多喷嘴射流抛光系统材料去除率分析

为了提高射流加工效率,提出使用多喷头结构来提高工件的去除效率。根据流体力学原理,从理论上分析了多喷嘴冲击射流复合流场的结构特性,对不同喷嘴数目复合流场的流场分布进行了定量计算;针对复合流场的特性进行了模拟研究,得到工件壁面流体速度、压强的分布曲线。建立了单喷嘴、三喷嘴和七喷嘴的材料去除理论模型,并对去除量分布进行了计算和比较。结果表明,当冲击高度为10d,喷嘴间距为5d时(d为射流喷嘴直径),三喷嘴模型材料去除率是单喷嘴模型材料去除率的2.16倍,七喷嘴模型材料去除率是单喷嘴模型材料去除率的4.25倍。     

喷嘴尾部流道的流场分析及结构优化

喷嘴是水力水平钻孔设备的核心元件,改善其结构有利于提高低渗透油气资源开采的施工效率。因此基于计算流体动力学(CFD)技术,分析尾部流道结构参数对射流流场的影响,得出以下结论:尾部流道数N=6、倾角α满足15°α30°,喷嘴出口直径d=1.4mm时,喷嘴的破岩和排屑性能较好;合理设计N和d,有利于实现喷嘴自推进和射流破岩两项功能;合理设计α,能有效改善尾部流道的磨损情况,延长喷嘴使用寿命。     

冲击角度对射流抛光中材料去除面形的影响分析

冲击角度会影响冲击射流的动力特性,对射流抛光的材料去除面形和去除量大小有重要的影响。利用计算流体动力学理论进行了冲击角度对射流抛光中材料磨蚀的影响的仿真和实验研究,分析了冲击角度对冲击射流特性的影响,结合实验研究,基于射流厚度、壁面速度和压力等几个方面分析了冲击角度对材料去除面形的影响,得到了材料去除分布与冲击角度的去除模型的关系描述公式,其材料去除面形分布与实际抛光面形能很好的符合。     

紫外光诱导纳米颗粒胶体微射流碰撞特性（英文）北大核心CSCD

采用流体力学模拟方法,建立了垂直非淹没射流的计算流体动力学模型,研究了在紫外光诱导纳米颗粒胶体射流中用直径D为500μm的微孔光-液耦合喷嘴进行抛光加工的冲击动力学,分析了非淹没射流条件下光-液耦合喷嘴内、外的流场分布情况及其对工件表面的喷射冲击特征,对紫外光诱导纳米颗粒胶体射流冲击动力学过程进行了理论描述。计算结果表明,在1MPa入射压力时,微孔光-液耦合喷嘴口TiO2胶体的喷射速度约为30m/s,其集束匀速喷射距离约为5mm。在此喷射距离时进行垂直喷射,在胶束与工件表面的冲击射流作用区域,其射流静压最大值分布在射流冲击作用中心,但射流动压及射流合成速度在此区域的截面分布呈"W"形状,射流动压及速度最大值出现在胶体射流束的外环直径约2mm处。     

喷嘴尾部流道的流场分析及结构优化北大核心CSCD

喷嘴是水力水平钻孔设备的核心元件,改善其结构有利于提高低渗透油气资源开采的施工效率。因此基于计算流体动力学(CFD)技术,分析尾部流道结构参数对射流流场的影响,得出以下结论:尾部流道数N=6、倾角α满足15°<α<30°,喷嘴出口直径d=1.4mm时,喷嘴的破岩和排屑性能较好;合理设计N和d,有利于实现喷嘴自推进和射流破岩两项功能;合理设计α,能有效改善尾部流道的磨损情况,延长喷嘴使用寿命。     

