淹没磨料射流场模拟计算分析

通过对高压磨料射流的多相流模型的研究,数值模拟了淹没磨料射流流场与压力场.指出颗粒相速度分布始终小于水相速度的分布,颗粒相最大滞止压力普遍较水相增加100%以上.分析了淹没磨料射流流场与压力场随泵压、围压的变化规律.指出随着泵压增加,水相速度与颗粒相速度增加幅度相同;随围压的增加,水相速度与颗粒相速度减少幅度一致.     

淹没磨料射流效应实验研究

在前混合磨料射流系统和淹没射流环境下,借助数码摄像测试系统,研究淹没磨料射流中空泡云的形成以及空泡云长度随泵压、围压的变化规律.研究结果表明:在淹没磨料射流中,空化噪音随围压的增加而减少;在低围压阶段,空化噪音衰减明显,淹没磨料射流不出现最大噪音的峰值围压;而随泵压的增加,空化噪音逐渐增加,其变化规律与清水空化射流产生的空化噪音变化规律基本一致;泵压增加,花岗石的冲蚀深度增加,泵压与冲蚀深度呈指数函数分布;围压增加,花岗石的冲蚀深度减少,最优空蚀效应围压为1 MPa.     

定常与脉冲涡旋射流下矩形扩压器流动分离控制研究

为了研究涡旋射流控制流动分离的物理机理,基于大涡模拟方法对涡旋射流控制下的矩形扩压器流场和射流流向涡结构的生成、发展等动力学演化过程进行了数值研究.结果表明:射流产生的流向涡将主流高动量气流带入分离区,增加了边界层内气流流动方向的动量,使流动分离得到了抑制.射流流场的涡结构主要由射流剪切层涡、马蹄涡、尾涡组成,由于速度梯度大小的变化,使得射流剪切层涡系的结构随着时间推移从涡卷演化为涡环.对于脉冲射流,在低频脉冲下,射流产生的流向涡呈涡卷结构,流动控制效果明显.在高频脉冲下,射流剪切层涡演变成间歇涡环结构,流动控制效果减弱.通过对比脉冲频率和占空比对流动控制的影响发现,占空比为0.5、频率为20Hz的脉冲射流具有较好的流动控制效果.     

井底受限射流流场的数值模拟

考虑到深井、超深井中井底围压对射流流场有一定的影响 ,建立了井底受限射流流场的物理模型。采用k ε模型 ,并对模型的主要系数进行了优选 ,用有限元方法对围压条件下井底受限射流的流场进行了数值模拟。给出了高围压条件下射流轴心动压力、径向速度和轴心线上湍流动能等流场参数分布 ,并与零围压条件下淹没自由射流的参数进行了比较 ,得出了高围压条件下受限射流轴心动压力衰减规律的数学模式 ,进一步完善了钻井水力参数设计的理论和方法。     

井底受限射流流场的数值模拟

考虑到深井、超深井中井底围压对射流流场有一定的影响，建立了井底受限射流流场的物理模型。采用κ-ε模型，并对模型的主要系数进行了优选，用有限元方法对围压条件下井底受限射流的流场进行了数值模拟。给出了高围压条件下射流轴心动压力、径向速度和轴心线上湍流动能等流场参数分布，并与零围压条件下淹没自由射流的参数进行了比较，得出了高围压条件下受限射流轴心动压力衰减规律的数学模式，进一步完善了钻井水力参数设计的理论和方法。     

用离散涡方法模拟喷嘴出口射流流场的数值模型

根据流体力学原理,用离散涡方法建立了在复平面上模拟喷嘴出口流场的一套完整模型。在此基础上,用ＦＯＲＴＲＡＮ语言编写了计算机程序,模拟了喷嘴出口流场的速度分布,利用涡元矢量图对计算结果进行了分析,得出了射流在喷嘴出口分离流动及流场中旋涡形成及发展的规律。射流在有锐缘的地方会发生流动分离,形成的剪切边界层逐渐卷起,形成旋涡结构。在喷嘴出口与哨嘴出口处形成的旋涡结构,在势流流场和其它涡元的作用下逐渐向下游运动,并向两边扩散。由于粘性扩散及计算误差的影响,在远喷距处会出现涡旋结构变形     

