变角氧枪气体射流数值模拟

采用CFD流体模拟软件Fluent6.3,基于压力的分离隐式求解器,运用k-ε双方程模拟了四孔变角氧枪气体射流流场,分析了不同喷孔倾角下气体射流速度和动压分布规律,并确定了适宜的氧枪操作参数.结果表明,与喷孔倾角均为10.5°的喷头A射流相比,喷孔倾角变化1 °或0.5°情况下,气体射流流场基本相似;在射流方向上,射流速度分布和动压分布规律基本一致,喷头A的枪位控制在1 ～1.6m较为适宜;喷孔倾角变化1 °时,喷头B、C、D和E的枪位分别控制在1 ～1.6m、1～1.7m、1～1.8m和1～1.9m较为适宜;喷孔倾角变化0.5°时,喷头F、G、H和I的枪位分别控制在1 ～1.55 m、1～1.6m、1～1.65 m和1～1.75 m时更适于吹炼操作.     

AOD炉用氧枪射流特性的数值模拟

在AOD转炉炼钢过程中,氧枪射流的行为对7台炼效果起着决定性的作用,研究氧枪射流的特性,可以为优化氧枪喷头和氧枪操作工艺提供理论基础。采用标准,κ-ε双方程模型,分析了喷孔倾角对AOD转炉用氧枪射流特性的影响规律。结果表明,在相同的滞止压力（1．2Mpa）下,喷孔倾角减小,射流沿氧枪轴线方向的速度增大,在距喷孔不同距离横截面上动压的面积加权平均值的衰减速度降低。喷孔倾角增大,射流冲击半径增大。对110tAOD转炉,最优的喷孔倾角为9度到10度之间。     

自推进喷嘴井筒内流场数值模拟

以深穿透水平钻孔自推进喷嘴为模拟对象,根据模型和实测井眼建立流场模型,采用标准k-ε双方程模型,对不同后喷孔布置下的自推进喷嘴井筒内流场进行数值模拟。研究结果表明:井筒内,由于后喷孔射流的抽吸作用,2个相邻射流之间会形成一个漩涡区,该漩涡由其发生位置的不同,可对井底返流形成阻碍或卷吸加速作用;后喷孔射流本身对井底返流有加速携带作用;沿井筒径向,漩涡区速度由井壁向喷嘴处逐渐增大,这将加剧喷嘴和高压软管的冲蚀;将后喷孔由3个均布改为6个均布,改进后喷嘴射流形成的漩涡区面积只为改进前的25%,且漩涡区速度降低最多达6 m/s,充分发挥了射流本身和漩涡区的特点,可有效提高自推进喷嘴流场的携岩效率,延长其使用寿命。     

撞击式射流破碎特性的实验研究

基于自行搭建的撞击式射流系统,采用高速摄影技术,研究了对称射流撞击和非对称撞击射流液膜的破碎特性.分析研究了射流撞击夹角及喷嘴内径对射流撞击破碎的破碎模式和破碎特征(破碎长度、液膜长度、液膜宽度、液膜长宽比)的影响规律.对比研究了3种不同流体——水、甘油、卡波姆凝胶(非牛顿流体)的破碎特性.在实验的韦伯数范围内,喷射模式可分为3种破碎模式,即封闭液膜模式、开边界模式、液线液滴模式;破碎长度随韦伯数的增大,呈先增大后减小的趋势;减小撞击夹角可以减小液膜的长宽比,喷嘴内径的大小不会改变液膜长宽比的值;与对称撞击相比,非对称撞击更能加剧液膜的破碎.     

高温低氧燃烧炉内等温流场特性的数值分析

应用自行开发出的计算程序对高温低氧燃烧模型实验炉进行了三维等温流场的数值模拟·在燃料和空气的射流速度比分别取 3种不同值时 ,预报了炉内 3种典型的等温流场结构 ,分析了炉内多股射流间的相互作用及回流流动等流场特性·模拟结果表明 :在几何参数一定时 ,选择燃料和空气的射流速度比为同一数量级时 ,炉内的回流流动可以实现燃烧所需的低氧气氛 ,燃气射流能够利用这一低氧气氛实现高温低氧燃烧·数值预报结果与相关的实验观测基本符合·     