紫外光诱导纳米颗粒胶体微射流碰撞特性（英文）

采用流体力学模拟方法,建立了垂直非淹没射流的计算流体动力学模型,研究了在紫外光诱导纳米颗粒胶体射流中用直径D为500μm的微孔光-液耦合喷嘴进行抛光加工的冲击动力学,分析了非淹没射流条件下光-液耦合喷嘴内、外的流场分布情况及其对工件表面的喷射冲击特征,对紫外光诱导纳米颗粒胶体射流冲击动力学过程进行了理论描述。计算结果表明,在1MPa入射压力时,微孔光-液耦合喷嘴口TiO2胶体的喷射速度约为30m/s,其集束匀速喷射距离约为5mm。在此喷射距离时进行垂直喷射,在胶束与工件表面的冲击射流作用区域,其射流静压最大值分布在射流冲击作用中心,但射流动压及射流合成速度在此区域的截面分布呈"W"形状,射流动压及速度最大值出现在胶体射流束的外环直径约2mm处。     

射流速度和冲击角度对材料去除特性的分析

射流速度和冲击角度会影响冲击射流的动力特性,对射流抛光的材料去除面型和材料去除量有重要的影响。对冲击射流壁面流场结构进行了分析,建立了工件壁面上的速度、压力与冲击角度、射流出口速度的数学关系。在分析理想平面的基础上,重点分析了射流速度和冲击角度的变化对存在表面瑕疵的工件材料去除量的影响。结果表明:对于理想平面,当冲击角度大约为30°时,可得到理想的高斯型面型分布;对于存在瑕疵的工件表面,在小角度冲击时更有利于材料的去除;工件材料的去除量均随着射流速度的增大而增大。     

低压大流量自激脉冲空化射流试验研究

采用自行设计的自激脉冲空化射流喷嘴和试验测试系统进行了一系列低压大流量空化射流试验,得到了一组喷嘴结构参数,使得喷嘴在入口压力为0.95~1.13 MPa时能产生较为明显的脉冲效果。通过试验获得了随入口压力升高腔室内部流场变化规律,并对试验中喷嘴腔室内部压力突降现象进行分析。试验表明自激脉冲空化射流的打击力是连续射流的1.3~1.6倍。     

低压大流量自激脉冲空化射流试验研究EI北大核心CSCD

采用自行设计的自激脉冲空化射流喷嘴和试验测试系统进行了一系列低压大流量空化射流试验,得到了一组喷嘴结构参数,使得喷嘴在入口压力为0.95~1.13 MPa时能产生较为明显的脉冲效果。通过试验获得了随入口压力升高腔室内部流场变化规律,并对试验中喷嘴腔室内部压力突降现象进行分析。试验表明自激脉冲空化射流的打击力是连续射流的1.3~1.6倍。     

SDBD等离子体增强双股矩形射流掺混性能实验研究

为提高姿轨控液体火箭发动机同轴式喷注器掺混性能,设计了简化的双股矩形射流发生器,开展了等离子体控制射流实验,获得了射流流场结构与速度分布,结果表明与单股射流类似,双股矩形射流同样具有很好的相似性,随着射流速度差的增大,相似性进一步增强,混合点逐渐靠近射流发生器出口,混合角和混合率增大,而涡量最大值减小;等离子体对射流相似性的影响较弱,主要增大了发生器出口附近的速度,缩短了射流核心区长度,增大了射流宽度和混合角,使得混合点位置移向发生器出口,扩大了高涡量值区域范围,不过3种实验工况下射流涡量和的正、负值均比较接近,混合率也非常接近,并且随着射流速度差的增大,等离子体控制效果降低;总的来说,等离子体激励器应安装在低速射流中,增大混合角比控制混合点位置对提高混合率更有效.      

