叶顶间隙对轴流泵外特性及空化性能影响研究

为探究叶顶间隙对轴流泵外特性及空化性能的影响,基于修正的SST k-ω湍流模型和Z-G-B空化模型,对350ZQ-70型潜水轴流泵进行数值模拟,对比分析不同叶顶间隙下轴流泵的外特性曲线、叶轮流道内的压力脉动、空泡体积分数分布等.结果表明:随着间隙的增大,泵扬程和效率降低;小流量工况下流动失稳现象明显加强,扬程曲线会出现驼峰现象;进口边近轮毂侧比近轮缘侧更易发生空化;设计流量下,轮缘间隙空化首先出现在叶片中部,而不是叶片进口;叶片背面空化会影响相邻叶片工作面压力分布;存在临界间隙值,未达该值前,间隙增大主要降低叶轮的做功能力,对空化性能影响不大,超过该值后,空化稳定性降低,诱导压力脉动;对于实验泵,临界值在1.5~2 mm;随着间隙的增大,轮缘处空化程度不断增强,进口边空化程度反而有所减轻;根据轴流泵叶轮组装结构,从保护轮毂叶轮体的角度考虑,兼顾做功能力和运行稳定性,实验泵选择间隙为1.5 mm较为合适.     

柴油机高压喷油嘴喷射过程空化效应数值模拟

为揭示柴油机高压喷油嘴喷射过程空化机理,根据质量守恒、动量守恒、混合组分平衡的基本规律建立了高压喷油嘴喷射过程空化效应数学模型,并对高压喷油嘴喷射过程空化效应进行了数值模拟分析,得出了曲率半径、压力波动幅度及柴油的部分物理参数对高压喷油嘴喷射过程空化效应的影响规律:随着喷油嘴入口处的曲率半径增大,喷孔内气相体积分数越来越小,空穴层的厚度也越来越薄,高压喷油嘴雾化性能变差;随着压力波动幅度的减少,喷油嘴出口质量流量变化越来越小,有利于喷油嘴喷油量的精确控制;燃油温度、喷油压力的提高使得喷油嘴内部空化现象得到加强,但是压力的增大更有利于空穴增强,从而有利于燃油雾化.     

绕平头回转体的空化流场研究

摘要：本文采用实验与数值模拟相结合的方法对绕平头回转体的空化流场进行了研究。数值模拟中,为了精确捕捉由于分离流动而产生的漩涡结构和空泡团的脱落现象,湍流模型采用了一种基于空间尺度修正的滤波器模型（FBM）。 实验中,采用高速录像技术观察了在不同空化数下,绕回转体的空泡形态,并应用二维和三维粒子测速系统（DPIV）测量了相应工况下,空化流场的速度及涡量分布。研究结果表明：对于平头回转体,其肩部的高剪切流动区出现了不规则的漩涡分离结构,初生空泡首先在该分离区域内产生,随着空化数的降低,空化区域会有明显的增大,空泡呈椭球状,不规则的小尺度空泡团的脉动转变为周期型的大尺度空泡团的脱落现象。在不同的发展周期内,绕平头回转体的空化存在强烈的三维流动特性,回转体尾部的高压区域造成了反向射流的产生,反向射流以逆时针的螺旋状逐渐向回转体头部推进,致使空泡周向上的断裂,以及空泡脱落的起始位置有较大的区别。流场中的低速区域对应于空化核心区,其值远小于主流速度。高涡量主要亦集中在该区域内,空化区域内部汽液频繁的水汽交换是造成高涡量区域的主要原因。     