超音流中菱形口射流及相互作用激波结构

基于在不同射流角(10°,27.5°,45°,90°)和动量比下(0.1 MPa,0.46 MPa)对音速次膨胀射流通过菱形口喷射到马赫5横穿主流的实验及圆形射流器的对比实验,研究了次膨胀射流与超音横穿主流相互作用流场.结果表明在低射流角和动压比下相互作用激波保持附着,脱体激波产生lambda激波,lambda激波出现于高射流角、动压比下和圆形喷射器情况.射流外边界高度在射流进入主流过程中不断增加,而且在大射流角下较大.由于侧向扩展,羽流变窄,但圆形喷射器无此变化,接近喷射口的紊流卷吸结构大小随入射角增大,穿透量随喷射角和动压比的增加而增大,在近场圆形喷射器的穿透量超过菱形喷射器,但菱形喷射器的下游穿透量会超过圆形喷射器.     

微小孔径旋转冲击射流换热特性的数值模拟

采用数值模拟方法模拟了旋转冲击射流的换热过程,分析了换热过程中喷射孔径、喷射间距、旋转角速度以及流场分布特性对冲击射流换热的表面传热系数与平均换热效果的影响.结果表明:相同雷诺数下,3 mm孔径射流的平均换热效果比6 mm孔径的强;大孔径射流时的平均传热系数受角速度的影响要比小孔径时大;角速度的增加使换热板上的最大换热系数减小且由驻点向外偏移;旋转使板上的换热更加均匀,表现为角速度越高,平均表面传热系数曲线越平坦.     

组合机匣处理对跨音压气机流动特性的影响

针对当前单一流动控制技术在压气机优化方面存在影响范围不大、性能提升有限的不足,提出了一种轴向倾斜缝和抽吸槽相结合的组合机匣处理结构,采用定常数值模拟研究了两种流动控制技术的结合对跨音压气机流场特性及性能的影响。模拟结果表明:应用该组合机匣处理结构后,转子在峰值效率下降2.5%的前提下使失速裕度提高了5.52%,明显改善了转子的性能;组合机匣处理除了能同时改善叶顶和端壁的流动之外,两种结构的复合影响使激波强度降低、流体分离减弱,低速范围明显减小;尽管两种结构的相互作用能为低能流体提供能量,但射流与主流流动发生的掺混带来了一定的掺混损失,增加了主流的切向动量及二次流损失,引起转子效率降低。     

横流中单喷嘴雾化形态与两相掺混特性研究

搭建了冷态横流-喷雾掺混实验台,采用粒子图像速度仪测量了方腔通道内离心喷雾在横流中的雾化形态和气液两相相互作用下的掺混过程,获得了沿掺混流场不同横截面的液滴分布图像和流场结构特性.对不同喷嘴压力、不同雾化粒径在不同横流速度下的掺混过程和流场结构进行了系统的研究,分析了对称旋涡对结构形成的因为、结构特点及影响参数,得到了单喷嘴布置下横流-喷雾系统的掺混规律.结果表明,液气动量比是影响掺混的重要因素,选择合适的液气动量比能取得较好的掺混效果.实验结果为揭示水冲压发动机掺混室内的掺混过程提供了参考,也为工程中类似过程的掺混结构设计提供了依据,同时为进一步研究高温高压下实际发动机掺混室内部的掺混过程奠定了基础.     

动水环境中射流喷角对射流特性影响数值模拟

在应力代数模型基础上引入密度状态方程建立了变密度的各向异性湍浮力射流模型,并给出了浮力系数的简单计算式.对存在密度差的射流进行了数值计算,所得轨迹线与实验结果吻合良好.应用有限体积法对流动环境中不同喷角二维立面射流流场特性进行了数值分析,对涡心及分离点位置与喷角关系的结果分析表明喷角为90°时回流区域最大.提出了面积湍动能kA概念,以此分析了流体间的掺混强度与喷角间的关系,结果表明喷角为90°时最有利于射流水体与环境水体间的掺混.     

