文丘里管空化流动的试验研究及动力学模态分解

已有空化研究侧重于空泡形态、漩涡脱落和压力脉动等方面,尚未开展空化流场动力学模态的研究。通过试验测量、数值模拟和动力学模态相结合,对文丘里管空化流动的流动结构及模态进行研究。试验测量获得文丘里管空化流动时空演变规律,得到空泡脱落周期为0.019 5 s。数值模拟采用质量输运空化模型,得到空泡脱落周期为0.02 s,与试验吻合较好,验证了数值模拟方法的准确性和可靠性。非定常流场表明,空泡与旋涡存在相互作用,反向射流引起了空泡脱落。应用动力学模态分解方法获得空化流场的动力学模态,结果表明四个主导模态频率与空化脱落频率存在倍数关系,频率较大的模态尺度较小。平均流场模态结果发现文丘里管喉部存在反向射流,其他三个模态揭示了空化发展和脱落的结构特征,并发现空化云向下游运动过程中对周围流体存在卷携作用。动力学模态分解能够准确捕捉空化流动中的主要动力学特征。     

空化水喷丸工艺中空化行为的数值模拟与验证

空化水喷丸工艺是用于金属材料表面改性的一项新技术,该工艺中的空化行为涉及高速、高压、相变、湍流、非定常特性等复杂多变情况,对该工艺中的空化行为及冲击压力场分布规律的探索一直是该领域的重点和难点。利用FLUNET6.3流体计算软件对淹没式空化射流中喷嘴内外的流场特性进行模拟分析,获得流场内的速度、静压和汽含率分布规律,同时使用Fujifilm压敏纸对空化水喷丸工艺中沿空化射流方向上的冲击压力场的分布规律进行试验测定。研究结果表明空化水喷丸工艺中的淹没式空化射流在缩放型喷嘴内外形成剧烈的空化现象,空泡群溃灭瞬间产生的冲击波压力高达300 MPa以上。     

抑制调节阀流场空化的响应面结构优化

调节阀流场空化现象会产生空化振动和噪声等不良影响。优化阀内件的结构,抑制流场空化是设计高端调节阀的重要环节。为了实现调节阀内流场的逐级降压,减小空化现象的产生,设计了一种多级降压调节阀的外层套筒和笼式阀座。采用Fluent软件对阀内流场的流动特性进行数值模拟,得到流场压力、流量和气体体积分数的分布规律。采用循环式并联流量测试装置,对阀进行流量实验,验证了数值模拟的可靠性。通过Box-Behnken响应面优化方法探讨外层套筒和笼式阀座节流孔孔径、孔数及其交互作用对流场空化的影响,得出最优设计方案。结果表明,在不影响调节阀流量特性的条件下,70%开度时,优化阀内件参数后,最大气体体积分数从0.88下降到0.19,有效地抑制调节阀内流场空化现象。     

高速轴向柱塞泵柱塞腔空化机理研究

针对高速轴向柱塞泵内的空化问题,以某型号高速轴向柱塞泵为研究对象,搭建了其CFD数值仿真模型,研究柱塞泵旋转过程中的空化机理及演变规律。首先,对额定工况下柱塞泵的空化现象进行可视化分析,揭示空化的发生位置及在该位置处产生空化的机理;其次,以转速为变量,研究转速对空化的影响规律及其影响机理。结果表明:空化主要发生在柱塞腔内,充液率不足和流体漩涡影响是空化的主要原因;空化程度随着转速的升高而不断升高,这是由于流体流速的提高导致静压低,另一方面流体的离心力增大造成了充油率不足,同时还使流体进入柱塞腔的射流角增大;最后,根据空化机理对柱塞缸体底孔进行结构改进。在额定工况下,改进后柱塞腔内的空化程度与改进前相比下降了59.3%,空化抑制效果显著。     

高速内冷立铣刀的三维空化湍流计算

针对内冷铣刀高速切削加工过程中可能会出现的空化现象进行研究。采用三维混合流体完整空化湍流模型,基于RNG的k-ε湍流模型及SIMPLEC算法,对高速内冷铣刀切削区流场进行计算分析,得到了内冷铣刀出现空化现象的临界转速。本研究结果可为优化高速内冷铣刀结构设计提供理论依据。     

