高密度弗劳德数热浮力射流特性实验

为研究潜艇热尾流的浮升规律与水面特征,将潜艇冷却水排放形成的热尾流等效简化为水平圆形热浮力射流,在高弗劳德数条件下,采用给定的射流出口速度和不同的射流管径与射流温差组合条件进行系列实验.结果表明:当管径相同时,热浮力射流到达水面时的水平运动距离随密度弗劳德数增加而增大;同时,采用特征参数进行无量纲化处理后,各工况下的浮升轨迹中心线归一于同一曲线;热射流浮升引起的水面温升峰值出现在中心轨迹线与水面的交界位置,射流开始后温升峰值先随时间增大,达到最大值后趋于稳定;通过拟合分析,得到了最小稀释度与密度弗劳德数及射流淹没度的函数关系.     

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.     

淹没状态下超高压磨料水射流切割实验研究

利用水射流切割实验系统,在80-240MPa压力范围内对完全淹没状态下磨料水射流切割岩石的性能进行了实验研究．通过实验及数据分析得出了磨料粒径、质量流量、射流压力、靶距及切割横移速度等参数对射流切割性能的影响规律．结果表明,在实验给出的工况条件下,磨料流量存在最佳值,在一定范围内切割深度随磨料流量的增加而增加,当磨料流量达到一定值后,切割深度随流量的增加反而下降;切割深度与射流压力基本呈线性增长关系;随着靶距的增大,切割深度逐渐减小;切割深度随切割速度的增加呈指数衰减趋势．     

淹没状态下超高压磨料水射流切割实验研究

利用水射流切割实验系统,在80～240 MPa压力范围内对完全淹没状态下磨料水射流切割岩石的性能进行了实验研究.通过实验及数据分析,得出了磨料粒径和质量流量、射流压力、靶距、切割横移速度等参数对射流切割性能的影响规律.结果表明,在实验给出的工况条件下,磨料流量存在最佳值,在一定范围内切割深度随磨料流量增加而增加,当磨料流量达到一定值后,切割深度随流量增加反而下降;切割深度与射流压力基本呈线性增长关系;随着靶距的增大,切割深度逐渐减小;切割深度随切割速度的增加呈指数衰减趋势.     

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.     

侧吹气流流动特性实验研究

通过搭建侧吹模型实验装置,对侧吹气流流动特性进行实验研究。利用高速摄影仪记录气体侧吹流动过程,并运用MATLAB图像处理方法对实验所得气流流动特性参数等实现自动批量处理。研究结果表明:气泡脱离频率与修正弗劳德数Fr’呈非线性减小关系,与液体黏度υ呈非线性增加关系;量纲一气体穿透深度H/D随修正弗劳德数Fr’呈非线性增加趋势,而与喷管直径D、液体黏度υ呈非线性减小趋势。     

基于ALE算法的水射流破土特性

为探究水射流破土过程中射流参数对破土特性的影响,通过ALE流固耦合算法建立了淹没状态下水射流破土的数值模型,开展水射流破土的室内试验验证了数值计算结果的准确性。基于数值模型分析不同射流速度和靶距下冲蚀深度与体积的变化特征,探讨射流参数对破土特性的影响机制。研究结果表明：水射流破土形成的冲蚀深度随着射流速度的增大而逐渐变大,且随着射流时间的增加会呈现线性增长、缓慢稳定增长和稳定三个阶段;靶距越大冲蚀深度越小,但冲蚀体积受射流速度的影响较大,在低速时冲蚀体积随靶距的减小而增大,而在高速时冲蚀体积则会先减小后增大再减小;基于试验结果分析敏感性可知射流速度对冲蚀深度与体积的影响程度要大于靶距。     

二维垂向淹没射流冲刷粗砂砂床的数值模拟

采用泥沙冲刷模型对二维淹没射流冲刷无黏性砂床作了数值模拟,冲刷时间为10 s。湍流模型选用RNGk-ε模型,它对于低强度湍流和具有强烈剪切区域的流动应用更加广泛。数值计算结果和实验结果吻合比较良好。数值模拟结果和实验结果都表明:当冲刷时间相同时,射流速度越大,冲刷深度越大;当射流速度一定时,最大冲坑深度和冲刷时间呈对数关系。     

