缩扩型超音速喷管的设计与仿真

缩扩型的拉瓦尔喷管可以使通过其的气流获得超音速,出口速度的大小以及气流是否稳定是决定拉瓦尔喷管性能优劣的关键因素.通过Fluent软件对拉瓦尔喷管的相关流场进行了数值仿真,分析了入口压力、面积比、收缩段型面及扩张段的锥角对喷管出流速度的影响,可为喷嘴的设计提供理论指导.     

二维超音速喷管型线设计仿真研究

采用计算软件FLUENT,对四种经典收缩段型线下的流场特性进行数值模拟,为选择超声速风洞收缩段的型线提供依据。基于特征线理论,利用解析法完成超音速喷管膨胀段型线设计,通过分析总压恢复系数及均匀度等流场参数,确定型线膨胀角角度及喷管长度。结果表明,收缩段型线选用双三次曲线,膨胀角度3.5°的情况下,超音速喷管出口达到了设计要求马赫数,并获得了较好的气流品质。     

基于Workbench的高压圆盘气体轴承三维流场分析

为了取得高压圆盘气体轴承的完整三维流场,基于Workbench仿真软件对高压圆盘气体轴承进行三维建模仿真,得到整个流道及圆盘缝隙射流区的流场参数分布;将三维模型的气膜对称面与轴承圆盘、稳流管的轴对称面相交,截得气膜对称线;分析气膜对称线上的流场参数分布,并将其与二维简化模型流场计算结果进行对比,同时验证2种建模分析方法的有效性。结果表明：2种建模分析方法得到的气膜内马赫数和静压分布的变化规律一致,即在绝大部分气膜区域能保持高压,仅在气膜出口处很窄的范围内压力快速下降,同时在气膜出口附近形成超音速圆盘缝隙射流,使上游气膜内高压不受下游环境低压的影响;不同湍流强度对高压圆盘气体轴承内流场的静压无明显影响,但对缝隙射流区及气流远场区域的马赫数有着小幅影响。     

流量自调式真空发生器流场数值模拟和调节策略研究

针对目前使用的射流式真空发生器耗气量大的局限性,提出了一种带可调锥的流量自调式射流真空发生器的新结构.为了解决该真空发生器在减少耗气量与维持真空度之间的矛盾,以寻求最佳的流量调节方案,需要对调节过程的二维流场和可调锥的受力进行高精度的分析.为此对该型真空发生器内部超音速流场进行了数值模拟,分析了可调锥的不同工况对流道内流场中压力和马赫数分布的影响规律.结果表明,随着可调锥进入真空喷管喉部距离x的增大,可调锥对真空喷管内的流场扰动加剧,真空发生器的引射能力减弱.因此,为了保证正常工作所需的真空度并达到最大的节能效果,应将可调锥进入真空喷管喉部的距离控制在一定的范围内.分析表明,如果可调锥进入喷管喉部的距离不超过2 mm,则可使最低真空度大于65 kPa,并能减少30%的耗气量.     

基于CFD方法的钻井液锥阀流场模拟及结构分析

本文基于计算流体力学方法,采用幂律流变模型和RNG k-ε湍流模型对钻井液锥阀阀口处的内部流场进行数值仿真计算.通过对流场内流线形状、压力和流速的大小及其分布情况进行分析,着重研究了阀芯半锥角、阀芯结构、阀座倒角等对锥阀流场的影响.研究结果对以钻井液作为介质的液压锥阀的设计和优化具有一定的借鉴意义.     

异形中心体诱发空化射流的数值模拟研究

为了产生更好的空化效果,探索空化射流应用于油罐清洗除锈的新方式,提高清洗除锈的效率和安全性。提出了将异形中心体与锥形喷嘴组合产生空化射流的思路,采Mixture多相流模型,在12 MPa的射流压力下,对含平头柱体、90°锥形柱体和半球柱体3种中心体喷嘴产生的射流流场进行数值模拟,重点对流场压力分布、轴向速度分布和空化体积进行了对比分析。研究表明:含半球柱体喷嘴比另两种异形中心体喷嘴产生更高的射流速度,且存在较大的核心区;含半球柱体喷嘴和含90°锥形柱体喷嘴比含平头柱体产生的空化区域更大,稳定性更好;含90°锥形柱体喷嘴射流产生空化泡扩散距离最长,空化体积最大。     

直流低速风洞扩散段整流装置组合设计

扩散段是风洞主要部段之一,在扩散段中添加整流装置对抑制流动分离、提高流场品质具有重要作用。针对直流吹气式低速风洞的扩散段,设计了由收缩锥、导流板、丝网等3个级段组成的整流装置;基于CFX软件建立扩散段的流场特性分析模型,采用RNG k-ε湍流模型并结合适当的边界条件分析了收缩锥、导流板、丝网及结构参数对流场品质的影响。研究表明单级整流装置的作用有限,三者组合使用与结构参数优化将大大改善扩散段出口流场品质。研究结果对实用低速风洞扩散段整流装置设计具有重要参考意义。     

重型静压轴承流场与压力场仿真分析

采用FLUENT软件对重型恒流静压轴承油膜的三维压力分布及流场分布进行了数值分析,重点分析进出口区域的流速,并研究了出口压力与流速变化趋势.分析结果表明,流场进口附近流速变化剧烈,但是整体流动呈现很强的规律性.油膜整体压力场成均匀对称分布,不受出口位置影响.为进一步研究重型静压轴承的性能与设计提供理论依据.     