进口条件对超燃冲压发动机氢气燃烧流场特性的影响分析

对不同进口条件下的超燃冲压发动机燃烧室内氢气喷流超声速燃烧流动特性进行了数值模拟与分析.宽范围超燃冲压发动机是吸气式高超声速飞行器推进系统设计中的热点问题之一,受实验设备硬件条件及实验技术限制,数值模拟技术仍然是超燃冲压发动机燃烧室内燃气燃烧特性及流场特性的主要研究手段.采用基于混合网格技术的多组元N-S方程有限体积方法求解器,在不同进口Mach数及压强条件下,对带楔板/凹腔结构的燃烧室模型氢气喷流燃烧流场进行了数值模拟,对比分析了氢气喷流穿透深度、喷口前后回流区结构、掺混效率及燃烧效率等流场结构与典型流场参数的变化特性及影响规律.研究成果可为宽范围超燃冲压发动机喷流燃烧流动特性分析提供参考.      

发动机热喷流红外辐射计算与仿真

利用求每个小视场视线方向辐射亮度的方法计算喷流红外辐射的光谱分布。以辐射传递方程数值和形式为基础,采用Malkmus统计窄谱带模型和Curtis-Godson(CG)近似求视线方向的辐射强度。采用CFD分析软件FLUENT模拟流场和组分摩尔分数分布。建立喷流红外成像仿真模型,仿真生成了液体火箭发动机热喷流红外图像。结果表明,该方法可以很好地分辨出流场的细微结构。该模型也适用于航空发动机喷流红外辐射计算与仿真。     

Enhancing the penetration stability of plasma jet in liquid by improving the chamber structure

Two kinds of chamber structures were designed to improve the penetration stability of plasma jet in the working fluid. They are the cone-truncated chamber with an inclined wall structure and the stepped-wall chamber with an abrupt expanding structure. Based on the experiment, the penetration characteristics of plasma jet in liquid were investigated by the numerical calculation, especially the multiphase flow field structure and the jet penetration stability. In the cone-truncated chamber, the arc-like pressure wave does not evolve into the plane wave like the wave evolution rule in the traditional cylindrical chamber, and an alternating structure of arc-like wave and the plane wave is formed in the stepped-wall chamber. The stability control of stepped wall is more significant than that of inclined wall because the low-pressure vortex formed at the corner of step enhances the radial induction effect. Besides, the stepped-wall structure can restrain the moving randomness of the big vortex's core. The axial expansion speed of plasma jet in the ambient fluid is decreased exponentially and the speed estimation formula was obtained in this work.     

高速受限混合层结构和效应实验研究

受限混合层的流动主要是喷流与自由来流相互剪切形成的混合层受到壁面的限制而形成的一种流动.文章采用后向台阶平板模型研究了高速高压比条件下的受限混合层的典型流场结构以及冷却效率.实验自由来流Mach数为5, 喷流的Mach数为1.28, 喷流总压为0.2~0.7 MPa, 通过调整冷喷气流的总压, 基于纹影流动显.形成喷口附近波系的欠膨胀流动现象的深刻认识, 提取波系特征与流动参数之间的规律.基于流动显示及实验测量结果, 通过分析流场中大尺度结构的空间演化规律, 揭示流动参数对于冷却效率的影响规律及物理内涵.采用快响应压敏漆(FRPSP)技术在高超声速风洞开展热流分布和冷却效率研究, 获得了平板对受限混合层冷却效率的影响.      

Supersonic flow characteristics in laser grooving

The gas flow structure in laser grooving has been evaluated by numerical simulation and experiments in this study. A nozzle designed with a specific arrangement of compound jets for laser grooving has been tested. For this nozzle configuration the compressible flow structure of a shock wave induced by a supersonic side jet has been predicted in a numerical simulation using FLUENT, a computational fluid dynamics code and visualized in the experiment where the wall pressure on the grooving zone was evaluated and measured for jets impinging on the substrate at varying attacking angles of the side jet. The results obtained numerically and experimentally were comparable. In addition, the relationships between the material removal efficiency and the flow structure have also been established. It transpired that the attacking angle made a significant and dramatic improvement on the flow structure and grooving appearance and that a large wall pressure with a clear grooving profile can be obtained for attacking angles between 40° and 50° in the present test setup.     

