基于不可压缩光滑粒子流体动力学的旋转强制动边界问题研究

利用不可压缩光滑粒子流体动力学(Incompressible smoothed particle hydrodynamics,ISPH)方法,针对螺杆挤出数值模拟中提出的旋转强制动边界问题,采用FORTRAN语言编程,进行模拟计算。采用"静态粒子法"构建二维旋转强制动边界模型,同时构建基于相对运动假设的静边界模型。采用"参考压力法"解决了"张力不稳定性"。通过将旋转动边界模型的计算结果与静边界模型,以及商业软件FLUENT的计算结果进行比较研究,结果表明:该动边界处理方法简单有效,适当选取分辨率可以同时满足计算精度与运算速度的要求,选择具有高阶可导的核函数更佳。为三维复杂模型模拟奠定了基础。同时,该方法对于不同领域中的动边界问题的研究也具有一定参考价值。     

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ANSYS的啮合异向旋转双螺杆反应器三维流场数值模拟

利用ANSYS/CFD程序对双螺杆反应器异向啮合螺纹元件进行了三维等温非牛顿流场分析,求出了无物料在反应器中的速度和压力分布规律以及螺杆特性曲线的分布。计算结果表明,在螺棱处,在啮合区的物料具有较大的压力梯度和速度梯度;流量和螺杆转速成正比,流量和流道两端的压差成反比。     

单流道泵叶轮水力径向力的数值计算

将叶片和蜗壳作为一个整体,采用边界元法对单流道泵内部三维非定常势流流动进行了数值模拟,计算了泵叶片表面压力,并在此基础上进一步计算了叶轮上所受的水力径向力及其变化趋势,对提高泵的运行稳定性具有指导意义。     

带有扰动副螺棱的单螺杆挤出机内混沌混合

提出一种采用副螺棱轴向往复运动来提高单螺杆挤出机混合的结构,探讨不同扰动幅度对螺槽内混合的影响。建立扰动副螺棱作用下三维周期性物理模型和相应的数学模型,对挤出机内牛顿流体三维周期性流动和混合过程进行计算。采用有限体积方法,变量分布采用交错网格,副螺棱的周期性运动边界通过叠加网格方式实现。采用4阶Runge-Kutta方法实现流体运动前锋追踪计算,对比Poincaré截面,得到示踪剂空间构型演变及界面增长。结果表明,副螺棱往复运动将导致螺槽内部的混沌混合区域围绕内部KAM管,并被外部准周期运动区域包围。处于混沌区域的流体界面呈现指数增长规律,而处于准周期运动的区域界面随时间仍然保持线性增长。副螺棱扰动幅度越大,内部准周期混合区域越小,混沌场覆盖的尺度越大。     

基于Fluent的树型槽非接触式机械密封的仿真计算

为了研究树型槽非接触式机械密封在不同工况下的密封性能,确定相关参数的变化规律,通过计算流场分析软件Fluent,采用Gambit软件对树型槽非接触式机械密封三维泄漏模型进行网格划分。基于N-S方程,选用层流模型与SIMPLEC算法,对树型槽非接触式机械密封的三维流场进行了数值研究,计算求得了密封面压力场分布及泄漏量。改变几何参数及操作参数再次模拟,得到了不同参数下流场的压力及泄漏量,并分析了相关参数对树型槽非接触式机械密封的影响,给出了相关几何参数的最优选择区间。     

基于Boltzmann方法的摩擦表面织构数值模拟

摩擦表面的表面织构具有改善摩擦副表面接触方式和润滑状态的作用。采用格子Boltzmann方法对表面织构进行数值模拟分析,采用D2Q9二维速度模型,非平衡外推边界处理格式,编写了模拟的计算程序,模拟出二维方槽、三角形槽及梯形槽织构表面的流动。针对上述流动,计算出雷诺数不同时的流线图,并分析了不同形状凹槽流动的变化,计算了不同形状、深度条件下阻力系数的变化并概括了影响规律。通过对表面阻力的比较发现:梯形凹槽是最优的表面织构;由方形槽的模拟可知,织构形状的深径比也存在最优值,从而证明了Boltzmann方法是模拟复杂流体运动的有效方法。     

油烟机用多叶离心通风机内部流动的数值模拟

为了油烟机设计的进一步发展,以三维雷诺时均N—S方程和RNGk-ε湍流模型为基础,对油烟机用多翼离心式通风机9种实验工况内部整机流场进行了三维数值模拟,并给出了子午面和回转面上的压力和速度分布。该方案采用了有限体积法、非结构化网格和SIMPLE算法,近壁区边界采用了标准壁面函数法,转动的叶轮部分和静止的其它部分采用了“冻结转子”法进行耦合求解。研究结果揭示了多叶离心式通风机内一些重要的流动特征及其变化规律。     

