嘴内流场的模拟精度。修正空化模型通过用户自定义函数UDF挂入到Fluent中定义空化压力属性。采用该修正空化模型模拟计算所得到的不同入口压力和腔径条件下的喷嘴出口压力峰值与以往的实验结果吻合得很好,验证了该修正空化模型的正确性。进一步对剪切力和由湍动能产生的压力脉动对空化的影响进行了分析,并且研究了不同入口压力条件下这两个因素对空化发生的影响的强弱程度以及空化初生的能力。     

高温高压差液控阀空化和空蚀的数值分析

采用高温高压液控阀的实际操作条件和介质的物性参数,基于两相空化流动的控制方程和RNG k-ε湍流模型,对液控阀的空化和空蚀特性进行数值分析。结果表明:流体在流经阀座和阀芯之间的间隙时,流速急剧增加,压力迅速降低至液体的饱和蒸汽压以下,形成空化。由于阀芯出口处的突扩结构,流速急剧降低,产生分离现象,从而在下游出现回流区,回流区域会形成空化带。并且,当操作温度升高和入口压力增加均会导致空化的区域增大、强度增加。数值模拟结果与阀芯的实际失效形貌基本吻合,证明该方法可成功应用于阀门的空化和空蚀预测。     

超声辅助磨削空化冲击波效应的空蚀特性

为探究超声辅助磨削过程中,近固壁面空化泡运动产生冲击波对材料空蚀特性,以单个空化泡为研究对象,考虑液体介质的表面张力建立超声空化冲击波模型,通过数值模拟讨论了超声振动频率、声压幅值、空化泡初始半径与表面张力系数对冲击波压力大小在液体传播中变化的影响。搭建超声空蚀实验平台,通过观察不同空化条件下材料表面微结构,研究冲击波的侵蚀机制。结果表明：空化泡中心产生的冲击波压力最大并随着距空化泡中心距离的增大急剧衰减;当超声声压振幅越大、表面张力系数越小时,在与空化泡中心距离相等处产生的冲击波越大;空蚀加工距离越近和超声振幅越大,冲击波的空蚀作用越剧烈。     

风琴管喷嘴内表面粗糙度对高压射流特性的影响试验研究

风琴管自振空化喷嘴因兼具空化射流与脉冲射流的优点而被广泛使用。为探究大雷诺数下风琴管喷嘴内表面粗糙度对高压射流特性的影响,从而提高喷嘴作业效率。在理论分析紊流特性与表面粗糙度关系的基础上,通过试验探究了风琴管喷嘴内表面粗糙度对射流轴心压力脉动与扩散角的影响规律。试验结果表明,入口压力越大,粗糙度对射流的扩散角、轴心压力脉动峰值、压力脉动幅度的影响程度越大;对某一入口压力,存在一对应起始粗糙度值使得扩散角快速增大,轴心压力脉动峰值与压力脉动幅值急剧衰减;且入口压力一定时,存在一临界粗糙度值,粗糙度小于此值时,轴心压力脉动峰值与压力脉动幅值随靶距增大而先增大后减小;粗糙度大于此值时,轴心压力脉动峰值与压力脉动幅值随靶距增大而减小。根据试验数据,运用能量守恒定理,建立了射流轴心压力脉动峰值随表面粗糙度、入口压力、靶距变化关系的初步数学模型。     

近球壁射流空泡溃灭对微细颗粒破碎效果的影响

为有效解决大规模机械粉体制备中存在的微细颗粒团聚和粉磨极限等问题,采用了空化射流冲击结合磨介研磨的微细颗粒制备方法,并对近球壁空化射流有效冲击破碎颗粒开展了研究。理论分析了近球壁空泡溃灭对微细颗粒的冲击特性,得出了颗粒冲击破碎的有效量纲一距离及临界空泡最大半径;通过空化射流冲击球壁的数值模拟仿真,分析了喷嘴入口压力和靶距对近球壁空泡分布的影响。为验证理论与数值分析结果,开展了基于靶距、转速率、颗粒质量分数和喷嘴数目等多因素的石英砂球磨空化破碎对比实验,实验结果与理论和数值分析结果吻合良好,验证了此方法的有效性。研究结果表明：空化冲击结合磨介研磨微细颗粒的破碎率比单一研磨微细颗粒的破碎率更高;在空化射流入口压力5 MPa下,靶距和转速率是石英砂微细颗粒破碎效果的主要影响因素,其次是喷嘴数目。     

