引射器关键结构参数优化设计及验证

引射器的性能受几何尺寸影响,相关设计方法给出的结果差异较大,存在设计点偏离严重的问题.针对小膨胀比煤层气气井引射需要,利用基于气体动力学理论的索科洛夫经验公式对引射器进行初步设计,并通过CFD方法对其关键结构尺寸进行数值优化,得到关键结构参数如喷嘴间距、混合室直径、混合室长度及扩压室长度等对引射器性能的影响规律.对比分析理论设计和模拟优化得到的引射器几何尺寸,发现CFD方法优化后的引射器等熵效率较理论设计高出13%左右,并通过实验验证引射器在偏离设计工况时,等熵效率急剧降低,表明数值模拟设计的引射器效率最高,在工程上为偏离设计工况的引射器设计提供了参考.     

可调式引射器内流动的数值计算

在对可调式引射器结构和流动特点进行分析的基础上,建立了其内部流动的数学模型.给出了可调式引射器工作流体和引射流体入口、引射器出口的边界条件以及初始条件,并进行了相应的数值处理.用PHOENICS软件对可调式引射器内部流动进行了数值模拟,得出了可调式引射器内部流场分布、不同截面比下从喷嘴出口到扩散室出口之间轴线上的压力分布、引射比随喷嘴截面积变化的曲线,数值计算结果与理论结果较为吻合.     

用于基因疫苗接种的气动式基因枪

为解决现有各种基因枪在微弹制备方面存在的问题并减小冲击波影响,提出一种基因枪结构。将裹着基因疫苗的微弹吸附在不锈钢网上,并将不锈钢网放置在加速通道中加速微弹。在数值模拟的基础上,研制了实验装置,测试了装置的性能,并利用该装置将pEGFG质粒导入H e la细胞。实验结果表明:这种结构的基因枪在0.3M Pa的气压下就可以把微弹加速到300m/s以上,且微弹在靶面分布均匀;射入H e la细胞的pEGFG质粒也得到了表达,能满足基因疫苗接种的要求。     

质子交换膜燃料电池系统引射器的氢气循环特性

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)低、中、高三种典型工况,采用索科洛夫方法进行了氢气循环引射器主要结构尺寸的设计并建立了相应流体动力学模型.定义了测试用循环工况并进行了CFD模拟仿真,基于仿真数据进行了引射器工作特性曲线图的二维三次样条插值拟合及负载电流下各工作流约束压力值的计算.搭建了引射器循环工况Simulink仿真模型进行相应的仿真分析,据此提出了两级引射器阳极循环系统方案.仿真结果表明,两级引射器阳极循环系统可以满足PEMFC燃料电池0~300A全负载范围的工作需求,且具有较好的引射特性.     

120kW级燃料电池可变喉口引射器的设计及特性

引射器是质子交换膜燃料电池氢气循环系统中的关键部件，依靠超音速流动的射流工质实现阳极排气的再循环。传统的固定结构引射器通常针对电堆额定工况设计，工作在非设计工况时性能较差；而可变喉口引射器可以动态地改变其喉口大小，有效扩大其工作范围。基于Sokolov设计理论，搭建了引射器的一维模型并探究了其工作特性，在此基础上提出了一种可变喉口引射器的设计方法。研究结果表明，引射器的工作特性主要受其操作压力、喉口直径和混合室直径影响；通过缩小喉口、提高工作流体压力可以使工作喷嘴保持临界状态，这对大负载下的引射性能影响较小，但能够有效提高电堆小负载下的引射比，并使引射器的工作范围向小负载扩展。     

风室压力损失对引射器流动的影响

实验测量了存在风室压损时引射器引射的二次流流量和风室压损；将测量的风室压损作为数值边界条件，利用有限体积法对存在风室压损时的引射器流动进行了三维数值模拟，并将数值和实验的二次流流量进行了对比，在此基础上，对实际运行情况下不存在风室压损时的引射器三维流动进行了数值模拟，并同存在风室压损时的流动进行了对比．结果表明，数值模拟结果与实验结果吻合较好，最大误差不超过4％，说明数值算法是合理可行的；压力损失使引射器的流动和引射流量等发生了较大变化，并且使测量的引射流量大大低于无压损时的情况。     

