缩放型喷嘴空化射流空泡云演化规律的试验研究

基于高速摄影技术对缩放型喷嘴进行空化射流试验,以揭示不同进口压力下空化射流流场特性,分析进口压力对空泡云演化规律的影响.结果表明:淹没式空化射流形成的泡云呈周期性变化,即在1个周期内包含空化初生、发展、脱落、溃灭4个不同阶段,并在空泡云脱落时达到最大的空泡面积、密度和宽度.由于随着射流入口压力的增大,喷嘴形成的射流速度加快,在射流边界层内速度梯度增大、射流核心区与伴随流的剪切作用增强,高速射流所产生的空泡云长度、面积和密度均呈增大趋势.同时,随着进口压力的增大,边界层内湍动能增大,加剧了部分流体的不规则运动,导致空泡云边界更加模糊且呈交错分布,空泡云的脱落频率不断增大.研究结果对提高空化射流在金属材料强化和石油钻井、破岩等领域的应用具有重要的理论意义和指导价值.     

自激脉冲空化喷嘴三维非稳态流动的数值模拟

选择RNG k-ε、Realizable k-ε、标准k-ω和SST k-ω这4种湍流模型,对低压自激脉冲空化射流喷嘴内部流场进行数值模拟研究,验证其对脉冲空化喷嘴内部三维非定常流场模拟的适定性,研究表明RNG k-ε模型的模拟精度高且易收敛,网格无关性验证和时间步长分析说明应尽量减少时间步长.基于三维非稳态空化模型,考虑重力因素,对喷嘴腔室内部流场进行了数值分析,通过压力、速度、水蒸气体积分数和温度的分布云图,分析了1个周期内腔室内部空化初生、能量集中和释放的演变过程,解释了空化射流的产生机理,与试验结果对比,验证了腔室内部流场演变的正确性,考虑重力因素,进行喷嘴内部流场三维模拟更加符合工程实际.     

离心泵空化流动数值计算

为了研究离心泵内部复杂的三维空化特性,采用改进的空化模型和湍流模型中的Standard k-ε模型和修正的RNG k-ε模型,对离心泵内部有、无空化流动进行了计算和分析,得到了设计工况下初生空化、发展空化和严重空化时叶片吸力面和压力面上的压力,并与无空化做了对比,提出了空化初生判定准则,系统划定了离心泵的空化区域。结果表明,随着进口压力的降低,空泡首先出现在叶片进口的吸力面,然后沿着叶片型线运动,形成附着空泡,进而空泡尾迹脱离主流,偏向压力面,堵塞部分流道,最终占据全部流道,使液流断裂;设计工况下初生空化数(σ=0.306 7)和严重空化数(σ=0.028 1)相差一个数量级;从叶轮子午面上看,空泡首先在靠近后盖板处出现,逐步向前盖板运动,并附着在前盖板圆弧附近;离心泵空化细分为初生空化、临界空化、发展空化、完全空化、断裂空化5个空化过程。     

双腔室自激振荡脉冲喷嘴空化射流的数值模拟

为研究自激振荡脉冲喷嘴结构参数对内部空化射流流场的影响,以单腔室自激振荡脉冲喷嘴结构为基础,对采用前后串联方式建立的双腔室自激振荡脉冲喷嘴进行Fiuent数值模拟.选用RNG k-ε湍流模型,分析来流雷诺数、前后腔室腔长比、腔径比的改变对空化射流的影响,并以腔室内的液相体积分数及喷嘴出口处的流速作为流场变化的评价指标.数值研究结果表明:当双腔室内部来流雷诺数由2.98×10⁵变到4.31×10⁵时,喷嘴腔室内的空化程度先增大后减小,与之相对应的液相体积分数先减小后增大;前后腔室腔长比为0.67时,腔室内空化气囊形状规则同时具有对称分布的涡环结构,有利于脉冲空化射流的发生;当腔室腔径比为1.20时,腔室内涡环结构与空化气囊均具有一定的对称性,同样可促进脉冲空化射流的发生,同时在出口处速度分布均匀且流速较大.     