射流泵喷嘴收缩角的取值

为了研究喷嘴收缩角对射流泵性能的影响,采用数值计算和试验研究相结合的方法,对浙江某公司生产的XDPm255A型射流泵进行了研究.根据Fluent的数值模拟结果,在射流泵不同面积比下,分析不同的喷嘴收缩角对射流泵内部流场以及外特性的影响.通过数据拟合,进一步得到面积比在2.01~5.06时射流泵喷嘴收缩角在高效区取值的拟合趋势线,并对其进行试验验证.结果表明:当射流泵的面积比一定时,对应不同的喷嘴收缩角均存在1个最优流量比,其可使射流泵的效率达到最高;当面积比增大时,最优流量比也随之增大;射流泵高效区喷嘴收缩角取值拟合趋势线是可靠的.     

喷管入口气温影响下的射流流场及声场特性

为了研究亚声速喷管入口气温对射流流场及声场的影响,建立了亚声速喷管计算模型,在与实验及模拟数据对比验证的基础上,分别计算了不同喷管入口气温作用下的喷管外流场和远场噪声,探究了喷管入口气温改变时喷管出口射流速度沿轴向及径向的分布规律以及喷管出口轴线上射流温度的变化特性,同时也分析了喷管入口气温对射流流场发展和远场噪声的影响。研究结果表明:射流温度增加会较为显著地缩短势流核心区域长度,势流核心区域宽度会有少许降低;射流轴线上的静温和总温在喷管后一定距离存在一个温度上升过程,各工况静温最高处比总温最高处有延后,且射流温度越高,温度开始上升位置越接近喷管出口;温度的升高对不同频率噪声影响有很大差别,降低工质入口温度有利于降噪。该研究内容为进一步探究射流噪声形成机制打下基础,同时也可为喷流噪声的控制提供新的思路。     

乙烯燃料超燃燃烧室燃烧流动过程的数值模拟

采用壁面燃料喷射并结合凹槽结构作为火焰稳定机制是超燃冲压发动机燃烧室设计的理想方案。利用非定常方法研究了带凹槽的超燃冲压发动机壁面横向喷射乙烯燃料的火焰稳定过程,分析了不同当量比下的火焰稳定机制。结果表明：在燃烧室入口马赫数2、总温950 K、总压0.82 MPa条件下,冷流流场达到稳定所需时间约为9 ms;当凹槽台阶下游喷注当量比为0.1时,火焰稳定模式为燃料尾迹与凹槽共同形成的回流区稳定模式;当凹槽台阶下游喷注当量比为0.3时,火焰稳定模式为完全处于凹槽回流区稳定模式;当凹槽上游壁面喷注当量比为0.1时,火焰稳定模式为凹槽回流区稳焰模式;当凹槽上游壁面喷注当量比为0.3时,火焰稳定模式为射流回流区和凹槽回流区稳焰模式。     

生物柴油微观喷雾的灰色关联分析

为探究影响生物柴油雾化性能的主次因素,对B100(棕榈油生物柴油)、N10(生物柴油的体积分数为90%,正丁醇的体积分数为10%)和N20(生物柴油的体积分数为80%,正丁醇的体积分数为20%)的雾化特性进行了试验研究。采用定容弹高速摄影与多普勒粒子分析仪测量系统研究了3种燃油在不同喷孔直径、喷油压力及背压下的微观雾化特性,分析了雾化油滴的轴向速度和索特平均直径DSMD的变化趋势,并在此基础上通过灰色关联理论,计算得到了正丁醇掺混比、喷孔直径、喷油压力及背压对生物柴油DSMD的影响程度。结果表明:随着正丁醇掺混比的增加,雾化油滴的轴向速度与DSMD都有所减小,B100的DSMD从轴向长度5mm处的106.74μm降低到轴向长度70mm处的57.98μm;随喷孔直径和背压减小、喷射压力增大,3种生物柴油的DSMD均呈下降趋势,雾化质量得到改善。通过DSMD的灰色关联计算,得到正丁醇掺混比、喷孔直径、喷射压力和背压与DSMD之间的关联度分别为0.507 2、0.755 8、0.607 7和0.789 5,说明背压对DSMD的影响最大,喷孔直径与喷射压力次之,正丁醇掺混比对DSMD的影响最小。     

双股高速燃气射流在液体中扩展及相互作用的实验研究

设计了多级渐扩形和矩形观察室,借助高速录像系统研究了双股高速燃气流喷入液体中的扩展及相互作用过程.探讨了喷孔直径、喷孔间距、喷射气压等参数变化对射流扩展形态的影响.结果表明:渐扩结构中较大的渐扩尺寸比能抑制射流扩展过程中的不稳定性;喷射压力越大,射流轴向扩展速度越大,射流的不稳定性越强;和矩形结构相比,同样的工况下,渐扩结构射流轴向速度较小,径向速度较大.     

