声激励对圆射流流场结构控制的大涡模拟

为研究声激励对圆射流流场结构的控制作用,采用大涡模拟方法计算相锁定全局声激励下的圆射流(Re=2 020)流场.计算得出的未加激励时射流的优势频率与实验符合得很好.从多角度描述声激励对射流速度场和涡量场的影响,分析流场对声激励响应的频率选择特性.通过速度场的平均值、均方根值,概率密度函数,偏度,峰度,以及动量厚度的分布,显示声激励引起速度场和混合特性的改变.涡量和Q准则揭示流场拟序结构的演化,发现激励控制流场的主导涡结构是希尔球涡.研究表明,声激励是流场控制非常准确和有效的手段,当激励频率在优势频率附近时影响尤其明显,很小的能量输入便可以引起流场结构的显著改变.     

平面自由湍射流拟序结构的大涡模拟研究

对空间发展的平面不可压缩湍射流拟序结构的非定常演化过程进行了大涡模拟。采用标志物浓度等值线分布示踪平面射流气相流动 ,Reynolds数为 1130 0 ,模拟结果再现了平面射流中 Kelvin- Helm holtz不稳定性的发生以及展向大尺度涡的卷起、合并、破碎过程。捕获到了射流拟序结构剧烈相互作用的“偶极子”和“三极子”现象。在拟序结构的配对过程中 ,大尺度旋涡的尾迹混合形成了流向“发卡”型拟序涡结构。平面射流拟序结构的时空演化过程所呈现出的卡门涡街特征主要集中于初始段的后部和过渡段的前端。数值流场显示结果和染线法的实验结果吻合得很好     

平面射流及平面射流火焰中拟序结构的实验研究

在设计和组建了二维平面射流及平面射流燃烧实验系统的基础上 ,对二维平面湍射流流场及平面湍射流燃烧场进行了流场显示实验研究。实验采用烟雾作为示踪粒子 ,由 He- Ne气体激光器产生的激光束经柱面镜后形成片光源实现对流场的照明。实验给出了不同射流伴流速度比下二维平面湍射流的流场显示图像 ,不同的射流发展阶段流场中的大尺度湍流拟序结构的形态及其发展演变情况以及射流燃烧场中湍流拟序结构的形态。实验同时表明 ,在射流燃烧情况下 ,火焰的存在使喷嘴出口处的流动层流化 ,并显著降低初始剪切层的增长     

自由圆射流对声激励的非线性响应分析

声激励是控制流动和燃烧的有效手段.为研究声激励对圆射流流场的控制作用,采用大涡模拟方法计算了不同频率的声激励下的圆射流流场(Re=2020),分析了流场对声激励的非线性响应过程.对涡量和Q函数的分析表明流场拟序结构的变化与激励频率有关.通过传递函数分析及脉动速度的分解,揭示出扰动波在流场中有三种传播模式,即对流传播模式、声波—对流混合传播模式和声波传播模式,与实验结果符合较好.通过分析速度功率谱(PSD)在空间的分布,反映出激励引起湍流能量在频率空间的重新分配.研究表明,射流响应对激励频率的选择特性不仅表现在流场结构的变化,还与扰动波的传播模式密切相关.当激励频率在射流优势频率附近时,扰动波以对流模式传播,流场结构及能量在频域的分布都发生明显变化.     

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.     

平面射流拟序结构的离散涡模拟

采用离散涡方法对平面射流流场进行了数值模拟。显示了平面射流中的大尺度涡结构的卷起、旋转和合并过程,模拟结果揭示了平面射流中的大尺度拟序结构的时空演化特征和发展变化规律。得到了定点的瞬时速度和流场的时均速度分布,时均速度场的计算结果和实验值吻合,瞬时速度分布揭示了平面射流拟序结构的非定常、不稳定的非线性特征。     

气固两相圆湍射流流动的大涡模拟

针对气固圆湍射流流动采用基于双向耦合的大涡模拟方法进行了模拟,研究了直径为105μm的颗粒的存在对圆湍射流的影响。单相流动的预报结果在射流形态以及时均速度和湍流强度等统计结果方面均与实验结果符合良好。两相流动的时均速度和湍流强度等统计结果与实验结果符合较好,与单相流动的模拟结果相比,105μm的颗粒加入流场后,由于其较快的响应特征起到了阻尼作用,从而降低了气相场的湍流强度。     