热敏感流体空化数值模拟及流动特性分析

为描述和捕捉热敏感流体空化的流动特性,文中对Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)空化模型进行了热力学修正.通过将ZGB模型与修正的ZGB空化模型对液氮绕二维水翼空化流动的模拟结果与Hord的试验数据进行对比. 结果表明:修正的ZGB空化模型对于热敏空化流动的模拟结果与试验数据更加吻合,特别是能够较好的预测水翼表面温度和压力的分布. 采用修正的ZGB空化模型对氟化酮绕NACA 0015三维水翼的空化流动进行研究,并将空腔脱落的演化过程与Kelly的试验数据进行对比,模拟结果可以合理预测到试验过程中三维水翼附近空腔的脱落及其演化过程,进一步证明了修正的ZGB空化模型对于不同热敏流体的适用性.最后,对热敏流体空化周期性脱落的动态特征进行了识别和分析.结果表明:Ω的等值面与脱落的空腔形状相似,这表明脱落的空腔区域中呈现大规模的旋涡运动.空腔的生长脱落使水翼壁面产生明显的温降,B因子能够有效的预测腔内温降.     

旋转式水力空化发生器的空化特性

为综合考虑水力空化发生器的空化强度和输送能力,基于一台比转数为117.3的单级单吸式离心泵,设计出一种能够兼顾空化和扬程的旋转式水力空化发生器.基于CFX软件对旋转式水力空化发生器内部空化形态变化和空泡演变规律进行研究.结果表明,随着进口压力的降低和流量的增加,旋转式空化发生器的空泡团体积增大;在转轮挡板和隔舌附近均有空泡产生,转轮内部空泡首先在挡板侧面产生,然后在其背面靠近隔舌处开始脱落,隔舌处空泡在隔舌下游初生,并与转轮空泡同时脱落,两者具有不同的溃灭周期.该旋转式水力空化发生器提高了空化发生装置的集成化程度,具有空化效果好、且能有效增加液体静压的特性,对其空化特性的研究可以为水力空化发生装置的设计提供参考.     

高压喷射条件下非常态燃油喷嘴内部空化流动特性

为了改善柴油机喷嘴出口处燃油液滴的破碎状态并增加初始湍动能,采用了180 MPa的高压燃油喷射。推导了受高压喷射影响时非常态燃油各个物性参数与压力之间的关系。搭建了高压定容器喷雾闪光摄影试验台架,在AVL FIRE软件平台上建立了喷油嘴喷孔内部流场的三维CFD模型,通过喷雾测试结果对仿真模型进行了修正。分析了喷孔内部气液两相流场的三维流态以及空化流动特性。结果表明,非常态燃油物性参数的变化有利于增强空化效应;增大燃油喷射背压对孔内的空化效应具有抑制作用;随着喷孔直径增加,燃油高速区域扩大,空化效应增强;增大喷射夹角也有利于增强空化效应,但效果不明显。     

喷嘴空化模型建立与有效性试验验证

提出了一种针对喷嘴孔内空化现象的数值计算模型——喷嘴空化模型,并进行了可视化试验以验证其模型有效性,其中喷嘴空化模型考虑了液相与气相之间相变、气泡动力学、湍流扰动及不凝性气体影响等诸多因素,并采用喷孔内空化数对相变速率方程进行了修正。将基于喷嘴空化模型的数值计算结果与试验结果及基于Schnerr-Sauer模型的计算结果进行对比分析,结果显示:在2种空化模均采用默认参数的前提下,喷嘴空化模型与Schnerr-Sauer模型计算所得喷孔内空化现象变化趋势均与试验结果吻合良好,即喷嘴孔内空化现象随喷射压力提高而加强,且在发展空化至超空化流态过渡过程中空化特征长度涨幅远高于其他流态过渡情况;喷嘴空化模型计算所得空化特征长度在各流态下均与试验结果吻合良好,Schnerr-Sauer模型计算空化特征长度则低于试验结果,两者与试验值的最大误差均发生在超空化阶段,其中喷嘴空化模型计算值为试验值的92%,Schnerr-Sauer模型计算值为试验值的65%。该结果表明,所建立喷嘴空化模型可用于较为准确地模拟喷嘴孔内空化现象的变化趋势及空化特征长度。     