基于浸入固体法的湿式离合器调压阀流场数值仿真

以船用湿式摩擦离合器调压阀内流道流场为研究对象,运用浸入固体方法模拟接脱排过程中调压阀阀芯的运动状态,建立了椭球形调压阀流体域和固体域的三维计算模型,借助CFX软件分析离合器接脱排过程中调压阀内润滑油的压力和速度分布情况。结果表明:油液流经阀口后,压力明显下降,并在阀口右侧形成低压区;流速迅速上升,并伴有涡流和回流现象;仿真结果与试验得到的调压阀压力试验曲线吻合良好。     

风洞调压阀数值模拟和结构设计

以国内2.4m跨声速风洞调压阀为对象,使用CFD软件、采用基于压力的隐式coupled算法和标准k-ε湍流模型,实现了调压阀可压缩稳态流场的数值模拟,及对调压阀加设整流锥、调压阀并联旁路阀和调压阀并联旁路阀并加设整流锥三种阀门模型进行数值模拟和验证。结果表明,数值模拟的流量与真实值误差0.43%,压力场、速度场能反映实际现象,旁路阀全开时增加87%以上的流量,整流锥降低了阀后压力梯度和校正轴向核心流偏向作用明显。     

二维活塞/缸体副微间隙高剪切流场中空泡“消失”现象的实验分析

在研究二维活塞与缸体配合微间隙中纯剪切空化的过程中,发现该空化现象在外界条件一定的情况下不仅会随着时间发展壮大,也会随着时间的延长萎缩消失。为探究该空化消失现象的可能成因,利用自制的外筒旋转同心圆筒装置在纯剪切流场中构建充分发展的空化气泡分布场,并分别就不同温度、流场压强、油液上方空气占比以及定子外表面结构等因素进行可视化实验研究。实验结果表明：所涉的空化空泡消失现象不同于空化溃灭现象,其开始消失的时间与油液温升和流体压强都具有正相关性,且后者作用更为显著。空泡消失的时间与流场初始压强呈指数下降的关系,压强越高流场的剪切空化现象消失时间越短且温升值越小。     

界面极限滑移条件下的液膜密封流场平均速度分布规律

为研究液膜密封流场平均速度分布规律,及其与流-固界面剪切应力之间的关系,基于Couette流动模型建立存在边界速度滑移时的密封间隙流场速度计算模型,采用Mixture均相模型和Schnerr-Sauer空化模型,通过数值模拟考察界面无滑移(滑移速度为0)和无剪切(滑移速度最大)2种极限情况下不同转速时液膜轴向不同位置处的微流场径向、切向和轴向速度分布,并建立流体型槽界面剪切力-速度拟合模型。研究结果显示：液膜的切向速度远大于径向和轴向速度,三维合成速度分布规律主要由切向速度决定;流场在槽区内近台阶轴向1μm范围内压力梯度发生突变,但非槽区和槽区流场相对独立,非槽区可视为简单Couette流动,槽区为逆压梯度Couette流动;流-固界面粘附剪切应力的大小与液膜边界速度滑移密切相关,槽区界面剪切应力变小时,边界滑移速度和槽内外流场各方向速度均变大,且转速越高,数值越大;在不高于10 000 r/min时,空化效应对整体平均速度场的影响较小,但速度更高时,需量化空化效应,并对剪切应力-速度拟合模型进行修正。     

基于动网格的蝶阀启闭过程的数值模拟研究

通过对中线蝶阀启闭过程中的流场进行二维动态数值模拟计算,得到了不同开度下阀后流体涡旋的演化规律。结果表明:随着开度的减小,流体经过蝶阀后,在蝶阀下游形成了一对旋向相反的对称涡,进而发展成非对称涡,最终演变成为多个非对称涡结构。同时,流体经过蝶阀后在蝶板下游边缘发生空化,当开度在14°左右时,气含率达到最大值0.79。空化促进了局部小尺度涡的产生,小尺度涡的发展和消亡加剧了蝶板运行过程中的振动,进而产生噪声。     

