水力旋流器能耗机制与节能原理研究：IV.湍动能分布与湍动能耗散率

采用代数应力模型对水力旋流器内的湍流场进行了数值模拟,并用寮测结果验证了计算结果的可信性,获得了旋流器内湍动能及湍动能耗散率的分布规律。结果表明,在溢流管端以下轴向位置上湍动能分布具有相似性,呈两边高中间低的不对称鞍形;在溢流管与旋流器壁之间的环隙空间内湍动能沿径向方向变化不大;旋流器内湍动能较大的区域是溢流管端以下空气柱附近的内旋流区域;旋流器内湍动能耗散率分布与湍动能分布有十分相似的规律,溢流     

水力旋流器湍流数值模拟及湍流结构

采用湍流代数应力模型对水力旋流器内湍流场进行了数值模拟,数值计算结果验证了实测数据。用数值计算与实验研究相结合的方法深入揭示了旋流器内的湍流结构,结果表明,旋流器内湍动能分布呈两边高中间低的不对称鞍形;湍动勇耗散率分布与湍动能的分布有十分相似的规律;溢流管端以下内旋流区域中湍流压力脉动强度以及压力相对脉动强度均很大。     

水力旋流器能耗机制与节能原理研究 Ⅲ.湍流压力场脉动结构

采用电阻应变式压力测定仪及在线数据自动采集与实时处理系统,在国内外首次对水力旋流器内湍流压力场的脉动结构进行了系统的实测研究。结果表明,在溢流管端以下内旋流区域中,流体的压力脉动强度以及压力相对脉动强度均很大,该区域是一个湍动能量损失严重的区域;水力旋流器中绝大部分区域内的脉动压力均服从Ｇａｕｓｓ分布;但在柱段区域的个别地方以及锥段上部内旋流区域的许多地方,脉动压力则拒绝Ｇａｕｓ假设,在这些部位湍流具有明显的间歇性特征。     

旋流滤清器内湍动规律的研究

分析了滤清器和旋流分离器的技术现状,介绍了自行设计的旋流滤清器的结构和原理,应用LDA(Laser Doppler Anemometer)的测试数据研究了旋流滤清器中的湍动规律,得出瞬时速度的时间序列和脉动速度、湍动度随半径及脉动速度、湍动度随雷诺数的变化曲线等;分析了湍动规律对过滤的影响,明确了在靠近过滤介质处的湍动能和切应力大是不形成滤饼的因素,从而减缓过滤速度的衰减。     

亚格子湍动能模型及循环流化床气固湍流特性分析

以气相大涡-颗粒相二阶矩双流体模型为框架,基于单相流亚格子湍动能推导方法,考虑固相影响推导气相亚格子湍动能方程,建立了适用于气固两相流动的气相亚格子湍动能模型;同时考虑气相亚格子湍动能与颗粒相速度脉动二阶矩之间的脉动能量传递,补充了气固相间脉动能量作用模型。模拟了循环流化床内气固两相湍流流动过程,模拟结果与实验数据吻合较好,并较未考虑湍流模型的模拟结果更接近实验值。比较了不同亚格子湍流模型对颗粒运动的影响,与Smagorinsky亚格子涡黏模型相比,亚格子湍动能模型能够更好地模拟两相流的湍流特性。分析了气体表观速度对湍流作用的影响。研究表明,随着气体表观速度的增加,气相亚格子湍动能和亚格子能量耗散逐渐增加,径向分布的非均匀性增强。     

水力旋流器能耗机制与节能原理研究 Ⅱ.湍流压力场时均结构

采用电阻应变式压力测定仪及在线数据自动采集与实时处理系统,在国内外首次对水力旋流器内湍流压力场的时均结构进行了系统的实测研究。结果表明,在水力旋流器内同一轴向位置上,随着半径的减小,压力逐渐降低,而径向压力梯度却逐渐增大;但在溢流管外壁与水力旋流器边壁间的环形区域内,压力沿径向的损失很小,而且在溢流管外壁附近,压力还略有回升的现象;水力旋流器内部主要流域中各处的流体压力可以用同一个数学模型进行描述,该模型是径向位置的函数;在溢流管端以下内旋流区域中,流体的径向压力损失幅度很大,该区域是一个能量损失严重的区域。     

液-液旋流分离器内流动特性的大涡模拟

基于柱坐标系下的瞬态N-S方程,采用标准Smagorinsky-Lilly模型,对旋流分离器内的单相流动特性进行了大涡模拟研究,获得了旋流分离器内的瞬时流场、时均速度与湍动能分布,并将结果与雷诺应力模型(RSM)及实测结果进行了对比。结果表明,大涡模拟方法可以得到旋流分离器内的瞬态流场,且能够反映更多的流场细节;对时均速度的预测与实测数据吻合良好,精度优于RSM模型;对湍动能的模拟与RSM方法差异显著,但其结论更符合以往理论分析与实测的结果。相比采用时均方法的RSM模型,大涡模拟方法对此类旋流湍流具有更好的模拟能力。     