减振槽型式对转向叶片泵配流冲击的影响

动力转向叶片泵的噪声对汽车舒适性产生不利影响，其中配流冲击是叶片泵的重要噪声源。优化减振槽结构是降低配流冲击的有效措施。从分析叶片工作腔压力变化出发，建立了预升压微分方程，计算了三种减振槽的预升压和压力梯度，给出了预升压和压力梯度曲线。结果表明，采用变截面和等截面减振槽并联而成的复合结构可以显著地降低配流冲击。     

螺杆加工塑料时熔体流动的数值模拟

为了解螺杆加工塑料时多因素交变作用下熔融塑料在螺槽中的流动状况,结合塑化时熔融塑料在螺槽中的受力、运动情况建立物理模型,推导基于时间过程的控制熔融塑料流动的偏微分方程,包括连续性方程、动量方程、本构方程.利用有限差分法离散偏微分方程得到代数方程组,通过数值计算方法,求解得到加工低密度聚乙烯(Low density polyethylene,LDPE)时熔融塑料在螺槽中流动的速度分布、切应力分布、压力分布.以工程中实际应用的螺杆参数为例计算,分析计算结果发现以下规律:在螺槽左下角和右下角部位熔融塑料流动速度和切应力基本为0;熔融塑料在螺槽中作螺旋形的总体运动,并受不同方向的交变切应力、压力作用.这些规律为改善设备性能和提高塑料加工质量提供指导作用.     

Analysis of hydrodynamic journal bearings lubricated with non-Newtonian fluids

A procedure for solving the Navier-Stokes equations for the steady, three-dimensional flow of a non-Newtonian fluid within a finite-breadth hydrodynamic journal bearing is described. The method uses a finite-difference approach, together with a technique known as SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations) which has now become established in the field of computational fluid dynamics. The concept of ‘effective viscosity’ to describe the non-linear dependence of shear stress on shear rate is used to predict the performance of bearings having a single full-width axial inlet groove situated at the position of maximum film thickness. To illustrate the capabilities of the procedure, results are obtained for a range of non-linearity factors, and lead to the conclusion that the pressure distribution, attitude angle, end-leakage rate, shear force and load capacity can all be predicted for a variety of non-Newtonian lubricants using the SIMPLE numerical integration technique.     

Incompressible SPH modeling and analysis of non-Newtonian power-law fluids,mixing in a microchannel with an oscillating stirrer

In the present study, a robust Incompressible smoothed particle hydrodynamics (ISPH) method, based on an advanced Smoothed particle hydrodynamics (SPH) discretization, is introduced to study the effects of the non-Newtonian power-law index and stirrer frequency on fluid mixing in an active micromixer that uses an oscillating stir-bar. Two Reynolds numbers (20 and 72) are considered, and more than 70 SPH simulations are carried out, in order to investigate the effects of the power-law index and stirrer frequency on fluid mixing. The results show that this active micromixer is more efficient at the lower power-law indices.     

一种干气密封槽型的设计方法

提出了一种干气密封槽型的设计方法。采用“准二元流动理论”,选取微元流体,通过给出的转速、内外径或者槽坝比、沿槽边界的压力分布、入气角、槽厚等条件,应用动量矩定理和气体状态方程控制其流动过程,模拟槽的两侧端面的压力分布,得到流体流动的中心流线方程,通过中心流线的径向和周向速度先建立极坐标方程,应用Rom-berg方法进行数值计算,得到极坐标下角度和半径一一对应的关系,应用数值拟合的方法,得到五次多项式形式流线方程。此方程在工程上简单实用,有利于激光刻槽。     

Steady state and dynamic characteristics of axial grooved journal bearings

The steady state and dynamic characteristics including whirl instability of oil journal bearings with single axial groove located at the top of the bearing and then at some angular interval from the top from which oil is supplied at constant pressure are obtained theoretically. The Reynolds equation is solved numerically by finite difference method satisfying the appropriate boundary conditions. The dynamic behaviour in terms of stiffness and damping coefficients of fluid film and stability are found using a first-order perturbation method for each location of the groove. It has been shown that both load capacity, end flow is maximum when the feeding groove is at 12° location and thereafter the load capacity falls, stability improves for smaller groove angle and groove length at higher value of eccentricity ratio and speed. The stiffness and damping coefficient magnitude is found to be higher for the bearing with smaller groove angle and groove length, the difference between the hydrodynamic and hydrostatic load increases at 12° groove location.     