轴对称紊流射流流场数值模拟

选取标准的Ｋ－ε二方程模型及优选的紊流模型系数，运用有限差分方法对淹没轴对称紊流射流流场进行数值计算．计算结果表明，射流轴心速度是逐渐衰减的，其衰减规律和射流出口雷诺数无关，无因次等速核长度（Ｌ／Ｄ）约为４～５，和实验数据符合较好．对射流径向速度Ｖ沿径向截面的分布及射流基本段内轴向速度分布的相似住进行了预测．     

环境温度对转炉顶吹氧枪射流特性的影响

联合标准的k-ω湍流模型和雷诺平均的N-S方程,建立了转炉多喷孔氧枪超音速射流可压缩、非等温过程的三维CFD模型,模型的有效性通过实验进行了验证.考察了温度对气体分子黏度的影响,研究了不同温度场下射流动力学特性.结果表明:环境温度对射流速度、密度及温度分布有较大影响,环境温度越高,射流密度越小,速度衰减越慢,速度越大,并且射流径向扩张越厉害;温度越低,射流越易于聚并.随着射流的轴向流动,温度场对射流动压的影响逐渐减小,即射流对熔池的冲击力受环境温度影响减弱,但冲击面积随温度的提高而增大.     

水平圆形浮力射流稳定性及混合特性研究

在对静止环境中有限水深水平圆形热浮力射流进行数值计算的基础上,对不同射流和环境条件下的两种流动类型:热水以浮力表面层形式向下游扩散的稳定排放和浮力热水与环境水体发生二次挟带的非稳定排放的判据进行了验证,并对流动的稀释度特性进行了研究.认为在稳定排放条件下,浮力热水在近区快速地被稀释,近区局部水温较高;而非稳定排放条件下,近区局部水温较低,浮力热水向下游的影响范围较广;给出了稳定和非稳定排放下的表面最小稀释度公式;最后拟合出了表面碰撞区中心点位置的公式,为流动区域划分提供了量化依据.     

海底管线溢油数学模型研究

基于Lagrangian积分技术,推广了海底管线溢油数学模型,在模型中首次考虑了溢油的乳化,同时还考虑了剪切卷吸和对流卷吸以及溢油的扩散和溶解.该模型不但能够模拟不分层或分层环境中的水下溢油轨迹,而且还可以在改变水流流速的环境下模拟.讨论了不同Froude数、分层数以及溢油速度和水流速度比下的溢油轨迹和浓度值,通过多次数值模拟发现在改变小孔直径大小而保持Froude数以及溢油初速度和水流流速比不变的情况下,溢油的轨迹变化很小,且溶解总量和乳化总量都很小.将数值模拟结果与实验值进行对比,获得了令人满意的数值结果,说明该模型具有较高的准确性和可靠性,能够反映出海底管线溢油的扩散及上升轨迹.     

大空间浮射流流动规律的数值分析及实验验证

利用PHOENICS程序对大空间中的四环动量射流和圆环浮射流（通称四环射流或环形射流）的速度和温度分布规律进行了详细的数值分析，并用实验进行了验证，数值计算结果和实验结果基本上相同．     

各向异性湍浮力模型在潮流底部排放计算中的应用

为预测湍浮力射流的流速及浓度分布,确认湍浮力流动的应力由应变和浮力作用引起,从而将非线性应力模型和由平衡近似得到的浮力模型组合,建立了非线性各向异性湍浮力模型。该模型避免了数值奇异。应用于潮流底部排放的湍浮力射流模拟,其数值结果合理,并表明该模型能预测浮力在潮流底部排污中的重要影响。     