渐扩进料体旋流器的数值模拟与PIV测试

为了深入探究渐扩进料体旋流器内部的流场特征,采用数值模拟和激光粒子图像测速(PIV)技术相结合的方法对Φ40 mm渐扩进料体旋流器内的流体速度分布和空气柱形成过程进行研究。结果表明,溢流管附近流体的轴向速度较大,零速包络面特征表明在靠近溢流管的零点轨迹明显减少,流体快速向下运动,有助于短路流进入外旋流参与分离过程,减少直接进入到溢流管的短路流量,有利于减少短路流、提高分离效率。数值模拟与PIV测试吻合程度较高,验证了模拟的准确性。     

油-水动态旋流分离器流场模拟与能耗分析

拟采用Fluent数值模拟的方法研究油-水动态旋流分离器流场特性与能耗的关系,通过研究得到了旋流器内湍流场特性的分布规律以及旋流器运行过程中能耗产生部位和原因。计算结果表明,在旋转栅翅片和导流锥后方区域雷诺数、湍流强度和湍动能都出现极值点,油-水动态旋流分离器运行过程中的能量耗损也主要集中在旋转栅翅片和导流锥后方区域。     

水力旋流器新型出口挡板结构对分离性能的影响

针对小直径水力旋流器,设计了不同内置挡板式的溢流管和底流管,实验研究了新型出口挡板结构对水力旋流器分离性能的影响。研究结果表明:内置挡板溢流管适用于处理量较大的工况,与传统溢流管相比,分离效率略有降低,但在高流量下其压降的降低幅度可达11.11%,挡板宜采用相对较窄、较短、三块120°间隔设计方式;底流管内置挡板采用十字交叉结构可稳定内旋流,使分离效率最大可提高5.96%;新型内置挡板的溢流口与底流口相耦合,可同时实现提高分离效率和降低压降的目标。此外,在相同情况下,发现溢流管内置挡板可消除水力旋流器内部的"空气柱",据此推断"空气柱"并非由内部空气形成,而是其内部负压中心形成的某种湍流程度较高的强制旋流涡。     

水力旋流器新型出口挡板结构对分离性能的影响

针对小直径水力旋流器,设计了不同内置挡板式的溢流管和底流管,实验研究了新型出口挡板结构对水力旋流器分离性能的影响。研究结果表明：内置挡板溢流管适用于处理量较大的工况,与传统溢流管相比,分离效率略有降低,但在高流量下其压降的降低幅度可达11.11%,挡板宜采用相对较窄、较短、三块120°间隔设计方式;底流管内置挡板采用十字交叉结构可稳定内旋流,使分离效率最大可提高5.96%;新型内置挡板的溢流口与底流口相耦合,可同时实现提高分离效率和降低压降的目标。此外,在相同情况下,发现溢流管内置挡板可消除水力旋流器内部的“空气柱”,据此推断“空气柱”并非由内部空气形成,而是其内部负压中心形成的某种湍流程度较高的强制旋流涡。     

CFD数值模拟在微涡絮凝中的应用

传统的絮凝理论是基于层流的条件得到的结果,而实际絮凝反应中,流体的流态是以湍流占优势的,不存在整体和恒定不变的速度梯度,因此微涡絮凝较传统絮凝更为复杂,其内部流态分布对絮体的形成具有重要作用,但目前试验无法获取其流态分布。随着计算机硬件的更新,计算能力不断提高,许多学者开始使用CFD数值模拟对种种复杂的实际问题进行计算模拟,以湍动能k、湍动能耗散率ε、涡旋速度梯度、涡旋尺寸作为评价指标,对微涡絮凝进行研究。     

内置转子圆管内液体流动的PIV测量

采用粒子图像测速技术对安装三叶片转子的圆管、安装两叶片转子的圆管及光管进行实验研究,获得了换热管内流场的分布情况. 结果表明,圆管内安装小导程三叶片转子的轴向速度沿径向的分布与圆管内安装两叶片转子差异不明显,均呈近M型分布,但径向速度沿径向的分布明显大于两叶片转子,且湍动能沿径向的分布也高于两叶片转子. 以湍动能的衰减长度作为表征单个转子的作用范围量,在管内放置单个转子后,湍动能逐渐衰减,并在经过约10 mm距离后稳定在一恒定值附近,因此,认为洁能芯转子的作用范围长度为10 mm,这对工业应用具有重要意义.     