锥阀典型面密封结构空化喘振数值仿真研究

针对锥阀典型面密封结构中的空化流场进行了数值仿真研究,基于LES湍流模型、mixture多相流模型与Schnerr-Sauer空化模型,研究复现了阀口大尺度空穴。研究表明:面密封结构易导致流束内收缩效应,形成流束外扩与阀座壁面贴合的固定漩涡,进而诱导固定空化的形成。固定空化在恒定的入口压力条件下表现出尺度周期交变的喘振特性。出口压力条件不改变空化喘振频率,但出口压力越小喘振幅值越大。开度增大导致空化尺度先增大后减小,故喘振幅值先升高再下降;同时导致空化发育速度变慢,喘振频率下降。可依据对喘振特性的预测设置蓄能装置,实现更优的空化喘振削弱效果。     

2D伺服阀矩形先导控制阀口气穴特性研究

为研究双自由度（2D）伺服阀先导控制阀口处气穴现象的影响因素及对阀芯稳定性的影响,运用Fluent软件中cavitation模型对2D伺服阀矩形先导阀口进行了气穴特性的仿真研究。研究表明,在出口压力低于1 MPa时,阀口处会出现气穴现象,且因气穴指数σ较小,故在弓形感受通道会出现气泡现象,出口压力高于5 MPa时,无明显气泡现象但阀口处的气穴仍然存在;随着入口流速增加,阀口内侧壁和外侧壁处气穴强度和分布范围增加;在出口压力0.1 MPa情况下,随着阀口开度增加气穴现象减弱。结果表明,2D伺服阀正常工作时先导阀口处会产生气穴,对伺服阀阀芯运动的稳定性产生干扰。     

水滴迷宫式调节阀空化特性计算与结构改进

针对超(超)临界机组中水滴迷宫式调节阀在高温高压工况下引起的严重气蚀问题,基于计算流体力学理论和空化机理,选用标准k-ε湍流模型、Mixture模型和Schnerr-Sauer空化模型,比较了改进前后调节阀在典型开度下的压力、速度、气相体积分数等结构性能.计算结果表明:原始碟片结构压降大,最大可至19.95 MPa,流...     

多级降压调节阀流激振动特性分析

分析某管路系统多级降压调节阀的流激振动问题,仿真得到调节阀小开度、中等开度、全开3种工况下压力、速度、漩涡速度云图、压力脉动时域与频域特性曲线及流激振动频率范围.利用热流固耦合模态分析得到调节阀固有频率.将流激振动主频与固有频率相对比,验证调节阀工作可靠性.分析得出:随着开度增大,各级降压效果明显,大涡逐渐形成小涡,且...     

小开度节流阀流场特征及空化流动的数值分析

基于两相空化流动的控制方程和湍流模型,对节流阀在小开度下的流场特征及空化流动进行数值分析。结果表明:流体在流经节流口时,流速急剧增加,压力迅速降低至液体的饱和蒸汽压以下,形成空化。当节流阀出入口压差增大时,出口边界流速明显提高,出口两侧的流速差异更加明显,且在低速流一侧形成涡流。并且,出入口压力差的增加、阀门开度的减小会导致空化区域扩大,强度增加。研究成果可为节流阀的后续优化设计和操作提供理论依据。     

不同开口度下的煤矿水液压安全阀的气蚀特性

针对煤矿水液压安全阀存在的严重气蚀问题,建立双排阀口的CFD模型,分析了不同启动次序和开口度的阀腔气相体积分数和压力分布云图,并得到其影响规律及最佳的阀口开启次序。研究表明:3种开启方式下,开口度为0.8~1.2 mm时气蚀均较为严重;同步开启时,综合抗气蚀效果最差,开口度为0.8~1.2 mm时极易形成涡旋,且对气蚀现象有扩大作用;阀口1,2依次开启时,阀腔内部的气穴气蚀现象也较明显,最大气相体积分数值达98.3%,气穴范围也较大;阀口2,1依次开启时,其阀口1附近尾椎部分高压区域可以补偿压降,从而降低阀芯内部流场最大气相体积分数,且在阀口2开口度为0.8~1.2 mm时,相对其他2种开启方式,最大气相体积分数和面积分别降低了25.7%,18.6%,抗气蚀效果最佳。     