水电站进水口漩涡缩尺效应

前人对进水口漩涡进行了大量的试验研究,但关于进水口漩涡试验的缩尺效应尚无统一的观点．笔者针对侧式进水口漩涡进行了一系列模型试验研究．结果表明,按弗劳德准则设计的模型,当模型进水口处的雷诺数RP≥3．4×10^4时,表面张力对漩涡无明显影响,可不考虑缩尺效应．当雷诺数不能满足该要求时,可以采取增大流量的办法消除缩尺效应,而增大的流量的倍数与模型进水口的淹没水深和模型比尺有关．     

不同雨强下土壤大孔隙对坡面流水动力学参数的影响

以室内试验槽为平台,利用人工模拟降雨试验,定量分析了坡度为5°时,在30mm/h,60mm/h和120mm/h降雨强度下,有大孔隙试验槽和无大孔隙试验槽坡面流的水动力学参数的异同点.结果表明,各场次降雨的两坡面流的流态均为层流,除降雨强度为30mm/h时,无大孔隙坡面的坡面流为急流外,其他场次的水流均为缓流;在同一降雨强度下,相对于无大孔隙坡面,有大孔隙坡面的坡面流流速、单宽流量、弗劳德数和雷诺数较小,径流深、径流切应力、水流运动阻力以及坡面糙率较大;随着降雨强度的增大,两坡面的径流深和单宽流量增加,坡面流流速、径流切应力和雷诺数均增大,阻力系数和曼宁糙率均呈现先增大后减小的趋势,弗劳德数则呈现先减小后增大的趋势.     

波流环境下双孔浮射流运动特性

利用粒子图像测速技术(PIV)对波流环境下双孔浮射流的速度场进行测量,对不同组次的相位平均速度场、时均速度场进行定性描述;通过引入考虑横流、波浪、浮力影响的综合特征长度l_(mb),给出了轴线垂向速度衰减过程分区的定量结果。研究表明,波流作用下会产生污染物云团现象,加快双孔射流速度衰减;波浪的作用能够减弱孔间相互影响;浮力的作用能够减小射流体偏转角度和侧向展宽;无量纲的轴线垂向速度变化可以分为近区(z/l_(mb)3)、过渡区(3z/l_(mb)6)、远区(z/l_(mb)6)3个区段。     

考虑位置随机性的固体颗粒起动临界流速研究

水平井钻井、砾石充填及冲砂等作业都涉及到固液两相流动的固体颗粒起动问题。液流作用下颗粒的起动与其在床面上的沉没位置有关,沉没位置的随机性导致颗粒起动的随机性。引入颗粒无因次沉没度随机变量,将其概率密度视为均匀分布,考虑颗粒重力、水流推力、上举力、水柱静压力和粒间粘结力以及各力臂与沉没度的关系,通过力矩平衡分析,建立了考虑颗粒起动随机性的临界流速公式。结合无因次沉没度的概率分布函数,在临界流速与颗粒起动标准之间建立了定量关系,为一定颗粒起动标准下的临界流速计算提供了实用公式。用得出的公式进行了实例计算,并将计算结果与已有试验结果进行了对比,在0.001～10mm粒径范围内两者吻合较好。     

高温气流平面射流扩散过程分析

在工业生产中经常会出现高温烟尘气的排放与扩散现象,研究高温烟尘气的射流扩散过程对于烟尘治理和集尘通风系统设计有重要意义。通过数值模型分析与试验分析结合的方法,对高温气流扩散过程进行分析与研究。结果表明：在高温气流水平浮力射流扩散过程中,射流温度显著改变了射流扩散轨迹和速度分布,随着气流温度的升高,气流密度降低,使射流在水平方向速度衰减加速,而低密度气流的热浮力效应增强,在垂直方向速度值增加加剧,形成了更靠近射流壁面的上浮扩散轨迹;在高温气流射流扩散分析中,在理想气体的浮力模型中添加了密度随温度的变化,因此它比布辛涅斯克近似的浮力模型获得的射流轴线速度与射流扩散轨迹结果更准确,可知改模型适合分析高温气体的浮力扩散特征;两种模型获得的射流速度分布的结果误差相反,使两种模型能够适用于不同类型的工程需求