重载车辆排气引射抽尘器设计

利用发动机废气能量的通风散热除尘技术,考虑到动力舱空间限制的制约,为某型重载车辆优选设计了一种排气抽尘引射器.利用流体动力学数值仿真技术进行数值模拟计算,探讨引射器结构对引射系数的影响,得到了关键结构参数对引射系数的影响规律.据此,改进设计出5种排气引射器型式,使其引射性能得以改善;考虑到紧凑性、轻量化的设计要求,在满足通风散热要求的前提下,给出针对混合室工作段长度参量不同的设计方案的对比结果:混合室工作段长度在125mm附近时,引射器可达到最优引射效果.     

陶瓷过滤器脉冲反吹系统内流场的数值模拟

将陶瓷过滤器滤管内流场简化为二维轴对称、可压缩、非稳态湍流流场 ,采用贴体网格和计算流体力学方法对脉冲反吹系统内流场进行了数值模拟。模拟结果表明 ,在脉冲反吹过程中 ,引射空间和滤管内、外流场均为非稳态流场。在气体引射过程中 ,喷吹气流与被引射气流的相互作用不断变化。在初始阶段 ,由于喷吹气体速度较小 ,引射器入口区域存在二次引射现象。随着喷吹气体速度的增大 ,引射气量也逐渐增加 ;当脉冲反吹过程临近结束时 ,管内气体首先在引射器入口外侧的集气室内流动 ,随后逐渐扩展到引射器内部区域。     

陶瓷过滤器脉冲反吹系统内流场的数值模拟

将陶瓷过滤器滤管内流场简化为二维轴对称、可压缩、非稳态湍流流场，采用贴体网格和计算流体力学方法对脉冲反吹系统内流场进行了数值模拟。模拟结果表明，在脉冲反吹过程中，引射空间和滤管内、外流场均为非稳态流场。在气体引射过程中，喷吹气流与被引射气流的相互作用不断变化。在初始阶段，由于喷吹气体速度较小，引射器入口区域存在二次引射现象。随着喷吹气体速度的增大，引射气量也逐渐增加；当脉冲反吹过程临近结束时，管内气体首先在引射器入口外侧的集气室内流动，随后逐渐扩展到引射器内部区域。     

平头弹超音速尾流对飘带伞气动特性的影响

提出了一种用于超音速抛撒平头子弹药的飘带伞结构的新型超音速伞,研究弹体超音速尾流对伞气动特性的影响.在风洞试验结果验证的基础上,通过建立多套分块结构化网格模型,采用有限体积法和SST湍流模型对单独弹和伞弹分别进行超音速数值模拟,用数值纹影法显示弹体尾流场并进行了分析,得到了平头弹超音速尾流对飘带伞气动特性影响的变化规律.结果表明,弹体尾流对伞气动特性的影响随马赫数的增加而变大,随弹伞间距与弹径比和伞弹径比的增加而变小,随飘带宽度与弹径比的增加先基本保持不变后变大.     

变截面通道内超音速两相流极限升压能力研究

根据质量、动量、能量守恒方程建立了变截面通道内超音速汽液两相流升压装置的极限升压能力计算数学模型．计算及研究表明：极限升压能力随变截面混合腔喉部直径、被升压的低压水流量和蒸汽喷嘴压比增加而降低，随环形水喷嘴间隙的变化出现了最小值；计算得出变截面超音速汽液两相流装置的极限升压能力可达26；在设计升压装置时应尽可能选取较大的蒸汽喷嘴压比和较小的环形水喷嘴间隙。同时给出了变截面混合腔喉部直径的设计原则。研究结果对变截面通道内超音速汽液两相流升压技术的应用有重要意义。     