基于双电极荷电雾化的乙醇锥-射流特性

为合理设计微型荷电喷雾燃烧器,开展液体乙醇雾化试验研究。基于毛细管电极-环形电极-网格双电极燃烧器,得到稳定的锥-射流雾化工作模式。采用光学可视化方法获得雾化形态,测量锥角及电压,并与单毛细管电极的雾化结果进行了对比,讨论环形电极对锥-射流雾化模式的影响。理论分析荷电雾化锥-射流模式产生的液锥面受力情况,在液锥垂直面上基于受力平衡建立力学模型,并根据双曲线模型,求解液锥的半锥角。研究表明:在电压达到一定值时,流体会形成具有固定锥角的锥-射流,该临界锥角远小于Taylor半锥角49.3°,更加接近理论计算值34.72°。在相同雾化模式下,双电极形成的锥-射流锥角小于单电极形成的锥角。采用双电极雾化装置,选择合适电压的环形电极,可以显著降低毛细管电压,促进稳定的锥-射流雾化的形成。     

后锥角对串联空化腔室的空化特性的数值研究

针对串联式空化腔室的空化强度和效率存在的问题,展开了对其影响较大的后锥角β值的数值研究,为今后的空化腔室设计提供理论依据。采用Mixture多相流模型,以及k-?两方程湍流模型,在Fluent软件中仿真模拟后锥角β值连续变化的多种串联空化腔室流体域模型,抽取分析计算结果中的压力,速度及空泡体积分数的云图,进而研究后锥形角β值对空化流场的影响。研究结果表明:在后锥形角β值取15?附近能够获得强度相对较高的空化现象;产生空泡体积的大小、负压力的区域大小以及沿中轴线维持恒定速度的能力三者成正相关关系;后锥角β值直接影响着空化流场的分布情况,决定着最终喷射到工件表面的作用范围。     

双型线矩形超音速喷嘴的设计及仿真研究

为提高超音速设备对工件处理的均匀性,提出了一种双型线矩形超音速喷嘴。同时基于超音速喷管设计理论,分别对该矩形超音速喷嘴的两条型线进行设计,以获得相应的型线方程。建立了双型线矩形超音速喷嘴的流热耦合有限体积模型,进而对双型线矩形超音速喷嘴的入口压力和出口马赫数对喷嘴流场的影响展开分析。结果表明:双型线矩形超音速喷嘴的速度流场既能够达到设计的马赫数又满足均匀性要求,且能够使喷嘴出口得到横截面形状为矩形的流场,并分别总结了入口压力和出口马赫数对喷嘴流场的影响规律。     

水压锥阀流场的CFD计算与分析

建立了水压锥阀的几何模型和数学模型,利用Fluent软件对其内部运动流场进行了CFD解析,解析结果以可视的速度场和压力场分布给出,并对计算结果进行了分析。由分析结果可知：随着锥阀开度的增大,入口速度逐渐增大,流量相应增加。出口压力不变,随着入口压力变大,阀腔负压增大,增大出口压力有助于减小负压．消除气蚀和不稳定。     

水泥窑用燃烧器三维流场冷态数值模拟

针对四通道旋流煤粉燃烧器,建立燃烧器-回转窑三维物理模型,利用fluent技术及tecplot后处理软件对窑内气相流场进行三维冷态数值模拟。考察了燃烧器出口附近气流场的分布状况,分析了各风道风速和旋流角的变化对四通道燃烧器气流场的的影响。冷态数值模拟结果可为合理控制窑内热态工况提供参考,为四通道煤粉燃烧器的优化设计提供依据。     

二维超音速喷管设计仿真研究

采用特征线理论设计二维超音速喷管型线,目的是产生超声速气流,用于开展和超声速流动相关的实验研究。采用采用维托辛斯基曲线经验公式对喷管收缩段进行设计,分别采用圆弧加直线和Folsch解析法对扩张初始段和终止段进行设计,得到位流曲线,再结合附面层影响进行修正,最后运用Fluent软件进行仿真验证型线,结果表明喷管出口流速达到了设计马赫数要求且流场较为均匀。     

柜式空调用多翼离心通风机内流场的数值分析

以三维时均N-S方程和标准K-S两方程紊流模型为基础，采用SIMPLE算法，对柜式空调器用多翼离心通风机的三维流场进行了数值模拟。研究表明，多翼风机内流呈现出非常复杂的三维特性，具有明显的不对称性，气流分布不均匀，尤其是蜗壳内侧以及舌部附近的气流紊流程度较强；同时还揭示了叶轮流道中的二次流现象，叶片吸力面上翼型前缘附近存在的气流分离现象，蜗壳内侧前盘区域的气流泄漏现象，蜗壳出口侧进气口背部的脱流区域，以及叶轮出口的“射流一尾迹”模式。计算结果与试验结果吻合较好，证实了所采用的计算模型和数值方法的可行性。     