若干湍流间歇性的射流火焰熄火机理研究

利用数字图像技术和激光层析技术,提出了利用大尺度涡团结构和湍流间歇性来揭示火焰脱火和熄灭现象的新思路,通过对射流浓度场的空间相关性分析发现,在射流内部存在着大惊讶浓度涡团,这些涡团结构在不同的射流高度上的分布和尺度均有自相似性,建立了等温射流混合的简化模型,利用标量浓度场和涡旋动量场来描述由大尺度涡团的运动所造成的射流边界的间歇性,利用这一模型对射流边界的卷吸、燃料与氧化剂的混合,以及这种作用对扩散火焰点火条件的影响进行了解释,对模型与试验中获得的临界熄火现象进行了对比,结果令人满意。     

淹没磨料射流的空蚀能力分析

淹没磨料射流的空蚀能力决定着磨料射流在水下切割能力的强弱.采用高压密闭容器模拟水下环境,利用磨料射流系统、数码摄像系统,实验研究了淹没磨料射流的紊流特性,进行了空蚀能力的理论分析.探讨了淹没磨料射流紊流系数随泵压、围压的变化规律.研究表明,文丘里型空化喷嘴的射流系统中,相同条件下,5 MPa以上淹没磨料射流的空化数较纯水空化射流大,磨料的存在使淹没磨料射流空蚀能力降低.     

巡航状态下泵喷推进潜艇尾部喷流涡特性研究

采用DES(分离涡模型)湍流模型对巡航状态下泵-艇一体化模型进行全流域非定常数值模拟,利用Ω准则识别捕捉不同航速的泵喷尾部流场中的涡结构,研究喷流涡的动力学特性．结果表明：潜艇和泵喷推进器外部绕流与尾部喷流相互作用,产生不同的流场区域,随着航速增加无旋区和流场扩散区范围增加,艇体绕流和尾部喷流以更快的速度产生强耦合作用,并沿着潜艇前进的反方向发展和运动;随着航速增加毂涡变化区间不断增加,剪切层涡的范围和能量及脱落涡的能量也随着航速的增加而增加;旋转周期内,流场中部毂涡和脱落涡相互影响较弱,两种涡沿着叶轮旋转方向做无周期的旋转运动,流场尾部两种涡产生复杂影响,随时间产生无规则变化及运动．     

旋转空化喷嘴结构优化设计及涡旋特性分析

为提升高压水射流破碎开采天然气水合物的效率,优化设计一种旋转空化射流喷嘴。利用计算流体力学方法探究不同叶轮数、叶轮加旋角度、入口速度和出口围压对旋转空化射流特性的影响规律,对比分析旋转空化射流和收缩-扩张型空化射流的流场分布规律、涡旋特性及天然气水合物沉积物的破碎特征。研究结果表明：叶轮加旋角度对旋转空化射流的影响明显比叶轮数的影响大,叶轮数及叶轮加旋角度的优化值分别为3个和360°;在喷嘴结构固定的情况下,提高入口速度能获得空蚀及射流冲蚀能力更强的旋转空化射流,而围压升高则会弱化流场中空化云的初生与发展;旋转空化射流因兼具正向冲击、径向张力及周向剪力和“梭形”空化云特点,较收缩-扩张型空化射流有更优的破岩效果;叶轮旋转效应所产生的中心涡使得旋转空化射流的涡结构更加复杂,流场中更易形成“负压”区以提升射流的空蚀能力。     