在收缩-扩张喷嘴中气粉流的理论研究

考虑粉粒体积分率对气粉两相流的影响建立了收缩-扩张喷嘴中气粉流的数学模型,这一模型由九个未知量U_p,T_p,U-g,T_g,α,P,ρ_g,M和A的一阶常微分方程组,以及相应的入口边界条件所构成。数值计算表明,在亚声速区中粉粒速度和气体速度的变化与粉气比无关,在超声速区中粉粒速度和气体速度均随粉气比的增大而减小;粉粒终速随粉粒粒径的减小而增大。     

超声速旋流分离器内气液两相流流动特性

采用考虑颗粒碰撞的欧拉-拉格朗日数值方法对超声速旋流分离器内部复杂的气液两相流场进行数值计算。在数值模拟中,采用RNG k-ε模型模拟气相流动,采用离散相模型(DPM)追踪颗粒运动轨迹。以湿空气为介质,测量超声速分离器的轴向压力并与数值模拟结果进行对比。结果表明:数值模拟结果和测量值较为一致;气体进入超声速喷管后发生膨胀形成低温(-70℃),使天然气中的水凝结为液滴,同时气体经旋流叶片产生旋流,经中心体的收缩形成较大的离心加速度(300000 g);在巨大的离心场作用下极少部分液相颗粒随气相从扩压器流出,大部分液相颗粒与旋流分离段壁面碰撞被吸附或直接进入积液槽空间被排出,达到气液分离的目的。     

超声环流技术粗提中草药及超声提取动力学研究

针对传统超声破碎提取法超声波利用率低和难于工程放大等问题,设计了一种频率可变、提取温度可控的超声环流反应器,并分别利用超声法和超声环流法提取陈皮中的黄酮类物质,通过对比两种方法的提取率,对影响提取效果的主要因素进行分析.同时,基于Fick第一定律建立了超声提取中草药的动力学方程,并利用超声提取陈皮实验对所建立的动力学方程进行验证.实验结果表明：理论值与实验值在提取初期符合较好,但在实验后期,二者出现较大偏差.造成这种现象的原因可能是长时间的超声作用导致黄酮发生降解以及被提取物中杂质含量增加.     

A new compressibility modification <Emphasis Type="Italic">k</Emphasis>-ε turbulence model with shock unsteadiness effect

A new compressibility modification k-ε model, including shock unsteadiness effect and the previous compressibility modification of pressure dilatation and dilatational dissipation rate, was developed with a simple formulation for numerical simulation in supersonic complex turbulent flows. The shock unsteadiness effect was modeled by inhibiting turbulent kinetic energy production in the governing equations of turbulent kinetic energy and the turbulent kinetic energy dissipation rate. Sarkar＇s correction models were employed accounting for the dilatational compressibility effects in the new model. Two types of flows, the free supersonic mixing layers and complex supersonic flow with transverse injection were simulated with different flow conditions. Comparisons with experimental data of the free supersonic mixing layers showed that the new compressibility modification k-ε model significantly inhibited the excessive growth of turbulent kinetic energy and improved predictions. On the supersonic mixing layer flows, prediction results with the new model were in close agreement with experimental data, accurately predicting the decreasing trend of the mixing layer spreading rate with the increase of the convective Mach number. Due to the complicated flow field with flow separation, shock unsteadi- ness modification inhibited excessive growth of the turbulent kinetic energy in shock regions and wider shock regions are predicted, thereby significantly improving results of the flow with a strong separation forecast. The flow separation was stronger, which was the primary modification effect of the new model. Predictions accord with experimental results even in strong separation flows.     