球阀与阀组结构参数变化规律的分析研究

基于FLUENT软件的动网格技术,将湍流模型与多相流技术相结合,通过计算与分析球阀阀组的结构参数对转子泵出口球阀的运动特性及球阀内部流场特性的影响规律,给出了阀球运动参数的变化曲线和球阀内部流场的分布云图。阀座半锥角小于45°时,阀球速度、升程变化较大,阀隙最大流速较小且变化较快,大于45°时,阀球速度、升程、阀隙最大流速变化较接近。阀球上下表面压差随阀座半锥角的增大而增大,且阀座半锥角大于45°时,阀球上下表面压差随介质气液比的增大明显减小。阀座入口直径增大,阀球速度、升程及阀隙最大流速变小。阀球速度随时间函数呈现先增大后减小趋势;但当介质气液比增加到0.8、0.9时,阀球速度则呈现先减小后增大趋势;随介质气液比的增大,阀球速度、升程变化梯度和阀隙开度减小,阀隙最大流速增大。气液比小于0.5时,流量系数缓慢变化,超过0.5时,流量系数发生突变,甚至于在超过0.65以后,流量系数急剧变化超过1.0。     

射流预冷却发动机用喷嘴的数值模拟

采用计算流体动力学（CFD）方法,对气液喷嘴射流冷却两相流场进行数值模拟,采用混合模型的连续方程、动量方程、能量方程,相间考虑了相对（滑流）速度和漂移速度,数值模拟了喷嘴在进气道内采用垂直气流喷射方式下的流场分布,分析了液滴在流场内的轨迹和速度,沿飞行轨迹计算分析了射流预冷却对发动机性能的影响.结果表明,采用喷流预冷却方式所形成的温度场、压力场均匀,压力损失不大,可满足压气机进口条件要求.     

压力旋流喷嘴内流场特性模拟研究

针对通过试验研究压力旋流喷嘴获取其雾化特性成本较高、耗时长、理论计算难以实现的问题,对压力旋流喷嘴内部流动机理及雾化特性进行了Fluent数字模拟研究。采用了一种基于有限容积VOF方法对压力旋流喷嘴内部流场进行了数值模拟;捕捉了压力旋流喷嘴出口处气-液两相界面,描述了压力旋流喷嘴出口的液膜厚度,阐述了压力旋流喷嘴各截面压力场、密度场和速度场等变化规律,预测了压力旋流喷嘴雾化锥角。模拟研究结果表明:压力旋流喷嘴中心会产生空气芯,压力旋流喷嘴雾化锥角及液膜厚度等雾化特征可通过剖析压力旋流喷嘴出口处空气芯直径和出口处速度获得;将模拟计算的喷嘴雾化锥角与试验值进行了对比,两者基本吻合,说明Fluent数值模拟可作为喷嘴设计工具。     

飞行器姿态控制用拉瓦尔喷管的流场分析

在一种利用喷气反作用力的飞行器姿态控制方法的基础上,建立拉瓦尔喷管的热力学和动力学模型,取得了拉瓦尔喷管内部速度场、压力场及温度场的分布规律。分析结果表明:喉部及初始扩张段气流的速度变化快,气体对壁面的冲刷严重,该部位可采用抗冲刷防护材料和工艺处理措施;在收缩段的喷管壁面处的压力高,喉部及初始扩张段壁面的压力变化剧烈,可采用强度较高的防护材料;气流经过拉瓦尔喷管过程中,温度不断降低,但壁面温度变化幅度不大,在喷管喉部处的温度快速下降且出现不均匀变化现象,可见喷管收敛段及喉部着重注意耐烧蚀防护处理。本文的理论结果和实验结果相符,研究结果可作为拉瓦尔喷管结构和工艺设计的理论依据。     

可变面积的非对称姿态模拟射流喷管设计与仿真

可变面积和可变姿态的自由射流喷管因其能够实现试车台能力的最大化、降低成本和快速调节等优点,将成为地面风洞试验研究的新趋势。为解决在大迎角范围内满足不同推进系统地面试验所需的气流能力和试验舱物理空间之间的矛盾,同时使其具备真实高度、马赫数和姿态的模拟能力,提出了一种基于非对称机械臂的姿态模拟射流喷管方案。根据试验舱结构与现代战机飞行包线,确定自由射流喷管的设计指标与初步流场布置;建立2-RRR机械臂机构数学模型,运用Deanvit-Hartenberg(D-H)法开展了机构计算与求解研究;通过仿真分析了射流喷管的初步功能实现情况,并验证了该设计方案的可行性,为射流喷管的研究与发展奠定了基础。