超音速等离子体点火过程的三维数值模拟

为了研究等离子体点燃超音速混合气流的过程,设计并验证了超音速燃烧室的三维计算模型,计算出了燃烧室等离子体点火时的流场参数和化学反应规律,分析了等离子体点火对燃烧室内燃烧的影响。计算结果表明:高温等离子体射流的滞止作用通过增加混合气在燃烧室内的停留时间提高了点火效率; 等离子体点火时燃烧区域的压力扩散比较充分,内部为压力相对平衡的低速流动; 高温等离子体射流高速射向混合气流时产生的速度矢量偏移扩大了点火面积,从而使点火效率得到提高; 氢气、空气燃烧的燃烧产物主要是水,燃烧区域局部温度主要受局部放热反应的影响。     

PIV measurements of the flow and turbulent characteristics of a round jet in crossflow

The instantaneous and ensemble averaged flow characteristics of a round jet issuing normally into a crossflow was studied using a flow visualization technique and Particle Image Velocimetry measurements. Experiments were performed at a jet-to-crossflow velocity ratio, 3.3 and two Reynolds numbers, 1,050 and 2,100, based on crossflow velocity and jet diameter. Instantaneous laser tomographic images of the vertical center plane of the crossflow jet show that there exists very different natures in the flow structures of the near field jet due to Reynolds number effect even though the velocity ratio is same. It is found that the shear layer becomes much thicker when the Reynolds number is 2,100 because of the strong entrainment of the inviscid fluid by turbulent interaction between the jet and crossflow. The mean and second order statistics are calculated by ensemble averaging over 1,000 realizations of instantaneous velocity fields. The detail characteristics of mean flow field, streamwise and vertical rms velocity fluctuations, and Reynolds shear stress distributions are presented. The new PIV results are compared with those from previous experimental and LES studies.     

射流抛光材料去除机理及影响因素分析

 采用Fluent软件对射流抛光材料去除机理进行了流体动力学仿真研究,通过对射流流场压力、速度和工件表面剪切力的分析可知材料去除量应与表面剪切力的分布相对应,去除函数呈现W型;随后采用正交法对入射速度、工作距离和磨料浓度等工艺参数对抛光效果的影响进行了综合分析,结果表明：去除效率随入射速度和磨料浓度的增大而增大,随工作距离增大而减小,并且工作距离对去除率具有显著影响,为实验研究中工艺参数的选取提供了一定的指导意义。     

大气压微波等离子体射流装置放电特性研究

基于同轴传输线结构设计了两种不同喷嘴结构的大气压微波等离子体射流(MW-APPJ)装置,其工作频率2.45 GHz,工作气体为氩气,分别研究了两种不同喷嘴结构对等离子体放电特性产生的影响。仿真结果表明,MW-APPJ在气体喷嘴处会产生高强度的电场,经过优化结构,实现在频率2.45 GHz下,喷嘴处的场强满足氩气电离的击穿场强阈值要求。同时,利用多物理场耦合仿真软件对装置的气流分布进行了稳态模拟,并通过实验对比分析了两种喷嘴结构下大气压氩等离子体射流的基本特性。实验结果表明,不同的喷嘴结构会影响等离子体装置的反射系数随输入功率的变化规律,但并不影响等离子体射流长度随输入功率的变化规律和反射功率随进气流量的变化规律;同时,在大气压下,稳态微波等离子体射流呈现出类金属性,等离子体中的电子只能在很薄的区域中吸收微波能量,因而造成微波的反射功率较大。     

基于MHD的磁射流抛光中流场的分析与模拟

从理论上分析了磁射流抛光中的磁场与流场的相互作用,构建了磁射流抛光的冲击射流模型,基于磁流体动力学对磁射流抛光过程的紊动冲击射流进行数值模拟,得到了磁射流抛光过程的连续流场和射流在工件壁面上的压力、速度、紊动强度分布。通过比较射流抛光和磁射流抛光的数值计算结果,分析了磁流变效应对射流稳定性的影响,从射流的流场、速度、紊动强度等方面分析射流在磁场中稳定的原因。