基于作用力分析的分裂液滴内空泡时间稳定性研究

基于线性稳定性理论,推导出描述超空化时分裂液滴内空化气泡稳定性的数学模型;在此基础上,从分裂液滴内空泡的受力角度对空化气泡的时间稳定性进行研究。研究结果表明,液滴黏性力使空泡稳定性增强;相对于空气及空泡的黏性力而言,液滴黏性力对空泡的稳定性起主导性作用。空泡惯性力是影响空泡稳定性的主要因素,对空泡稳定性具有不利影响,其影响程度与空泡液滴半径比密切相关,空泡惯性力对空泡稳定性的影响随空泡液滴半径比的增大而显著增强。空泡可压缩力、液滴内部气动力以及空泡液滴界面处的表面张力有利于空泡稳定,其变化对空泡稳定性的影响受空泡液滴半径比的影响相对较小;液滴外部气动力对空泡稳定性的影响相对较小。建立分裂液滴内空化气泡临界破碎准则,并对分裂液滴内空化气泡的破碎进行分析;分析结果表明,空泡维持时间受空泡生长速度和空泡液滴半径比的影响;对于某一确定初始空泡液滴半径比的分裂液滴来说,有其最大空泡极限破碎半径;空泡极限破碎半径随初始空泡液滴半径比的增加而减小。     

2D伺服阀矩形先导控制阀口气穴特性研究

为研究双自由度（2D）伺服阀先导控制阀口处气穴现象的影响因素及对阀芯稳定性的影响,运用Fluent软件中cavitation模型对2D伺服阀矩形先导阀口进行了气穴特性的仿真研究。研究表明,在出口压力低于1 MPa时,阀口处会出现气穴现象,且因气穴指数σ较小,故在弓形感受通道会出现气泡现象,出口压力高于5 MPa时,无明显气泡现象但阀口处的气穴仍然存在;随着入口流速增加,阀口内侧壁和外侧壁处气穴强度和分布范围增加;在出口压力0.1 MPa情况下,随着阀口开度增加气穴现象减弱。结果表明,2D伺服阀正常工作时先导阀口处会产生气穴,对伺服阀阀芯运动的稳定性产生干扰。     

Cavitation indices for high pressure orifice plate energy dissipators

A problem of providing a simple device for pressure dissipation in mine underground high pressure water reticulation systems was investigated; a required feature of this device was operation without cavitation. An orifice plate was selected, and various orifice diameter ratios (0.206–0.444) for a range of upstream pressures (2000–7000 kPa) were examined for their incipient cavitation points and flow/pressure drop behaviour. Experimental work was conducted in two parts, low pressure and high pressure; the low pressure part of the work was carried out at the University of the Witwatersrand and the high pressure part at the East Driefontein Gold Mine.Both sets of experiments yielded data that were inconsistent with previously predicted values of incipient cavitation under conditions of relatively low head (up to 137 m of water); analysis of the results yielded a new simple cavitation prediction method based on cavitation inception and orifice pressure drop data which is easily presented in graphical form. The results showed that upstream pressure affected the pressure drop required for incipient cavitation, for the same orifice size; and that the orifice ratio affected the pressure drop required for incipient cavitation, for the same upstream pressure.     

以水为介质阻尼孔气穴流动理论和试验研究

针对水的汽化压力高、容易发生气穴的特点,应用气穴模型理论对阻尼小孔中以水作为工作介质时的流动特性进行理论分析.在此基础上,用可视化方法对阻尼小孔中的气穴流动特性进行试验,研究阻尼孔中的气穴发生过程,分析阻尼孔内径和长径比对气穴的影响.研究结果表明阻尼孔的气穴首先在进口部位产生,并随着两端压差的增大向出口推移.大长径比的阻尼孔相对小长径比的阻尼孔而言不容易发生气穴.在相同长径比的情况下,孔径大的阻尼孔相对孔径小的阻尼孔更容易发生气穴.研究结果对阻尼小孔的选择设计具有一定的参考意义.     

节流孔板空化特性分析

管道系统中的各类阀门、文丘里管、孔板等节流件,随系统工作压力和前后压差的增大,会出现气液两相流引起的空化或发生阻塞流,对系统的工作性能和安全造成严重影响.针对以不同规格孔板为代表的节流件,采用理论推导和FLUENT流体力学两相流仿真,结合实验台架所得的空化流动特征,辅以对局部空化气泡的高速微距拍摄结果,提出了斜梯三角形...     