螺旋桨初生空化湍流的多相流数值模拟

摘要：
同时采用修正剪切应力输运(SST)湍流模型和Baseline雷诺应力模型（RSM）求取了E779A螺旋桨在无空化状态和初生空化状态下的梢涡运动轨迹,分析了涡核最小压力系数、湍动能、轴向速度分量和涡核半径沿运动轨迹的变化,并从模拟得到的梢涡卷曲起始和梢涡涡束的角度阐述了梢涡形成机理.空化模型采用改进Sauer模型,考虑了非凝结性气核质量分数、体积分数和气泡初始半径以及湍流脉动的影响,并针对轻度、中度和重度空化面积进行了可信性校验.当空化数σ>初生空化数σi时,叶梢截面压力系数分布相对不再改变的判定准则来确定.涡核中心位于螺旋线垂向截面上最小压力点,涡核边界由湍流涡频率峰值决定.数值模拟结果表明,RSM模拟梢涡路径较修正SST湍流模型稍长、局部梢涡空化范围略大、叶梢最小压力系数和轴向速度分量要小,涡核湍动能分布更为合理.但两者模拟得到的涡核运动轨迹几乎重合,并且初生空化状态下的涡核运动轨迹、最小压力系数和轴向速度分布均与各自无空化状态下非常接近,表明了初生空化状态判定的正确性和改进数值模型对梢涡运动轨迹模拟的适用性.     

旋涡管内的能量分离

改变旋涡管切向喷进速度以对旋涡管进行管内能量分离研究.结果表明旋涡管内能量分离效果主要取决于切向喷进速度.在亚声速区,分离效果与旋涡管喷嘴出进口压力比呈线性关系,且与喷嘴进口压力无关;最大能量分离效果发生在临界压力比附近,且受喷进压力影响,能量分离过程主要发生在旋涡管的前三分之一管段。还对最大能量分离效果进行了分析.     

绕斜锥头型回转体分离涡空化特性分析

为研究空化的发生机理,对绕斜锥头型回转体分离涡空化特性进行了数值模拟,结果表明,当水流过斜锥头型回转体时,在其前部几何拐点处形成中心型的分离涡.研究中,将其简化为二维椭圆涡,并基于边界层和涡流动理论对涡内的流线和压力分布进行理论分析,获得了不同斜锥角下分离涡尺度与初生空化的关系,并进一步对绕斜锥头型回转体空泡内流场结构和空泡几何特征变化规律进行了分析.      

渐变截面型入料口夹角对旋流器流场及压降的影响

利用RSM雷诺应力模型和VOF多相流模型,通过数值试验方法考察了渐变截面型入料口夹角对Φ50 mm水力旋流器流场及压降的影响.结果表明,增大入料口夹角,切向速度增加,致使分离效率提高;与此同时,轴向速度和溢流管底端的最大径向速度也随之相应增加,导致沉砂分流比略有降低、短路流量增加,但对湍流结构影响不明显;空气柱直径同样随着夹角的增加而增大,从而有效分选空间减小.旋流器内部的压力损失主要包括主分离区域的损失和入料口区域的损失;增大入料口夹角,总压降增加,导流能力增强,当夹角为20°时,导流性能最优,但能量利用率降低.     

螺旋桨空化初生的判定和空化斗的数值分析

摘要：
为了实现空化多相流模拟在螺旋桨空化初生和空化斗预报中的应用,采用改进Sauer空化模型和修正剪切应力输运(SST)湍流模型,对NSRDC4381桨的叶背和叶面片空化初生、梢涡空化初生和空化斗底线特征进行了模拟、校验和分析,提出了“当σ>σi时,叶梢截面压力系数分布不再改变”的空化初生判定准则,并分析了其适用范围. 同时,将空化斗由传统的三区细分为五区,以更准确地描述不同工况点的桨叶空化状态. 结果表明,在设计和非设计进速系数下,预报桨叶叶背和叶面不同叶截面的初生空化数均与实验值吻合较好;模拟梢涡空化初生再现了局部梢涡空化和导边梢涡空化同时存在的现象,证明了分别用叶背07 R截面和叶面04 R截面的片空化初生曲线来表征叶背和叶面可视梢涡空化初生的合理性. 空化初生判定准则适用于空化斗底线上方的叶背和叶面片空化区. 将空化斗底线下方区域进一步细分为叶背03 R至叶梢的片空化区以及叶背与叶面同时片空化区,以更好地在工程中应用空化斗来描述桨叶空化形态和求取空化航态的航速.     

