对旋风机气固耦合噪声研究

运用实验手段测量轴流对旋风机流场内部流动的压力脉动及噪声,研究对旋风机的气固耦合噪声,同时对气固耦合噪声进行数值模拟,从根本上揭示了通风机产生噪声的原因:动叶与气体的气固耦合问题所导致的流场内气体压力脉动、通风机内的分离流涡结构。对风机仿生降噪进行了相关研究,锯齿形结构使其噪声相对降低了2.5 dB(A)。     

磨粒流抛光阀块内孔道的数值模拟与试验研究

针对液压阀块孔道内部结构复杂难以进行精密加工的问题,提出利用磨粒流精密抛光技术来实现加工工艺。使用流体仿真软件Fluent进行数值模拟,研究进口压力、磨料浓度、磨粒粒度等对磨粒流加工效果的影响。以液压阀块内的孔道为研究对象,对不同的进口压力、磨料浓度、磨粒粒度下内孔道磨粒流的速度、湍流动能、静压、壁面剪切力进行仿真,得出结论：当入口压力为8 MPa、磨料浓度为0.1、磨粒粒度为200目时,阀块内孔道的抛光效果较好。以该参数进行相应的磨粒流加工实验,结果表明：阀块孔道内壁面的表面粗糙度明显降低,提高了孔道内壁面的表面质量。     

磨料流加工中磨料黏弹性对磨削效果的影响分析

本文应用流变学理论,建立了壁面滑移时磨料流在圆管中的壁滑流动模型。利用所建模型推导了磨料在圆管流动中的壁面压力和壁面滑动速度公式,建立了磨料黏弹性与壁滑速度间的关系。通过实验分析了磨料黏温特性对磨削效果的影响。结果表明:磨料的黏弹性对壁滑速度的影响较大,当黏度低于一定数值时,磨料的壁滑速度为零;温升导致黏度的降低是影响磨削效果的主要原因之一。     

基于后混合式磨料水射流磨料颗粒运动研究

为了改善后混合式磨料水射流的切割性能,以固液两相流理论为基础,通过FLUENT模块对喷嘴内磨料的运动进行建模和数值分析。以聚焦管内的单个颗粒为研究对象,优化传统的颗粒相控制模型,获得磨料颗粒在喷嘴内基本的运动情况。研究表明,磨料颗粒吸入混合腔后通过各相之间的碰撞进入高压射流,形成液固两相流。两相流形成初期,磨料颗粒的速度在高压水射流的携带作用下迅速上升。由于混合腔内部结构突变等原因,颗粒相速度浮动较大且处于非稳态。当颗粒通过收敛段进入聚焦管后,颗粒相速度以指数形式逼近射流相速度并逐渐稳定。但由于存在沿程能量损失等因素,颗粒相速度与射流相速度始终存在滑移,最终颗粒相速度仍略小射流相速度。     

固液两相流管道冲蚀试验分析及防护方案

目的 分析液相流动、颗粒、管道结构参数对固液两相流弯管冲蚀的影响,设计一种弯管防蚀减磨防护方案。方法 通过循环管路试验分析流速、颗粒粒径和颗粒形状对弯管冲蚀率的影响,并通过数值模拟探讨渐扩式防护方案对固液两相流在弯管段流场分布的影响。结果 采用失重法分析试验结果,在含砂(质量分数2.5%,砂粒直径20~40目)的X80钢管结构下,冲蚀后贴片的质量损失率达到6.85%。经分析,试验贴片表面的主要损伤特征为弯头外拱壁的冲蚀率高于内拱壁,两侧壁面的质量损失率介于内外壁之间。采用数值模拟渐扩管(3∶4、3∶5、1∶2)对冲蚀的影响,在高流速(2.5 m/s)时,扩径比为1∶2渐扩管的冲蚀率下降了约30%,效果最为明显;在流体流速低于0.5 m/s时,粒径为200 μm的颗粒沉积增大了弯管外壁的局部磨损。尖角颗粒和球形颗粒对壁面的冲蚀效果不同,模拟的壁面冲击力有明显区别。结论 弯管段是典型的三维螺旋流动,在弯管段外拱壁的壁面附近为流动的高压低速区,内拱壁面附近流动为低压高速区。在冲蚀–腐蚀交互的过程中,管道外拱壁的局部损伤主要是因多次受到固体颗粒的冲击而积累的冲刷和磨损作用,内拱壁的损伤机理以腐蚀增重作用更为显著,而固体颗粒受到流体沿管壁方向轴对称的二次流剪切作用,对管道两侧壁面的损伤主要贡献了犁削和磨蚀作用,颗粒形状也影响了壁面损伤机制。防护方案是弯管段采用渐扩段圆管。数值试验表明,在颗粒粒径和流速一定时,采用特定比例的渐扩弯管段降低了流体通过弯管时的流速和湍流强度,能够达到减小冲蚀率的效果。     