考虑固体颗粒的自由喷流噪声的数值研究

研究固体颗粒对喷流流场和声场的影响.选取6种不同的湍流模型，对自由喷流进行稳态计算分析，对比发现RNG k-ε模型最适合用于稳态喷流数值模拟；采用LES模型计算喷流的非稳态结果，并结合FW-H方程进行了喷流声场分析，与试验数据进行对比，验证了数值模型的正确性；在此模型的基础上，添加固体颗粒研究其对自由喷流流场和声场的影响，仿真结果表明固体颗粒的存在减小了喷流流场的超音速段长度，显著提高了喷流温度；增大了喷流下游区域噪声，减小了中上游区域噪声.      

Aero-optical aberration measuring method based on NPLS and its application

The existing methods for measuring aero-optical aberration suffer from several problems, such as low spatiotemporal resolution, sensitivity to environment, and integral effects. A new method for measuring aero-optical aberration of supersonic flow is proposed. Based on the self-developed measuring method of supersonic density field, the wavefront aberration induced by a cross-section of supersonic flow field could be measured by ray-tracing. Compared with other methods, the present one has three significant innovations: (1) high spatiotemporal resolution. Its time resolution is 6 ns, and the spatial resolution can reach up to micrometers; (2) it can avoid the integral effects and study the wavefront aberration induced by the flow field of interest locally; (3) it can also avoid the influence from the test section wall boundary layers and environmental disturbances. The present method was applied to supersonic flow around an optical bow cap. The results of high spatiotemporal resolution reveal fine wavefront structures, and show that shock waves, expansion waves and turbulent boundary layers have different impacts on the wavefront aberration.     

总压管在超音速流场测量中的影响

总压管提供了一种简便快捷的测量流体平均流场的方法 ,分析其在超音速测量中的影响具有重要意义。从二维轴对称的 N- S方程出发 ,利用二阶精度有限体积法和 S- A湍流模型对喷嘴的超声速自由射流流场以及在其不同位置处加入总压管后的流场进行了数值模拟对比实验 ,模拟结果显示了总压管对超音速流场结构的影响 ,并得到了利用总压管测量超音速自由射流流场结构时 ,在一定区域内误差较小 ,但在超音速向亚声速过渡的区域内误差却较大的结论     

不同飞行高度下超声速来流/射流及其相互作用的数值模拟

采用高精度格式求解二维Navier-Stokes方程, 研究了不同飞行高度下超声速来流和射流在后台阶相互作用的流场基本结构. 时间推进采用三阶精度Runge-Kutta格式, 分别应用五阶精度加权本质无振荡(weighted essentially non-oscillatory, WENO)格式、六阶精度中心差分格式来离散对流项和粘性项, 并应用MPI非阻塞式实现并行化. 采用两步后台阶模型分别研究了不同高度下超声速后台阶流动、 射流的基本结构特征; 并进一步组合两种流动, 研究了超声速来流/射流组合流动下相互作用的流场结构. 通过改变后台阶上方来流条件, 模拟了不同飞行高度的环境, 研究了其对流场中涡、剪切层、激波等结构的影响. 研究结果发现, 超声速来流和射流发生相互作用后, 在后台阶附近产生回流区, 超声速来流的存在会对射流的流场结构产生影响.     

基函数法在黏性可压缩流动中的研究与应用

研究基函数法在二维和三维轴对称情形下可压缩黏性流动中的应用, 并利用此法数值地计算了二维圆柱的超音速黏性绕流和三维球头的轴对称超音速黏性绕流两个算例。取一阶三角函数为基函数, 构造出导数的中心格式和迎风格式。对于可压缩N-S 方程中的对流项, 采用通量分裂法及中心格式与迎风格式相结合的技术;对于可压缩N-S方程中的黏性项, 则采用中心格式进行处理。由此, 构造出了数值求解黏性可压缩流动的一阶三角函数类型的基函数格式。两个算例的数值计算结果表明, 基函数法不仅在处理无黏可压缩流动时, 是一种高精度、高分辨率的新型计算方法, 而且在处理黏性可压缩流动问题时也一样行之有效。