轴流泵叶轮内空化流动的数值计算

首先通过轴流式模型泵外特性试验,确定了汽蚀性能曲线。基于完整空化模型和混合流体两相流模型,对轴流式模型泵设计工况下叶轮内空化流动进行全流道数值计算。选择空化开始发生、临界汽蚀点以及空化严重时3个工况比较分析叶轮内空化流动的发展情况。计算获得了不同汽蚀余量时叶片背面静压、空泡体积组分分布和不同轴截面上的空泡体积组分分布。计算结果表明空化最初发生在叶片背面进口靠近轮缘的局部低压区;在临界汽蚀点处,空化发生的区域位于叶片背面进口至出口弦长的2/3处,面积约占叶片背面面积的50%,随着空化程度的进一步加剧,空化区域逐渐向后发展且空泡体积组分逐渐变大,当叶轮流道内发生局部空化时,不会影响到泵的能量性能;空化严重时,靠近进口截面的过流面积受到严重堵塞,泵的能量性能严重下降。计算结果与外特性试验相吻合,较好地揭示了轴流泵叶轮内的空化流动的静态特征。     

柴油机喷孔内空化过程与流动特性研究

为研究柴油机喷孔内燃油空化过程及其对流动能力的影响,基于试验和CFD三维仿真,保持入口压力不变,通过改变出口压力改变空化数,研究了随空化数变化,喷孔内空化过程及空化流动特性。研究结果表明:随空化数降低,喷孔内流动经历3个阶段:无空化阶段、空化发展阶段和空化饱和阶段。在不同的空化阶段,随空化数降低,空化过程和燃油的流通能力不同:无空化阶段,喷孔轴向各截面气液混合相体积分数不变,燃油流量增加,流量系数不变;空化发展阶段,空化从喷孔入口端向出口端发展,沿流向各截面气液混合相体积分数均增加,燃油流量增加,但流量系数下降;空化饱和阶段,喷孔入口端面的气液混合相体积分数首先达到稳定,沿流动方向,其他截面依次达到稳定,燃油流量达到最大并保持稳定,流量系数不断减小。     

变螺距诱导轮内流场空化数值计算

介绍了变螺距诱导轮的设计方法,确定了IH65—50—160型离心泵前置变螺距诱导轮的主要设计参数,采用Euler多相流模型和标准k-ε湍流模型、应用三维非结构四面体网格建模对离心泵前置变螺距诱导轮进行了三维数值计算,得到了其内部空化流场的压力分布和气液分布情况,并对空化工况下诱导轮内的气液分布规律和压力场进行了细致的分析.结果表明：采用圆弧叶片进口可以改善诱导轮进口前缘的工况条件,增强自身的抗空化能力;通过分析叶片出口压力波动和进口气相份额升高的现象,探讨了流道内产生漩涡的原因.     

卧式轴流泵空化特性的数值分析

轴流泵内部的空化现象是影响叶轮能量转换,导致轴流泵扬程、效率等性能下降的重要原因.为了研究轴流泵内部的空化现象,以轴流泵TZX-700为研究对象,该型号轴流泵相较于一般的轴流泵无后置导叶.为了验证数值计算结果的准确性,对该卧式轴流泵分别进行了试验研究和数值模拟,试验曲线和数值计算曲线基本吻合.在设计工况和小流量工况下进行全流道数值模拟,对其空化特性曲线、叶片吸力面和压力面的静压分布以及空化体积分数分布进行分析.结果表明:当进口压力为101.325 kPa时,在叶片的吸力面就已经发生空化;在叶片压力面,当有效空化余量NPSH_a下降到临界空化余量NPSH_cr=7.79 m时,靠近进口边的叶顶处开始产生少量的空泡;随着NPSH_a的下降,叶片表面的空化区域进一步增加,对叶轮内的流场产生明显的影响,导致扬程急剧下降;在同一轴流泵进口压力下,小流量工况下叶片表面的空化区域相较于设计流量工况进一步扩大,由靠近轮缘的进口边向出口边和叶根处发展,空化现象更为严重.     

翼型间隙空化数值模拟的湍流模型比较分析

为了比较不同湍流模型对间隙泄漏空化计算的影响及间隙泄漏空化的流动特性,利用CFD方法对一侧有间隙的翼型绕流流动进行分析.选取具有不同攻角和间隙的翼型作为研究对象,并利用3种常用的湍流模型,结合修正后的空化模型,对翼型间隙泄漏涡引起的空化进行计算.计算结果表明:修正密度的RNG k-ε模型对间隙泄漏空化的形态预测及泄漏涡附近主流方向速度分布的预测更为准确;受壁面条件和翼型尾迹的影响,泄漏涡所在位置的主流方向速度在间隙为10 mm时具有较大值.小间隙条件下,翼型间隙内侧的剪切空化更为强烈,翼型上方的泄漏空化距翼型上表面更远.间隙增大至10 mm时,较高的涡中心速度使泄漏涡空化发展距离更远、溃灭更慢.翼型叶顶的圆角对间隙流动有一定的引导作用,使间隙内侧及其附近的速度分布更为均匀,并对空化的发生位置产生影响.     