螺旋离心泵叶轮背叶片对轴向力影响的数值分析

基于相对坐标系下的雷诺时均N-S方程和RNG k-湍流模型,采用非结构化混合网格技术和SIMPLEC算法,以清水为介质,对带有叶轮背叶片的80LN-6型螺旋离心泵进行全三维数值模拟。通过改变叶轮背叶片数目和宽度设计出6种不同螺旋离心泵叶轮方案,对各种方案下泵内流动进行数值模拟,获得螺旋离心泵叶轮无背叶片和不同背叶片数目及宽度下轴向力的变化趋势和规律。通过对外特性试验数据和CFD数值模拟数据对比,间接地验证了数值模拟方法的可靠性。并对6种不同螺旋离心泵叶轮方案模拟数据进行分析,结果表明,螺旋离心泵添加叶轮背叶片之后,轴向力大小发生变化,同时在不同方案中不同工况下轴向力方向也发生改变;背叶片数目、背叶片宽度对于平衡轴向力均存在最优值且对后腔及蜗壳内的压力分布有较大影响。     

Study of flow instability in a centrifugal fan based on energy gradient theory

Flow instability in a centrifugal fan was studied using energy gradient theory. Numerical simulation was performed for the threedimensional turbulent flow field in a centrifugal fan. The flow is governed by the three-dimensional incompressible Navier-Stokes equations coupled with the RNG k-ε turbulent model. The finite volume method was used to discretize the governing equations and the Semi-implicit method for pressure linked equation (SIMPLE) algorithm is employed to iterate the system of the equations. The interior flow field in the centrifugal fan and the distribution of the energy gradient function K are obtained at different flow rates. According to the energy gradient method, the area with larger value of K is the place where the flow loses stability easier. The results show that instability is easier to generate in the regions of impeller outlet and volute tongue. The air flow near the hub is more stable than that near the shroud. That is due to the influences of variations of the velocity and the inlet angle along the axial direction. With the decrease of the flow rate, instability zone in a blade channel moves to the impeller inlet from the outlet and the unstable regions in different channels develop in opposite direction to the rotation of impeller.     

球形物料螺旋输送能力影响因素的试验分析

为获得粒子冲击钻井技术中关键设备钢球螺旋输送机输送量计算的经验公式,对影响输送量的相关因素如螺槽深度、螺杆和筒壁表面质量、物料粒径大小、螺杆与筒壁的间隙等因素,进行了相关的试验研究。试验结果表明：输送能力随着螺槽深度的增加而增强,筒壁和螺杆表面质量的高低对球形物料输送能力的影响很小,粒径大小和颗粒表面光滑程度对输送能力有一定的影响;螺杆与筒壁的间隙越大,输送能力越差。最终根据试验结果,得出钢球螺旋输送机的输送量计算的经验公式,并通过粒子反流试验装置中的钢球螺旋输送机进行了验证,可为后续装置的应用设计和设备制造提供指导。     

大颗粒下螺旋离心泵内运动特性数值模拟与分析

以150×100LN-32型螺旋离心泵为模型,采用欧拉多流体、RNG k-ε模型对其内部进行三维数值模拟。对比不同颗粒粒径以及浓度情况下固液两相流场,分析了在大颗粒情况下,固体颗粒在螺旋离心泵内的运动情况。通过固相体积分数、压力以及速度分布,得出了大颗粒固液两相流在螺旋离心泵内的运动特性。并以此为参照,分析大颗粒情况下螺旋离心泵磨损情况。     

机械密封端面T形槽液膜压力脉动特性分析

针对机械密封端面液膜流场的压力脉动,以机械密封端面T形槽液膜为研究对象,进行了机械密封摩擦副端面液膜微尺度区域的压力脉动特性分析。基于流体润滑理论,建立了机械密封端面T形槽三维液膜模型。求解端面液膜流体雷诺方程,计算分析了不同工况下端面液膜的压力脉动特性和频谱特性,探讨了端面流场压力周期性变化的影响因素。结果表明:在不同转速下机械密封端面液膜流场压力均呈现周期性脉动,压力脉动的振幅沿T形槽槽区径向方向增大;端面液膜的开启力受到槽区和非槽区动静干涉的影响;端面液膜流场压力脉动受到主轴转速和槽数的影响。