入口扰动对圆湍射流流动大涡模拟预报的影响

运用大涡模拟方法分别对不加扰动和加扰动的圆湍射流流动进行了数值模拟,比较了两者在大尺度涡结构的演化过程以及时均速度和湍流强度等统计结果方面的预报差异,并与实验结果进行了对照。模拟结果表明,施加了入口扰动的模拟结果在物理真实性方面和统计结果的准确性方面均要明显优于未加扰动的模拟结果。分析了不加扰动和加扰动模拟的本质差异,指出准确预报实际圆湍射流流动应采用施加入口扰动的三维模拟。     

可压缩轴对称射流三维拟序结构的演化

采用高精度差分方法对空间发展轴对称可压缩射流流场进行直接数值模拟, 计算结果显示了射流失稳后首先出现Kelvin-Helmholtz非稳定特征, 流动的进一步发 展, 非线性效应的增长导致轴对称涡环的二次失稳和流向涡的产生, 并给出了拟序结构的三维演化过程. 计算结果证实了轴对称射流中二次失稳、流向涡的产生是增强流动混合及流动产生转捩的重要机制.     

涡旋射流控制逆压梯度平板边界层分离的涡结构研究

为了研究涡旋射流控制边界层分离的物理机理,设计、搭建了涡旋射流控制逆压梯度平板边界层分离实验台,在此基础上对低雷诺数下平板边界层分离及射流控制进行了实验和数值研究.通过对比不同射流控制方式的统计特性及射流控制效果,揭示了射流流场大尺度相干结构的演化规律.射流瞬时流动细节的研究表明:发卡涡和类发卡涡是逆压梯度环境下直射流和斜射流中比较典型的涡结构;在斜射流中,随着类发卡涡的发展,射流孔下游发展成熟的类发卡涡涡腿外侧出现了不断增强的次生流向涡结构;次生涡结构对壁面附近能量的增大和质量的输运、耗散具有重要的作用.经对比发现,斜射流控制流动分离的效果明显优于直射流.     

Experimental Studies of Two-Phase Round Turbulent Jet Coherent Structures

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＪｅｔｆｌｏｗｉｓａｓｉｍｐｌｅｂｕｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｌｏｗｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｔｈａｔｈａｓｂｅｅｎｓｔｕｄｉｅｄｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙ.Ｈｏｗｅｖｅｒ,ａｎｅｗｆｏｃｕｓｏｎｊｅｔｓｈａｓｏｃｃｕｒｒｅｄａｓｉｎｔｅｒｅｓｔｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎｃｒｅａｓｅｄ.Ａｂｏｕｔ50ｙｅａｒｓｈａｖｅｐａｓｓｅｄａｎｄｃｏｈｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｒｅｎｏｗｇｅｎｅｒａｌｌｙｕｎｄｅｒｓｔｏｏｄ.Ｙｕｌｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｔｈｅｌａｒｇ…     

小流量磨料射流切割性能的试验研究

在非淹没条件下,前混合磨料射流切割所用的圆形喷嘴直径多在1．3mm以上,磨料消耗量大,射流功率大,不能满足生产所要求的小型化、高压力、小流量的发展方向,为了前混合磨料射流的快速发展,提倡采用直径较小的圆形喷嘴。对φ0．65mm和φ1．38mm普通圆形喷嘴所产生的射流进行了对比试验研究,得出了这两个圆形喷嘴在非淹没条件下切割铝板所产生的射流运动规律。实验结果表明：在非淹没和其他条件相同的情况下,φ0．65mm圆喷嘴射流比φ1．38mm圆喷嘴射流的移动速度减慢了大约20％,但切割比能耗降低了大约57％。     

阵列多孔式辅助喷嘴和异型筘组合流场特性

为了改善喷气织机单圆孔辅助喷嘴的引纬速度、能耗和织物质量,阵列椭圆孔得到两种不同出口形状的辅助喷嘴.通过数值模拟结合实验方法研究了阵列式辅助喷嘴和主喷嘴射流汇入异形筘内组合流场特性.分析了异形孔辅喷结构参数和阵列方式对组合流场的速度、集束性和湍涡分布的影响.结果表明:阵列式多孔辅喷射流汇入异形筘组合流场核心速度区域更长...     