可压缩轴对称冲击射流流场的数值模拟

数值模拟一种可压缩轴对称冲击射流。所构造的数值模拟方法是:直接求解柱坐标系下的二维可压缩Navier-Stokes方程的差分离散方程,其中对流项采用基于非等距网格上的五阶精度迎风紧致型差分格式,黏性项采用基于非等距网格上的六阶精度对称紧致型差分格式,时间项采用3步三阶精度Runge-Kutta方法。模拟不同雷诺数、马赫数条件下冲击射流大尺度涡结构的演化过程。结果表明:流体从喷嘴射出后卷起形成一个独立的大尺度负涡,即初生漩涡,它会在壁面处逐渐激发出一个具有正涡量的壁面二次生成涡;初生漩涡和二次生成涡互相旋转挤压,壁面二次生成涡的力量很快占优势,带动初生漩涡向流场内部发展;随马赫数的增大,初生漩涡具有更强的力量,抑制了壁面二次生成涡和其他小尺度负涡的发展;随雷诺数的增大,初生漩涡的力量有所减弱,促进了壁面二次生成涡和其他小尺度负涡的发展。     

Direct numerical simulation of a particle-laden weak-shearing plane jet

Direct numerical simulation (DNS) has been utilized to solve numerically a two-dimensional compressible weak-shearing plane jet, in which the jet exit velocity and the co-flow velocity are in the same magnitude (2∶1 in this paper). We also use the one-way coupling method to simulate the dispersion behaviors of solid particles in various representative sizes, i.e. St=0.01, 1, 10, 100, where St is the Stokes number. We get a vorticity field with fully varicose (symmetrical) modes and the entire precise processes of the rolling-up of one spanwise vortex, the pairing of two vortexes and the mixing of three vortexes. The mean longitudinal velocity (U) profile compares well against the experimental results. The Reynolds stress profile looks special due to the symmetrical vorticity field. The particles whose St=0.01 reproduce the vortex structures in detail, and the ones of St=1 exhibit interesting self-organized behaviors and possess the most non-uniform concentration field. They disperse uniformly around the single and pairing vortex kernels, while a few of them are arranged almost in a straight line in the center region of the paring vortexes, which is caused by the contribution of the border of two vortexes in the pairing process. St=10 and 100 can be treated as large particles, on which the flow field has few impacts.     

基于旋涡强度方法的冲击射流涡结构研究

该文采用旋涡强度方法对冲击射流涡结构进行了深入研究。首先将粒子成像测速技术(P IV)测量得到的原始流场图片进行相应处理得到原始速度场,再利用b ior5.5双正交小波分析得到消除高频噪声的流场结构;然后对此进行涡量和旋涡强度计算,得到相应的涡量场和旋涡强度场。与涡量方法相比,因旋涡强度方法排除了剪切作用的影响,故可以更有效地分析流场中的涡结构。进而得到了冲击射流中的旋涡强度随压比、冲击距离、喷嘴唇厚等参数的变化规律。     

蒸汽喷射制冷系统喷射器工作特性的实验研究

为确定喷射器的工作特性,评估数值模型计算精度,完善喷射泵抽气理论,构建了小型水蒸气喷射制冷实验系统.实验研究了水蒸气喷射泵性能与工作蒸汽压力、被抽蒸汽压力、背压的关系.实验结果表明,随着工作蒸汽压力的上升,被抽蒸汽流量和引射系数均呈先升高,达到最大值后下降的趋势.随着被抽蒸汽压力的升高,被抽蒸汽流量和喷射器引射系数均增加.在一定背压范围内,喷射器引射系数保持不变,当超过临界背压后,引射系数急剧下降.研究结果对于了解喷射泵抽气特性、改进喷射泵结构和性能优化有参考价值.     