渐扩型流道空化特征的实验研究

渐扩型流道是液压元件中最常见的一种阀口结构,为了研究渐扩型阀口结构中的空化流动特征,该文设计了一种渐扩型阀口流道结构,通过实验研究了随进口压力的提升,阀口空化现象的变化。实验研究发现,空化首先出现在阀口拐角上侧;随着进口压力的提升,空化体积向着类三角形形态发育;渐扩型阀口空化体积随进口压力的提升,呈线性分布。     

内流式阀件中的空化抑制新方法探究

基于压力分布直接影响空化的基本观点,提出内流式阀件出口引流抑制空化的方法并设计了相应的结构。为了验证该方法的有效性和研究该结构抑制空化性能,建立了空泡群模型并利用CFD软件获得压力场和速度场信息,利用数值计算的方法对比分析了带改进阀腔结构和不带改进阀腔结构阀件的空化情况。结果表明：将出口压力引至节流口处可以达到抑制空化的效果;随入口压力增加,改进阀腔的抑制空化能力逐渐减弱,但最后趋于稳定;随出口压力的增加,改进阀腔的抑制空化能力逐渐增强,直至完全抑制空化。     

内流式滑阀壁面压力分布可视化计算及试验验证

针对现有液压阀流场(Computational fluid dynamics,CFD)仿真研究中,采用单相流模型进行计算,忽略了流体气化现象对流体密度及其流场的影响,仿真所得相对压力过低与实际不符的问题,运用Fluent软件,采用两相流模型,研究内流式滑阀流场分布,分析阀口开度、流量变化对于阀芯壁面压力分布及其稳态液动力的影响;设计一种壁面压力分布测量的试验方案,测量得到阀芯壁面的压力分布,并通过表面积积分法求出阀芯所受稳态液动力。结果表明:试验所得的内流式滑阀的壁面压力分布及其稳态液动力与仿真结果趋势一致,壁面压力峰值随着阀口开度的增大而减小;阀口开度较小时,稳态液动力的方向为阀口关闭的方向,在阀口开度达到临界点时,稳态液动力的方向为阀口打开的方向;滑阀稳态液动力公式计算由于忽略了入口射流角的变化及其出口处的动量,得到的稳态液动力误差较大,且方向始终指向阀口打开的方向。     

Experiment and simulation study on cavitation flow in pressure relief valve at different hydraulic oil temperatures

Hydraulic oil is the “blood” of hydraulic system, its high temperature in low-pressure hydraulic system would promote the development of cavitation and cause severe erosion of pressure relief valve. The influence of high oil temperature on the distribution of pressure field, velocity field and vapor volume fraction are discussed experimentally and numerically. The results show that with the increasing oil temperature, the viscosity of the oil decreases, and the flow rate increases, resulting the decreasing pressure at the orifice. Higher oil temperature promotes the occurrence of cavitation in the pressure relief valve, wider low-pressure zone could be found and cavitation bubble developed more fully and towards the valve core head. When the oil temperature increases from 303 K to 353 K, the cavitation intensity rises more sharply, but the growth rate of cavitation intensity increases firstly and then decreases with the increasing input pressure. Furthermore, based on the field synergy theory, the flow resistance and energy dissipation under different oil temperatures are evaluated. Both of large viscous dissipation and effective viscosity coefficient are mainly concentrated at the orifice, which are all effected by the oil temperature, so as to the characteristics of cavitation flow. The average field synergy cosine angle and the average viscosity coefficient decreases gradually with the increasing oil temperature, while the average vapor volume fraction increases. The energy dissipation is reduced by 3.3 × 10⁷ (W m⁻³) while the hydraulic oil temperature increases from 303 K to 353 K. Appropriate hydraulic oil temperature could provide favourable working conditions for the pressure relief valve which is beneficial for extending the hydraulic system's service life.     

2D伺服阀矩形和弓形先导级气穴特性及影响因素

二维(2D)伺服阀因其阀芯集旋转和平移运动于一体,且具有先导控制和功率放大的特性,被广泛应用于航空、军工等领域的液压系统中。由于伺服阀先导级的节流口面积非常小,流体流经此处后会因压力骤降而产生气穴现象,将直接影响伺服阀的工作特性。利用Fluent软件,在不同的阀口开度、敏感腔体积、入口压力下,对矩形和弓形2D伺服阀的先导级阀口和流道进行了两相流仿真。结果表明:矩形和弓形先导级阀口均存在一个最佳开度,对气穴现象的抑制能力最强;矩形先导级结构内的气穴现象,受敏感腔体积变化的影响较明显;入口压力越大,敏感腔体积越大,气穴现象越显著,先导级内气体含量越多。     

基于节流-分流耦合的高压高速节流口空化抑制方法

开展高压高速节流口的空化抑制方法研究是提升阀的寿命和可靠性的关键环节。针对高压高速节流口空化破坏严重的问题,提出了一种基于节流-分流耦合的空化抑制方法。该方法采用多级节流的方式,实现阀口压降的多级承担,有效减小阀口压力梯度并降低流速;通过在阀出口采取多排孔分流的方式,改善流线布局,减少流体冲击。以电磁卸荷阀为例,分析卸荷阀动态性能,获得高压高速节流口实际工况,开展高压高速工况下节流口流体仿真。仿真结果显示,相较多级节流方式和多孔分流方式,所提出的方法可显著改善流场的压力和流速分布,实现了阀口空化现象的有效抑制。