煤液化调节阀湍流特性及稳定性研究

针对湍流流动对煤液化调节阀内部流场稳定性影响,基于粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry, PIV)和能量梯度理论对煤液化调节阀的脉动流场信息进行测量和表征。采用数值模拟和实验相结合的方法,探究了1.2,1.4,1.6,1.8 MPa 4种进口压力条件下(出口压力固定为1 MPa、开度固定为60%)脉动速度均方根、湍流动能等湍流特性参数的变化规律,并结合能量梯度理论对调节阀内流动稳定性展开分析。结果表明,脉动速度均方根的分布与湍流动能的分布具有相似性,高速主流区域位于阀芯头部低速流体的交界处,脉动速度均方根及湍动能值随流速增大而升高,并在轴向位置x为29.73 mm处达到峰值;高速主流与周围低速流体自身剪切产生的速度梯度是造成流场失稳的主要因素;整个流场最不稳定的位置分布在节流口下方阀芯和阀座壁面位置以及高速主流核心区外的剪切层内,进一步揭示了煤液化调节阀失稳机理。     

节流槽形式对滑阀空化流场的影响

为了提高采煤工作面液压支架推移拉架准确度,降低空化现象对控制滑阀性能的影响,采用Pumplinx建立了不同节流槽形式下滑阀内部流体域动态模型。仿真分析了不同节流槽形式滑阀在不同开度时,压力场和空化分布以及气体体积分数的变化趋势。结果表明:不同节流槽形式对滑阀内部的压力分布和空化分布具有不同的影响;气体体积分数随着阀口开度的增大,呈现先稳定波动然后陡增最后在阀口完全开放后迅速降低的现象;交错分布形节流槽空化剧烈起始位置为4.5 mm,最大气体体积分数约为0.12,相较于其他槽形明显降低。     

Cavitation effect on flow resistance of sleeve regulating valve

Sleeve regulating valve is the key component of the industrial system. As the main cause of vibration and noise inside the sleeve regulating valve, cavitation also increases the energy loss when fluid flows through the valve. In this paper, in order to quantitatively analyze the influence of cavitation in the sleeve regulating valve, the effects of throttling windows number, pressure difference, valve opening and flow direction on the resistance coefficient are investigated with the application of cavitation model. By defining the cavitation influencing factor of the resistance coefficient, the calculation formula of the resistance coefficient when cavitation occurs in the sleeve regulating valve is proposed. The results show that when the fluid flows forward and the aggravation degree of cavitation increases, the energy loss also increases. And in the backward flow, the effect of cavitation on the resistance coefficient is related to the valve opening and the throttling windows number. This work is of significance for the optimization and design of sleeve regulating valve and pipeline system.     

Influence of the flow area around the ball valve on the flow characteristics of the injector control valve

The increase in common rail pressure can lead to increased cavitation inside the injector, resulting in degradation of injector performance and reduced life. The paper investigates the effect of the pressure block structure parameters (initial flow area around the ball valve) on the velocity field, pressure field, fuel gas phase volume fraction and drain rate of the control valve. The relationship between the initial flow area around the ball valve on the cavitation strength and unloading rate inside the valve was revealed. The results show that both the reduction of the flow area around the ball valve and the increase of the cavitation intensity inhibit the rate of oil discharge from the control valve. The reduction of the fuel flow area inhibits the expansion of the low-pressure region (0–1 MPa) within the flow layer, thus limiting the development of cavitation. The reduction of the cavitation area increases the fuel flow rate, however, the increase in flow rate increases the cavitation phenomenon, and these changes form a cycle (Reviewer 5. comment 2). The increase in cavitation inhibits the control valve pressure relief rate more significantly than the decrease in the initial flow area around the ball valve. Based on this, a stepped-pressure block model is proposed. The stepped pressure block model can effectively reduce the cavitation strength near the seal and enhance the oil discharge rate of the control valve. The study can provide a reference for the engineering optimization design of high-pressure common rail injector control valves.