锥形旋转射流井底流场的数值模拟

针对旋转水射流代替机械钻头破岩钻径向水平井的实际要求,运用数值模拟方法研究了旋转射流在井底的流动规律。结果表明,旋转射流的流动不同于普通圆射流,它的第一个质点都具有三维速度,射流能量不是集中在射流中心部位,而是集中在定定半径的圆环上,同时具有明显的扩散性,并在中心形成回流区。随着旋流强度的增大,射流扩散能力增强。 数值模拟得到的流动规律与实验结果完全一致。     

倾斜螺纹孔射流传热特性的数值研究

为了提高传统圆孔冲击射流的冷却效果,提出采用螺纹孔来代替圆孔,并采用数值模拟方法研究了倾斜状态下螺纹孔旋转冲击射流的复杂流动状态和传热性能,研究的影响因素包括射流倾斜角(α=45°～90°)、冲击距离(H/d=2,4,6)、雷诺数(Re=6 000～24 000)。研究结果表明:倾斜角和冲击距离对射流空间内旋涡的大小、形状和位置有较大的影响;在倾斜状态下,旋转射流冲击冷却效果要优于圆孔射流,但当α=45°时,旋转射流冲击靶面的对流传热效果会明显恶化;当Re=6 000,α=60°,H/d分别为2、4和6时,旋转射流靶面中心努塞尔数Nu比圆孔射流靶面中心Nu分别高139.9%、107.2%、27.3%;当冲击距离相同时,旋转射流靶面平均努塞尔数高于圆孔射流。与圆孔射流相比,Re≤18 000下提高射流Re,旋转射流能显著增强靶面传热能力。     

旋转磨料射流套管开窗数值模拟及试验验证

提出利用旋转磨料射流进行井下开窗的技术路线,建立套管在旋转磨料射流冲蚀作用下的损伤模型,利用有限元方法对旋转磨料射流套管开窗进行数值模拟,并通过室内试验对模拟结果进行对比分析。结果表明:利用数值模拟方法可以较准确地模拟套管的实际开窗过程,揭示旋转磨料射流套管开窗的机制;旋转磨料射流开窗工艺简单、作业成本低,形成的窗口形状较为规则,可以满足径向水平钻进的要求。研究结果为井下套管开窗技术的进一步发展提供了理论基础。     

三维引射流动数值模拟及紊流模型选择

针对引射流动三维湍流流动的特点，应用κ-ε、S-A以及k-ω湍流模型分别对三维引射流动进行了数值模拟。比较引射流量的数值结果与实验结果表明，湍流模型的选取对数值结果具有较大影响，采用k-ω模型进行模拟可以较为准确地预测引射流量。     

基于定常射流的有车轮方背Ahmed模型主动气动减阻

近年来,主动流动控制技术已用于汽车气动减阻研究,但较多针对无车轮的简化汽车模型开展且减阻量和净节率均有待提高。本研究针对原始及带有静止、旋转车轮的方背Ahmed汽车模型,采用数值模拟方法,在模型背部施加定常射流进行主动气动减阻规律的研究。首先,分析无射流工况下车轮对方背Ahmed汽车模型气动特性的影响;其次,重点探究有车轮工况下,射流槽布置形式、射流角度、动量系数等因素对气动阻力的影响规律。获得背部射流的最佳工况为：采用连续且距边缘较近的射流槽,射流角度45°,动量系数3%,减阻量可达9.5%,对应净节率为12.7 W。     

矩形射流流动的大涡模拟

为探讨矩形射流中的拟序运动特征,用大涡模拟方法(LES)对三维矩形射流流动过程进行了数值模拟。统计平均的流向速度横向分布曲线在发展区某些位置上呈现"马鞍型"分布,速度峰值偏离中心轴线,与圆射流显著不同,这与已有的实验和直接数值模拟(DNS)结果吻合良好。计算结果表明,在发展区湍流脉动最强,且应力的横向分布不均匀。随着流向距离的增大,速度功率谱(PSD)曲线呈现峰值向低频移动的现象。速度的PSD分布表明:矩形射流中拟序运动主要位于射流的核心区末端和发展区,射流发展区中的拟序运动具有明显的时间准周期性。     