涡流管及其流率特性

简述了涡流管的基本结构、工作原理和所设计的涡流管；结合试验结果，对流率特性进行了分析，得出一些重要结论。利用相对流率特性估算不同膨胀比下的冷却效应的方法可供性能近似计算分析时参考。     

低比转速离心泵非定常空化流动特性

为了研究低比转速离心泵的空化流动特性,基于SST k-ω湍流模型和ZGB空化模型,在不同进口压力条件下对离心泵内部空化流动进行三维非定常数值模拟,研究了离心泵在发生空化时不同位置的压力脉动规律和空泡体积变化规律.结果表明:空化发生后叶轮压力脉动主频为叶频,流道进口处次频脉动幅值增长明显;空化时叶轮流道靠近叶轮出口处的压力脉动幅值增长率与叶轮流道进口处压力脉动幅值增长率相比增长更明显;空化时叶轮流道进口处的压力脉动与叶轮流道、出口及隔舌处压力脉动相比存在迟滞现象;空化过程中空泡体积的增长过程是非线性的.     

带哨嘴喷嘴射流流场的离散涡模拟

采用离散涡方法模拟了两种不同形状哨嘴的喷嘴出口流场旋涡结构和压力分布。模拟结果表明 ,射流在喷嘴出口和哨嘴出口形成的旋涡结构在流场及其他涡元的作用下 ,向下游运动 ,在流场中某个地方形成低压区 ,这有助于诱发空化现象。对两种不同喷嘴的出口流场进行比较发现 ,哨嘴形状对形成的射流流场的旋涡结构有很大影响。因此 ,研究和应用空化射流必须考虑喷嘴出口哨嘴形状的影响     

A numerical study of cavitating flows in high-pressure diesel injection nozzle holes using a two-fluid model

Cavitating flows inside a diesel injection nozzle hole were simulated using a two-fluid model. Attention was focused on the complex cavitation processes and flow characteristics under constant inlet pressure and fluctuant inlet pressure modes. To validate the two-fluid model, model predictions were compared with the experimental data available in the literatures, and good agreement was achieved. The numerical results show that the appearance of supercavitation in the diesel nozzle hole induces obvious changes of flow field structures and exit flow conditions. The distributions of liquid phase turbulent kinetic energy and exit velocity profiles corresponding to the supercavitation regime indicate the potential for promoting the primary breakup of a diesel jet. Furthermore, the upstream pressure fluctuations significantly influence the cavitation processes. Both partial cavitation and supercavitation show unsteady behaviors as the rapid rise or fall of upstream pressure. Supported by the National Natural Science Foundation of China, Key Project Funding (Grant No. 50636040) and Major State Basic Research Development Program (Grant No. 2007CB210001)     

迎风条件下速度梯度对地面涡气动特性影响数值模拟

以缩比的近地面短舱进气道为研究对象,通过数值计算模拟的方法得出在迎风来流条件下速度梯度对地面涡流场的结构及气动特性曲线的影响。研究表明,速度梯度是影响地面涡的主要因素。在不同的速度梯度下地面涡结构明显不同。在Y方向速度梯度下近地截面形成的地面涡是一对涡,旋转方向相反。速度梯度越大,地面涡强度,总压畸变指数明显变大。且峰值会出现滞后现象。在Z方向速度梯度下,近地截面形成的地面涡是一个单涡结构,在进气道上方也会形成一个涡体。地面涡强度、总压畸变指数会先增大后减小,峰值不会出现滞后现象。     

基于稳定流场的水力旋流器入料口直径设计

水力旋流器入料口的最优尺寸尚无明确评价标准.基于数值试验方法,考察了入料口直径对流场特性和分离性能的影响,提出了一种基于内部稳定流场的入料口直径设计方法.结果表明,入料口直径的下限可根据能量消耗确定,当入料口直径低于下限时,流体碰撞加剧促使部分压力能转化为内能,外侧自由涡区域呈现出类似强制涡的特性.入料口直径的上限可根据流场稳定性确定,当入料口直径超过上限时,进入的液流将直接撞击在溢流管壁上,导致流场稳定性变差,粗颗粒在沉砂中的分配率减少,分离精度降低.最终确定了入料口直径的最优取值范围为0.18D≤D_i≤0.26D.     