采用大涡PIV方法研究搅拌槽内湍流动能耗散率

在槽径为0.476 m的六直叶涡轮桨搅拌槽内,采用粒子图像测速仪(PIV)对桨叶区的流场进行了实验研究,得到了桨叶区的平均流速和湍流动能(k)分布,采用大涡PIV方法对湍流动能耗散率(e)分布进行了估算,计算了e与k的相关系数. 结果表明大涡PIV方法能有效地估算e分布;桨叶区的射流向上倾斜,两尾涡分布于射流两侧,射流的倾角和两尾涡中心间距随射流向壁面运动而变化,射流倾角先增大再减小,相位角q=40o时达到最大值13.2o,两尾涡中心间距先减小再增大,q=20o时达到最小值0.0387(用槽径T无因次化);湍流动能和湍流动能耗散率峰值均位于尾涡靠近射流的区域;湍流动能和湍流动能耗散率的平均相关系数为0.363,射流核心区相关系数小于周边区域.     

摇瓶反应器中流体流动的CFD数值模拟

针对250 ml摇瓶在回转式摇床上的流体流动,基于VOF模型、RNG k-ε湍流模型结合建立了描述摇瓶液体的流体动力学模型,并利用计算流体力学软件FLUENT和动网格技术对其进行了数值模拟。考察了不同转速和不同装液量条件的摇瓶内液体的流动状态,液相形状变化,液面高度,气液接触面积,液体总表面积的变化。模拟计算结果给出不同操作条件对湍流参数（湍流强度、湍动能、湍动能耗散率）和溶氧传质系数的影响,获得了湍动能耗散率与摇瓶转速和装液量之间的关联式。     

溢流率对导叶式旋流器内速度场的影响

从数值模拟方面入手,利用CFD软件Fluent研究导叶式旋流器内部三维强旋流场.主要对比分析了不同的溢流率对旋流器内速度场的影响.随着溢流率的增大,轴向速度在旋流器中心区域的变化较大,而最大切向速度分布直径不会随溢流率的变化而变化.通过对这些流场特性分析,进一步对溢流率对分离效率的影响提供了参考方法.     

用PIV数据估算槽道内湍流动能耗散率

湍能耗散率的准确获取对工程实际问题和湍流的理论研究都有着重要的意义.但由于湍能耗散率定义的固有复杂性,其测量一直都是一项有相当难度并具有挑战性的工作.运用PIV对水平槽道内湍流流动进行了测量,详细介绍了运用大涡模拟中亚网格（SGS）应力模型估算湍流耗散率的大涡PIV方法,分析了运用该方法估算湍流耗散率的优势.[JP2]将各种不同方法所得到的结果与DNS结果进行了比较,发现运用修正的Smagorinsky[JP]模型所得结果与其符合最好.     

压载水旋流器结构因素对分离性能影响分析

随着全球贸易和船舶运输的发展,压载水对环境的影响越来越大。水力旋流分离设备是压载水净化的重要固液分离设备。本文使用计算流体力学,建立数学模型模拟压载水旋流分离过程,模型包括多相湍流雷诺应力模型RSM、处理气液界面的自由表面多相流动模型VOF、处理固体颗粒运动规律的离散相模型DPM。通过数值模拟计算柱段长度、底流口直径和溢流口直径这几个关键因素对旋流器内部流场和分离效率的影响,获得了各个因素对分离效率的影响规律：柱段长度变化对旋流器分离效率的影响不大;底流口直径对旋流器压力降的影响不明显,但对分流比的作用比较大;溢流管直径的增大有助于降低能耗和增大溢流口流量,但随着溢流管直径的增大,分级粒度变大。这些规律为高效旋流分离净化压载水奠定了基础。     

喷动床内气固两相流动进口旋流效应数值模拟

为了研究喷嘴进口气体旋流效应对喷动床内气固两相流动特性的影响规律,采用数值模拟方法进行研究分析。通过欧拉-欧拉双流体模型和颗粒动力学理论对气固两相流动进行模型处理,分别对常规喷动床及带旋流器喷嘴喷动床进行模拟分析与对比。研究表明:喷嘴进口气体旋流效应显著地强化了喷动床内颗粒的径向运动,能有效消除柱锥区的颗粒堆积现象,扩大了低床层区气体喷射区的影响范围,增加了喷动床内气体的湍动能值,从而提高喷动床内颗粒处理的整体效率。存在最佳η(旋流器内径与外径比值)值,即η为0.526时,旋流气体对喷动床环隙区内颗粒堆积的消除作用及气体湍动能值的提升最为显著,同时旋流器喷动床的总体压降达到了峰值。     

换热管内安装转子的PIV实验

采用粒子图像测速技术(PIV)对安装"洁能芯"转子的换热管及光管进行了实验研究,获得了换热管内速度场及湍动能的分布.实验结果表明:与光管相比,换热管内安装"洁能芯"转子后,流场发生了改变,轴向速度分布由近抛物线形变为近M形分布;径向速度在管中心轴线两侧一个相当大的区域内比光管高出一个数量级,并且出现正负交替变化,即速度方向在不断地改变;作为最能体现"洁能芯"转子强化换热效果的指标,湍动能有了显著的提高,说明了"洁能芯"转子具有很好的强化传热功能.