基于LS-DYNA仿真的射流加工参数分析

目的通过LS-DYNA对磨料射流冲蚀切削进行仿真,研究相关工艺参数对切削参数的影响。方法采用磨料水射流对Al_2O_3陶瓷进行了单点冲蚀仿真和切削仿真研究,其中水和磨料粒子采用SPH方法建模,氧化铝陶瓷工件采用FEM方法建模,并通过SPH-FEM耦合算法,实现射流冲蚀切削过程的仿真。结果分析射流冲蚀过程仿真和切削过程仿真可知,射流加工前期,由于射流中磨粒碰撞与反弹,使壁面成不规则"V"型。初始阶段,切深随计算时间呈线性增加,同时壁面对磨粒产生制约作用,从而使加工处的孔深基本不再增加。由于磨粒在冲蚀处壁面底部的冲蚀作用,使凹坑底部宽度增加并迅速趋于稳定。同时切削仿真与冲蚀仿真也存在一定区别,主要由于切削过程设定了移动速度。结论将仿真结果与实验结果进行比较可知,切削深度随着泵压的增大而成线性增大,切深随磨料流量的增大而增大,随靶距和横移速度的增大而减小。其中切深与磨料流量、靶距、横移速度均为非线性关系,工件最大切深与计算时间不呈线性关系增长。     

超声振动辅助软性磨料流喷孔光整加工研究

针对软性磨料流加工喷油嘴喷孔过程中磨粒容易团聚堵塞流道的问题,提出利用超声振动产生的空化效应,使团聚的磨粒破碎分离,实现液态载体与磨粒的均匀混合。通过研究超声辅助条件下磨粒的受力、运动以及空化效应对磨粒团的作用,结合试验对比研究在超声振动条件下软性磨料流加工喷孔的入口直径与锥度的变化规律。结果表明:空化效应产生的高能量冲击波可提高加工过程中的磨料压力,将磨粒团分散为单颗磨粒群,提高加工质量与加工效率;随着磨料质量分数与磨粒粒径的增大,喷孔入口直径与锥度增大,磨料对喷孔壁面切削作用加强,材料去除量增加。     

基于有限元方法的磨料流加工数值模拟

利用Fluent软件对磨料流加工过程中流体磨料的流动形态进行了数值模拟分析,得到了流体磨料在圆孔类工件内沿孔道壁面的压力分布和沿径向的速度分布;并通过改变流体磨料的加工压力,得到工件进出口压力差与工件内流体磨料流速的变化规律.又通过模拟结果与实验结果对比,表明应用Fluent软件预测工件进出口压力差模拟计算的可行性,为...     

高炉冷却壁冷却水管内液固两相流的数值模拟

建立了高炉冷却壁三维物理模型.采用大型CFD软件FLUNT6.8中的欧拉多相流模型,对高炉冷却壁冷却水管内的液固两相流三维流动和污垢清洗特性进行了数值模拟研究.分析了流体的流速,固体颗粒的粒径、体积分数对流体的流动、清洗强度及清洗均匀的影响.结果表明:流体的湍流强度、壁面污垢清洗强度和压力降均随流速、颗粒粒径和体积分数的增加而增加;液固流态化清洗防垢除垢效果取决于流速、液固颗粒粒径和体积分数的合理组合;综合考虑节水节能及污垢清洗的均匀性,高炉冷却壁的最佳流速为2.0～2.5 m/s,固相颗粒粒径为3～4 mm,体积分数为5%～8%.研究结果为高炉冷却壁液固流态化污垢在线清洗的工业应用提供了理论基础.     