牙轮钻头自激振荡脉冲喷嘴的实验研究

在理论和实验研究的基础上,设计了几种用于牙轮钻头的自激振荡脉冲喷嘴,在常压下进行了射流脉冲压力测试和冲蚀天然红砂岩的实验。实验结果表明,所设计的风琴管自激脉冲喷嘴和亥姆霍兹振荡腔脉冲喷嘴具有很强的脉冲效果,其冲蚀岩石能力大大高于普通锥形喷嘴,其中风琴管自激脉冲喷嘴的脉冲效果和破岩能力最强。实验还表明,自激振荡脉冲喷嘴射流存在最优喷距,最优喷距的大小为喷嘴出口直径的7～14倍。自激振荡脉冲喷嘴可直接应用在钻头上,能提高钻井速度,降低钻井成本。     

不同形状喷嘴的高压水射流冲击力特性实验

高压水射流的柔性冲击力是评判其能否有效破碎物料的力学判据,喷嘴的出口形状对射流的冲击力影响较大。设计了5种不同形状的喷嘴,在自主设计的水射流冲击测试平台上开展了冲击实验,并采用PVDF压电薄膜传感器和高速摄像机来记录测试数据。实验结果表明：在相同的工况下,圆形喷嘴水射流的集束性最好,冲击诱导的冲击波对流体的扩散形态影响最大,最终导致其中心冲击压力最大;依次是正方向喷嘴、三角形喷嘴与十字形喷嘴,椭圆形喷嘴的水射流形态最为发散,其中心冲击压力最小;所有喷嘴形状水射流的峰值压力均随系统泵压的增加呈现非线性增加的趋势,而峰值压力持续时间几乎保持不变。     

常压下淹没自振空化射流冲蚀岩石效果的试验研究

本文对常压下淹没自振空化水射流进行了试验研究,着重研究了风琴管空化喷嘴的冲蚀效果及其影响因素。对自振空化喷嘴的结构关系和设计模式进行了理论推导,并用半理论的方法对风琴管空化喷嘴和脉冲空化喷嘴进行了设计。用风琴管空化喷嘴、脉冲空化喷嘴和锥形喷嘴做了不同喷距时的冲蚀人造砂岩试验,得出了喷距影响规律。研究结果表明,自振空化喷嘴的冲蚀效果明显优于锥形喷嘴。在此基础上,通过对常压下风琴管空化喷嘴的冲蚀效果及其影响因素的研究,得出了一些规律性结果,为喷嘴优化设计提供了依据,使自振空化射流在工业上得到了广泛的应用。     

淹没条件下星形喷嘴射流流动特点的模拟研究

为了优化钻头水功率配置,提高井眼净化效果,对新近引入石油工程中的星形喷嘴射流进行了模拟研究,建立了喷嘴射流流场的流动控制方程,采用有限体积法对其进行离散,结合Realizable k-ε模型对方程组进行求解,并将计算结果与圆形喷嘴射流的结果进行了对比。对比结果发现,淹没条件下喷嘴出口截面形状对射流的影响主要体现在射流的起始段,起始段内星形喷嘴射流流场较圆形喷嘴射流的要复杂。当喷距大于4倍喷嘴当量直径时,星形喷嘴最大、最小截面上轴向速度和湍动能的衰减趋势同圆形喷嘴的衰减趋势一致,两个截面上射流速度剖面满足自相似性。     

底吹冰铜吹炼炉中气-液流动状况的数学模拟

采用Eulerian-Eulerian模型描述了底吹冰铜吹炼炉内气液两相流行为,在模拟结果与实测结果一致的基础上,对双喷嘴在不同喷气角度下熔池内的气液两相流行为及气体含量进行模拟计算与比较.结果表明:随着喷吹角度的增大,喷溅情况相应有所减弱,在14°对喷角度下的喷溅现象最为严重.随着双喷嘴对喷角度的增大,射流轴线横向穿透距离增大,湍动能的分布区域也相应增大,气泡在容器中停留时间增加.但当夹角超过一定范围后,继续增大角度会使喷嘴口距离液面垂直距离减小,气泡在熔池中的停留时间反而减小,其中28°对喷角度下,熔池中的气体体积分数最大,而且湍动能分布范围最广.     

DNS of the turbulence modulation by dispersed particles in compressible spatially developing two-phase jets

A new two-way coupled direct numerical simulation (DNS) method is developed to study the turbulence modulation in the compressible and spatial developing particle-laden turbulent jets with higher Reynolds number. The high-resolution solver is performed for the gas phase flow-field and the Lagrangian method is used to trace particles. It is found that the particles with Stokes number of 0.01and 50 advance the evolution of the coherent structures in the flow-field, but the particles with Stokes number of 1 delay it. All particles increase the turbulent kinetic energy and decrease the vorticity thickness, in which the particles with the Stokes number of 1 exhibit the maximum modulation. The jet velocity half-width and the decay of the streamwise mean velocity along the centerline are reduced by particles with Stokes number of 0.01 and 1. The momentum thickness is increased by particles and the larger the Stokes number is, the larger the momentum thickness is.