带哨嘴喷嘴射流流场的离散涡模拟

采用离散涡方法模拟了两种不同形状哨嘴的喷嘴出口流场旋涡结构和压力分布。模拟结果表明 ,射流在喷嘴出口和哨嘴出口形成的旋涡结构在流场及其他涡元的作用下 ,向下游运动 ,在流场中某个地方形成低压区 ,这有助于诱发空化现象。对两种不同喷嘴的出口流场进行比较发现 ,哨嘴形状对形成的射流流场的旋涡结构有很大影响。因此 ,研究和应用空化射流必须考虑喷嘴出口哨嘴形状的影响     

基于管道改进的蝶阀阀板驱动力矩特性优化

安装在直管中的蝶阀开启时,其阀板下游流场中会产生漩涡,引起管道振动,进而影响阀板的驱动力矩特性。为减少漩涡的影响,本文在蝶阀出口附近处增加一渐扩渐缩管段,并以空气作为流动介质,利用CFD软件进行数值仿真,分析阀板处于不同开度时管道中流体的速度场、压力场分布规律及阀板驱动力矩特性曲线。结果表明,在蝶阀出口附近处安装渐扩渐缩管段,可以有效地减小阀板下游流场的漩涡,使阀板驱动力矩明显减小,有利于对蝶阀阀板开度及流量的精确控制。     

潜艇涡量场和流噪声等效声中心的数值预报

为了实现潜艇湍流噪声及其等效声中心的数值预报,在分析SUBOFF潜艇拖曳和自航状态下涡量场的基础上,采用大涡模拟与声学边界元相结合的方法,在频域内预报了流噪声空间分布、测点谱源级曲线和声指向性,求取了等效声中心位置并分析了其受螺旋桨旋转作用的影响.计算结果表明：附体与艇体结合部马蹄涡和附体端面诱导项链形涡对是潜艇涡量场的主要特征,且马蹄涡系具有较高的强度和稳定性;附体尾涡脱落频率存在19.22Hz的线谱,且在尾涡测点谱曲线中得到明确体现;随着频率增加,流噪声蝶形指向性对应的辐射瓣状区间数随波数增加,且正横方向声压要强于首尾方向;流噪声等效声中心位于距艇艏0.46倍艇长处,在10Hz～1kHz内总声源级为95.09dB;艇艉桨对附体马蹄涡系影响较小,但促使等效声中心迅速移至艇艉.     

循环射流混合槽内油-水两相流复杂动力学特性分析

采用流体力学计算软件ANSYS FLUENT V16.1中的Eulerian-Eulerian多相流模型和剪切应力输运（SST）k-ω湍流模型，对循环射流混合槽内油-水两相流的动力学特性进行研究，分析不同雷诺数Re和不同相含率对多孔射流中心线速度自相似性、涡量和剪切速率的影响。研究发现：在不同Re及分散相相含率条件下，射流方向上连续相水的流动状态满足自相似性；Re=6 346、9 519和12 692时无量纲高度z/H=0.9处的涡量与Re=3 173时相比分别增大118.3%、253.7%和373.4%；轴向、径向和周向位置处涡量等值线图揭示高涡量区域主要集中在射流孔附近，射流中心线两侧存在反向对涡，射流中心线附近涡的相对强度与中心主体混合区域相比高2个数量级；与涡量及Q准则相比，第三代涡判别法Liutex对流场中大尺度涡结构的识别基本相同，对主体混合区域细小涡结构的识别相对更加准确；剪切速率随周向位置的增大呈现先增后减的趋势，在θ=12°处随着Re从3 173增加到12 692，平均剪切速率增大86.2%~257.7%。     

矩形射流中的流向涡分布特性及作用

为研究矩形射流中的流向涡形态及其作用,对矩形射流流动过程进行了三维大涡模拟。计算结果表明在矩形射流的发展区中流向涡才开始逐渐增强,在射流中远场流向涡和展向涡在涡强度、前后涡间距等方面大致相当。与规则匀称的展向涡相比流向涡比较杂乱,在射流的横截面上分布很不均匀,旋向相反的流向涡比邻存在。分析结果表明通过流向涡的旋转运动中心射流和环境流体互相掺混,流体在横截面上不同流向涡之间的游走极大地强化了射流的混合过程。