磨料喷嘴内磨料颗粒加速机理分析

以液固两相流理论为基础,对磨料颗粒在磨料喷嘴中的加速机理与运动规律进行理论分析.理论研究表明,磨料颗粒的主要加速过程是在喷嘴收缩段和圆柱段内.利用标准κ-ε两方程湍流模型对前混合磨料喷嘴内流场进行数值模拟.仿真结果表明:颗粒与水在整个喷嘴中一直都在加速,在收缩段内液相加速度大于颗粒相加速度,但圆柱段内颗粒相加速度大于液相加速度.     

A two-fluid model of abrasive waterjet

Waterjet flow added with abrasive solid particles, the so called abrasive waterjet, can enhance its performance for cutting various materials from soft food products to very hard titanium alloys. In this study, a theoretical analysis is conducted in order to develop a flow model for the abrasive waterjet. The main concern is whether the abrasive particles can be treated as a pseudo-fluid phase. A two-fluid model is developed based on the fundamental laws of conservation. A control volume method is used to discretize the equations, and a phase-coupled SIMPLE algorithm is adopted to solve the pressure–velocity coupling equations. The quasi two-dimensional flow field outside a conventional nozzle used in abrasive waterjet is analyzed and computed to validate the model. Good agreement is observed comparing the numerical results with the experimental measurements.     

背反射增效激光焊接熔池匙孔相变及流场分析

建立了背反射增效激光焊焊接熔池流动中气相区、液相区和固相区的统一模型，在模型中考虑了等离子体/蒸气云和小孔吸收机制，综合了表面张力、热浮力和重力的作用. 基于数值计算得到了熔池的三相匙孔相变以及流场，重点分析了表面张力对熔池流动和传热的影响. 此外，通过钛合金薄板的背反射增效激光焊接试验对模型进行了验证. 结果表明，匙孔引发等离子体/蒸气云与背面垫板诱发羽辉的耦合作用，是X形焊缝熔池形貌形成的主要原因；同时，表面张力是形成背反射增效激光焊接熔池内“椭圆回流环”的主要驱动力.     

基于DSMC-CFD方法的气固两相流冲蚀预测研究

目的 研究气固两相流中固体颗粒间碰撞对冲蚀的影响。方法 使用Eulerian-Lagrangian方法,将气相作为连续相,通过Navier-Stokes方程求解,颗粒平移运动由离散相模型（DPM）求解。颗粒间碰撞运动采用直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法进行模拟,用少量采样颗粒代替真实颗粒计算颗粒间碰撞,碰撞的发生条件通过修正的Nanbu方法判定,碰撞过程遵循颗粒间碰撞动力学模型,采用Grant-Tabakoff随机颗粒-壁面碰撞反弹模型,计算颗粒与壁面的碰撞运动。将颗粒运动信息导入5种不同的冲蚀模型,并将计算与未计算颗粒间碰撞的冲蚀预测模拟结果与实验数据进行对比。结果 颗粒间碰撞位置主要分布在90°弯头外拱侧的颗粒高浓度区,随着颗粒质量流量的增大,颗粒碰撞次数增加,且直管段中碰撞次数占比增大。随着入口速度的增大,颗粒碰撞次数减少。使用DSMC-CFD方法计算的最大冲蚀位置沿弯管外拱轴线向高角度方向偏移,且数值比忽略颗粒间碰撞的CFD方法约低5%~15%,总冲蚀率则两者区别不大。结论 引入DSMC方法计算颗粒间的碰撞,可以节省大量算力。弯管处发生颗粒间碰撞,DSMC-CFD冲蚀预测方法更符合实际,使用DSMC-CFD方法的Oka模型与实验测得值最贴近。     

Numerical simulation of influence of nozzle structure on arc characteristics of GPCA-TIG welding