圆形射流流场流动结构的数值模拟

用间歇涡环代替圆形射流剪切层，对圆形射流流场的流动结构进行了数值模拟。研究中考虑了喷嘴喉部结构形状（喷嘴内流过渡曲面为球面或椭球面或其它旋转曲面，出口形状为锥面或锥面加环套）对旋涡脱落的影响及其与射流流场的相互作用。计算结果表明，内流过渡曲面为椭球面而出口形状为锥面的风琴管式喷嘴，喷射出的圆形射流流杨具有良好的大尺度涡环结构。     

湍流泰勒涡流特性的数值模拟

利用数值解截断误差所形成的小扰动在雷诺应力方程(RSM)的数值迭代过程中的发展,求解具有内筒旋转和固定端面的同轴圆筒环隙间的湍流泰勒涡流;然后在数值模拟出湍流泰勒涡流的基础上,定量分析湍流泰勒涡流的周向速度的波动性及其壁面附近的速度陡降特性、沿半径向外的强射流特性、轴向速度周期分布特性、压力周期波动特性、壁面切应力极化特性和强湍动射流特性;对比前人对湍流泰勒涡流进行实测的结果,数值模拟湍流泰勒的流动特性误差在30%以内。     

射流表面减阻测试系统建模及减阻特性实验

为了研究射流表面的减阻特性,提出了同轴旋转测试方法,建立了同轴旋转测试与平面测试下模型壁面所受摩擦阻力间关系的数学模型,构建了射流表面减阻测试系统.对射流表面回转体模型进行实验,研究射流孔径、射流角度、旋转速度与射流速度耦合情况下射流表面的减阻特性,并将实验结果与数值模拟结果进行对比分析.实验结果表明:射流表面在一定条件下具有较好的减阻效果;各因素对实验指标的影响按大小次序依次为射流孔径(A)、射流角度(B)、射流速度(D),最佳方案为A2B2D3,减阻率为8.565%.通过模型实验值与数值计算值比较分析,验证了实验结果的可信性及所建模型的准确性.     

芯片冷却过程旋转冲击射流换热特性的数值模拟

采用数值仿真的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射流冲击换热的表面传热系数与平均换热效果的影响。结果表明,3mm孔径的平均换热效果要强于相同Re数下6mm孔径,而且,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最大换热系数减小且由驻点向外偏移,加入旋转可以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。以上规律为旋转冲击射流在高密度电子芯片散热中的应用提供了理论参考。     

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。     

旋流喷嘴射流初始阶段运动规律研究

应用质量守恒定律和动量守恒定律,建立了描述旋流喷嘴射流初始阶段运动规律的非线性常微分方程组,该方程组可以用数值方法方便地求解,理论计算结果与实验拍摄到的射流照片吻合很好,说明空心旋转射流受扰动失稳破碎成液滴管的最基本运动状态,是进一步从理论上研究该射液破碎雾化机理的基础。     

液体射流在旋转气体中分裂破碎机理研究

研究了旋转气流中空心柱液体射流的流动参数、喷嘴几何因素在液膜分裂破碎过程中的不稳定性作用,结果表明：液膜的分裂破碎主要是由表面张力引起的;液体Reynolds数在整个射流过程中起不稳定性的作用;在旋转气流中,内部气动力及内部旋转强度的变化,对液体射流的不稳定性没有影响,而外部气动力及外部旋转强度在液体射流的破碎过程中起着稳定性的作用;在旋转气流中．射流内半径与液膜厚度比起稳定性的作用。     

带有旋流的RH精炼系统循环流动的实验研究

探讨RH真空脱气装置水模型上升管中施加旋流以提高系统精炼效率的可能性,分别采用平直叶片叶轮和轴流式叶轮产生旋流,通过水模型实验,比较有旋流和无旋流上升管中气液两相流体流动现象的差别.利用超声波流量计测量系统的循环流量,利用摄像机记录气液两相流动状态.水模型实验结果表明,与无旋流情况相比,施加旋流后循环流量显著增大.由于向心力作用,气泡向管道中心区域积聚,从而使气泡与杂质物碰撞合并的机会大大增加;同时还能够避免气泡吸附在管壁上,提高RH真空精炼装置的寿命.     