翼剖面二相流压力分布计算

在船用螺旋桨桨叶表面充气以形成气膜是改善其空泡特性的有效方法之一．应用薄边界层理论和源汇分布面元法实现了水气二相流在叶剖面上的流动匹配计算,确定了水动力压力分布和空泡斗,揭示了空泡性能变化的机理．通过同NACA4412非对称叶剖面和NACA0012对称叶剖面压力分布试验结果的比较表明,数值模拟计算结果是可信的,从而为半潜桨和表面切入桨设计的水动力性能计算提供了有效的数值方法．     

文丘里管反应器空化泡的动力学特性

应用四阶Runge-Kutta法,对空泡径向非线性方程进行数值模拟,分析了文丘里管反应器内空泡的成长与溃灭特性以及湍流作用、空化泡初始半径、入口压力对空化泡运动特性与形成压力脉冲的影响规律.结果表明:在湍流作用下,气泡崩溃时压力脉冲远大于非湍流的效果,初始半径越小,压力脉冲越大,入口压力变化对压力脉冲影响有一最佳值.     

流体动力空化的噪声特性及空化强度的测量

本文对Contraction-Divergence(收缩-扩张)流道产生的空化泡进行高速摄影观测和空化噪声测量.观测结果中发现随流速增加,气泡状态从离散的空化云变为连续的空化云;噪声谱逐渐从带有宽峰的谱变为连续谱.噪声谱中宽峰的中心频率和峰值都随流速变化而变化.在频率范围[0-50kHz]内对功率谱进行积分,积分值随流速增加迅速增加,可以表示空化的强度变化.实验证明,与声空化存在瞬态和稳态两种空化类似,也存在两种流体动力式空化.     

水力空化降解若丹明B的初步试验研究

水力空化是一种新的水处理技术利用水力空化装置对若丹明B降解进行了实验研究,结果表明：水力空化降解若丹明B是有效果的．同时,探讨和分析了空化数和进口压力等因素对其降解的影响,提出了水力空化降解与时间的规律．     

绕圆盘空化器空化流动及阻力特性的数值分析

应用基于滤波器的湍流模型(FBM)对绕圆盘空化器空化非定常流动和阻力特性进行了数值计算和分析. 计算中雷诺数保持不变,通过改变来流压强获得不同的空化数;FBM模型通过二次开发嵌入至商业软件CFX中. 结果表明,随着空化数的减小,绕圆盘空化器的空化区域由与空化器分离转变为附着于空化器;大空化数时,尾迹中更明显的旋涡分布将增强空化器所受阻力的周期性和波动性;随着空化数减小,圆盘空化器所受阻力变得稳定.     

绕不同扭曲水翼的空穴发展及其水动力特性研究

针对水力机械叶片表面的空化问题,作者开展了绕不同扭曲水翼的空化流动特性的数值研究,采用均质流模型并耦合大涡模拟方法(LES)和Zwart空化模型计算了绕NACA0009和Clark-Y两种扭曲水翼在不同空化数下的空化流动。结果表明：绕不同翼型的空穴发展随着空化数变化呈现明显不同的特性。相比于NACA0009翼型,绕Clark-Y翼型的空穴尺度随着空化数的减小而增大的幅度更明显,对空化数更为敏感。绕NACA0009翼型的空穴可以将翼型导边完全覆盖,而Clark-Y翼型导边的两侧并没有被空穴覆盖。另外,绕NACA0009翼型的空穴更容易出现准周期性变化和形成U型涡结构的脱落空泡团。不同翼型的升力系数的变化规律也显著不同,Clark-Y翼型的时均升力系数均显著大于NACA0009翼型。随着空化数的减小,相比于Clark-Y翼型,NACA0009翼型的升力系数更容易出现准周期性变化。