文丘里施肥器空化特性数值模拟

采用数值模拟的方法对结构优化后的文丘里施肥器进行空化特性研究,探讨了空化影响施肥器性能的原因,揭示了施肥器内部流动耗能机理.研究结果表明:随着施肥器进出口压差不断增大,吸肥口负压值不断降低,吸肥流量不断增大,当吸肥口负压降低到最低值时,吸肥口负压值保持不变,吸肥流量将保持恒定,此后随着施肥器进出口压差不断增大,首先在喉部与扩散段连接处产生空化,并沿扩散段壁面向下游不断扩大增厚.通过比较不同压差条件下,施肥器不同截面的能量特征发现,未发生空化时,随着压差增大,喉部能量损失也增大,约占施肥器总损失的1/2左右;空化发生时,随着压差增大,喉部能量损失保持不变,而扩散段能量损失不断增大,这是由于空化的发展使扩散段流态恶化,空化区域外部及尾部产生大范围的涡,消耗较多能量,大量的无效能量损失使得施肥器吸肥效率急剧下降.     

绕水翼非定常空化流场数值模拟

基于Reynolds平均法,采用RNG k-ε模型及Mixture两相流模型,对绕攻角10°的ys930水翼非定常空化流动进行了数值模拟,分析了空化数分别为10,08,05时的空化流场结构、流动特性及空泡演化过程等．结果表明:云状空泡由两部分组成,前一部分为空泡主体,稳定附着于水翼吸力面上,其内部充满水蒸气,压力为汽化压力;后一部分为空泡附体,为周期性气液两相运动区域．空泡前端位置基本稳定,空泡主体长度随时间变化先增大后减小;空泡主体长度由空化数和回射流强度共同决定．空泡厚度随时间变化先增大后减小,空化数越小,空泡能达到的最大厚度越大,同时最大厚度出现位置越靠近水翼尾缘．回射流的强度与空化数成反比,空化数越小,回射流强度越大,来流与回射流的相互作用决定了空泡附体脱落的位置．     

涡旋阀压电泵内部空化流动的数值分析

设计了一涡旋阀压电泵,采用动网格模型对其进行数值分析.首先对涡旋阀压电内部流场进行了动态模拟,得到了不同时期压电泵内的速度和静压分布图,有效地将压电振子的动态特征和流体的运动特征进行了间接流固耦合分析,验证了动网格模型在研究压电泵运动边界方面的可行性.研究了驱动频率,压电振子振幅,泵腔高度对涡旋阀压电泵输出性能的影响,发现驱动频率越小,压电振子振幅越大,出口体积流量越大,泵腔高度约为250μm,出口流量达到最大值.此外,还分别对涡旋阀和涡旋阀压电泵进行了空化模拟,得到了空化时涡旋阀内和不同时刻泵腔中的气液分布,为有效预测压电泵腔内空化,抑制空化现象提供了一定依据.     

喷水推进器全流道空化流动数值模拟

为了研究对旋轴流式喷水推进器内部空化特性,基于ANSYS-CFX软件,利用SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,对不同转速以及设计航速条件下喷水推进器进行全流域空化数值计算,得到了喷水推进器两级叶轮叶片以及叶轮流道内空泡体积分数分布情况.结果表明:在喷水推进器首级叶轮吸力面轮缘处最先发生空化,随着转速的增加,空泡不断地向叶轮轮毂处蔓延,并且体积分数逐渐增加;由于非均匀进流的影响,次级叶轮吸力面进口至出口中部低压区开始出现空泡;且受流动传递性的影响,次级叶轮处在靠近水平面下半叶轮通道内的叶片空化更为严重;在不同的NPSHr下,由于首级叶轮的预压,次级叶轮压力面一直没有空泡附着,表明对旋轴流式喷水推进器具有良好的抗空化性能.