This work mainly articulated the effects of nozzle structure on arc characteristics in gas pool coupled activating TIG( GPCA-TIG) welding process by using Fluent Software. Different models were set up to adapt the different torch structure during computer progress. The specific configuration of the welding torch made the gas flow in outer gas passage constrained. The nozzle structure has great influence on outer gas distribution because of the changing of coupling region between the outer active gas and molten pool surface. When the coupling degree is reduced or the outer gas passage become smaller,the oxygen in outer gas penetrates into the arc plasma and spreads to the arc region more easily. Owing to its cooling effects,the morphology of arc is contracted,and the arc temperature is increased. When the inner wall and the outer wall of outer gas passage are not parallel,the wide top and narrow bottom nozzle shape can bring more oxygen into the arc plasma,the arc is contracted and the peak temperature of arc rises a little more comparing to the narrow top and wide bottom one.     

基于DPM模型的离心泵非定常固液两相流及磨损计算

运用离散相模型（ DPM）结合半经验的磨损模型,模拟计算离心泵内非定常固液两相流动,探索固相颗粒运动以及对泵材料磨损的规律。计算中将液相视为连续介质,求解欧拉坐标系下的流体控制方程;把固体颗粒相视为离散介质,在拉格朗日坐标系下求解颗粒运动方程,采用迭代计算方法实现固液两相耦合。选取常用的IS型离心泵作为研究对象,清水作为连续相,石英沙粒作为离散相,粒径为0.05-0.2 mm,泵进口颗粒体积率为0.5%-3%。计算得到了离心泵内固液两相流场特性,得到了泵内固体颗粒群的运动轨迹和材料磨损率分布等有价值的结果。     

Modelling of bead hump formation in high speed gas metal arc welding

Without any presupposed mechanism, a unified three-dimensional model is developed to predict the formation of humping bead in high speed gas metal arc welding, which considers the three phase coupling of solid, liquid and gas and the effect of shear stress exerting on weld pool surface caused by arc plasma. A strong backward fluid flow in weld pool is identified as the major factor for bead hump formation. The generation of thin liquid transition zone and its premature solidification are two conditions responsible for the occurrence of humped weld. In case of low inner contact angle between the liquid metal and workpiece surface, the bead hump is still generated. With increasing welding current, the bead hump can be suppressed.     

过共晶Al-Mn基复合材料的冲蚀磨损性能

采用搅拌铸造法制备出过共晶Al-Mn合金和Al2O3颗粒增强过共晶Al-Mn基复合材料,分析了两种材料的组织结构,着重研究了不同磨粒加入量和不同磨粒粒度对两种材料抗冲蚀磨损性能的影响。结果表明,Al-Mn合金主要由Mn在Al中的固溶体和Al-Mn化合物(MnAl6及Al11Mn4相)组成,而复合材料的组织结构是在与前者相近的基础上分布着Al2O3颗粒;两种材料在3%磨粒加入量的磨损率明显高于1%磨粒加入量的磨损率;在两种磨粒加入量下两种材料的磨损率随着磨粒粒度的增大均呈现出先增大后减小的趋势,且随着磨粒加入量增加磨损率极大值向粒径大的方向移动。此外,在Mn含量相近的条件下,Al2O3颗粒增强过共晶Al-Mn基复合材料的抗冲蚀磨损性能优于过共晶Al-Mn合金。     

Analysis of the two-phase flow in a de laval spray nozzle and exit plume

One method used in spray forming and coating technology involves transonic/supersonic gas-droplet two- phase flows through a de Laval nozzle and subsequent subsonic freejet flow from the nozzle to the sprayed surface. To the first- order approximation, this complex phenomenon can be treated in a quasione-dimensional manner to simulate the entire converging- diverging nozzle flow field (with particle injection at the throat) as well as the plume (freejet) region. The basic numerical technique and computer model solve the steady gas field equations through a conservative variable approach and treat the droplet phase in a Lagrangian manner, with full aerodynamic and energetic coupling between the droplets and the transport gas handled via source terms. These analyses are simple and economical to execute. The one- dimensional models are valuable in constructing algorithms for automated process control. Finally, these one- dimensional models give direction to two- and three- dimensional simulations and serve as a test bed for models based on particle dynamics and energetics.