旋流对等离子体反应器内传热与流动的影响

为满足大气压气体放电热等离子体先进材料加工的要求,研究了当等离子体发生器出口处存在旋流流动时,旋流效应对有反向载气注入条件下等离子体反应器内传热与流动特性的影响.在所研究的参数范围内的计算结果表明:旋流对等离子体的轴向运动有抑制作用,且有助于强化等高子体射流与反向载气的混合,从而影响反应器内的传热与流动特性以及发生器出口与反向载气喷营出口之间所形成的滞止平面的位置;而且随着旋流数的增加,旋流对等离子体轴向运动的抑制作用也会增强.     

自由淹没气体旋转射流速度场实验研究

为研究自由淹没气体旋转射流速度场规律,采用五孔探针对自行设计的旋流器形成的流场进行定量实验研究。测量4种不同旋流强度下的流场,计算得到了各分速度在不同截面上的量纲一分布图,并进行分析研究。结果证实:轴向速度分布在旋流器出口附近区域与旋流强度有关,在与射流轴心垂直的截面上呈"M"形分布,逐渐发展成"马鞍"状、正态分布,直至衰减到零;切向速度呈中心对称斜"S"状分布,不同截面上的最大值大致出现在同一量纲一半径处;径向速度在半径方向呈"~"形分布,比轴向速度和切向速度小1个数量级;轴向速度和切向速度沿轴向逐渐衰减,衰减随旋流强度增大而增快。     

竖井进流水平旋转内消能泄洪洞流场数值模拟

应用雷诺应力模型，模拟了竖井进流水平旋转内消能泄洪洞空腔环流的水力特性。数值模拟与试验结果比较表明，雷诺应力模型模拟水平旋流泄洪洞的水力特性是可行的，泄洪洞底部压强沿程呈减小变化规律并与实测值一致；轴向流速沿径向呈峰值靠近壁面的抛物线分布，切向流速呈强迫涡和自由涡的组合涡分布，自由涡占大部分区域，轴、切向流速模拟值与实测流速值均符舍得较好。并计算和分析了空腔环流的压强等值线、湍动能、湍动耗散率、旋流夹角等的沿程变化，揭示了竖井进流水平旋转内消能泄洪洞空腔环流的一些特有的水力特性。     

螺旋流技术在水科学领域中的应用研究

介绍了螺旋流的特点及其产生方式,概述了螺旋流技术在排沙、旋流消能及污水处理等水利工程中的应用。     

重力势能驱动旋流冶金反应器的数值模拟

建立了重力势能驱动的旋流冶金反应器的数学模型,分析了反应器内部的流场和气体体积分数的分布.结果表明,数值模拟结果与物理模型实验结果基本吻合,验证了数学模型和计算过程的可靠性;重力势能驱动冶金反应器具有较好的旋流效果,其中前弯型叶片反应器旋流效果最佳.参数研究表明随着曲率半径的增大,混合管内的气体体积分数有较大幅度的提高,其中曲率半径为150mm的叶片反应器有较大的气泡出现.     

旋转水射流破岩的数值模拟分析

采用非线性动力有限元和岩石动态损伤模型模拟了旋转水射流作用下岩石的损伤破坏过程 ,其中岩石损伤场的求解采用解耦的方法。同时还对旋转水射流的破岩机理进行了分析。模拟计算结果与前期的试验结果一致 ,均显示旋转射流具有较强的破岩能力 ,其原因在于旋转射流的质点具有三维速度 ,破岩时以倾斜冲击为主 ,易于在岩石表面形成拉伸和剪切破坏 ,回流的干扰较少 ;破岩过程首先是形成一环形破碎带 ,然后沿径向和轴向发展 ,所形成的破碎坑呈内凸锥状。旋转射流破岩的优势在于破碎面积大、效率高。