GDI喷油器高温汽油的近场射流特性

基于高温汽油喷射平台,利用米氏散射技术和近场摄影方法,研究不同喷射压力和燃油温度下汽油在GDI喷油器中的近场射流特性。研究结果表明:随着燃油温度升高,喷嘴出口处的燃油射流向外膨胀,射流中段向内塌缩。当燃油温度达到一定数值后,在喷孔附近的射流出现马赫盘现象;在相同喷射压力下,汽油射流膨胀角在低温区基本与常温射流锥角保持不变,进入中温区后快速增大,到高温区逐渐趋于平缓;马赫盘大小随着燃油温度的升高而增加,马赫盘位置受燃油温度的影响不明显;在相同燃油温度下,射流膨胀角、马赫盘大小和马赫盘位置均随着喷射压力的提高而增加;高温汽油射流的油滴粒径比常温汽油射流的更小。     

多孔孔板流量计流场仿真

为准确计算多孔孔板流量计流场,采用Standard k-ω模型、SST(剪切应力传输)k-ω模型、Standard k-ω+SST k-ω(Standard k-ω模型的计算结果作为SST k-ω模型仿真计算的初始值)组合模式分别对100,mm口径、节流比为0.6的3种结构多孔孔板流量计流场进行数值计算,并结合射流理论以及实流实验结果对数值计算结果进行分析.结果表明:对于中心节流孔与环形排列孔之间距离较小的多孔孔板,SST k-ω模型收敛性较好;反之,SST k-ω模型计算结果收敛困难,Standard k-ω+SST k-ω组合模式在保证计算精度的前提下改善了收敛效果.相对于Standard k-ω模型,SST k-ω模型更适合计算多孔孔板流量计的流场,计算结果符合射流理论,能反映出不同多孔孔板流出系数线性度的差异,与实流实验结果的最大误差为4.2%.     

热污水表面侧排的近区特性

为了正确预测热污水排放在受纳水域的掺混扩散规律,采用考虑浮力的雷诺应力紊流模型（RSM）对不同排放口长宽比的情况进行了三维紊流数值模拟,应用颗粒成像系统（PIV）和红外热像仪系统测得的热污水表面横向侧排试验流场和温度场作为验证．计算结果和试验结果吻合较好,表明所采用的三维紊流数学模型具有较高的精度．排放口长宽比对热污水表面侧排近区特性有较大的影响,并且扩散宽度和排放口的长宽比具有良好的相关关系．     

井底漫流场数值模拟研究

理论研究、台架实验和现场经验表明:井底流场的特性与钻井效率、钻井安全、钻头寿命等有着密切的关系。而喷嘴几何形状、喷嘴布置方式是决定井底漫流场是否合理的关键因素。为了发展有预见性的定量化井底流场研究技术,应用势流理论对井底漫流场进行了数值模拟。模拟结果与台架实验对比表明,井底漫流场数值,模拟能比较客观的反映不同喷嘴组合、不同侧倾角、不同后倾角条件下几股射流的相互作用情况,可为评价井底流场的优劣、钻井效率的高低提供一定的理论依据。     

锥型喷嘴组合射流特性试验研究

对锥型喷嘴组合射流特性进行了实验研究。组合喷嘴射流由初始段、基本段、过渡段和均匀混合段四部分组成。在射流的初始段中,每个喷嘴射流都存在等速核区。在基本段中,每个喷嘴射流的速度分布均有相似性,但其规律彼此不同,文中给出了各自的数学表达式。在过渡段中,各射流之间相互干扰、掺混十分显著,速度分布无相似性。在均匀混合段中,各射流混合的结果变为单一射流,又出现了相似性,本文也给出了其速度分布规律的数学表达式。研究得到的一些规律对进一步研究复杂射流和石油钻井工程中的喷射钻井机理有重要作用。