阶梯型加速段对旋流喷嘴雾化特性的影响

旋流内芯是压力旋流式喷嘴最主要的旋流发生构件,其几何特征直接影响压力旋流式喷嘴的喷雾特性.目前采用平滑型加速段的旋流内芯导流效率较低.为减小高流量条件下的能量损失,使喷嘴旋流内芯加速段对喷雾介质产生预旋效应,增强旋流强度,本文设计喷嘴旋流内芯加速段为阶梯型,其下段阶梯相对上段阶梯旋转15°,旋向与喷嘴旋流槽方向相同.利用粒子动态分析仪(particle dynamics analysis system,PDA)和高速摄影(charge coupled device,CCD)系统实验研究了加速段结构改进前后喷嘴的喷雾流量、雾场索特尔平均直径(Sauter mean diameter,SMD)、雾滴速度以及喷雾锥角,并分析了SMD、雾滴速度的轴向和径向分布特性.结果表明,背压差0.08~0.46 MPa范围内,阶梯型加速段对喷雾介质具有较好的预旋效果.喷嘴的流量提高了48.0%~51.8%;喷雾的轴向速度提升了31.4%~32.8%,径向速度提升了1.6%~16.8%;喷雾锥角减小了4.21°~6.57°;较高背压差下喷雾下游的SMD减小了9.8%.与平滑型加速段相比,阶梯型加速段的设计有效地提高了喷嘴的雾化质量.     

水平旋转空腔环流的壁面应力

通过对典型的水平旋转内消能泄洪洞空腔环流的试验观测，研究了其壁面应力的变化规律。空腔环流的壁面压强在水平洞的起始段壁面压强急剧减小然后回升，具有过渡段的性质，沿程波状减小，符合对数变化规律，但不同的流态，对数律的参数的变化是不同的：内界面相对压强Po/Pwz。在淹沿流流态时，随(H-h)/h的变化率显著不同，在吸允流流态时却基本相同；壁面切应力沿z的变化规律为先急剧减小，随后缓慢减小至零，主要与环流特性有密切的关系。     

阶梯型加速段对旋流喷嘴雾化特性的影响

旋流内芯是压力旋流式喷嘴最主要的旋流发生构件, 其几何特征直接影响压力旋流式喷嘴的喷雾特性.目前采用平滑型加速段的旋流内芯导流效率较低.为减小高流量条件下的能量损失, 使喷嘴旋流内芯加速段对喷雾介质产生预旋效应, 增强旋流强度, 本文设计喷嘴旋流内芯加速段为阶梯型, 其下段阶梯相对上段阶梯旋转15°, 旋向与喷嘴旋流槽方向相同.利用粒子动态分析仪(particle dynamics analysis system, PDA) 和高速摄影(charge coupled device, CCD)系统实验研究了加速段结构改进前后喷嘴的喷雾流量、雾场索特尔平均直径(Sauter mean diameter, SMD)、雾滴速度以及喷雾锥角, 并分析了SMD、 雾滴速度的轴向和径向分布特性. 结果表明, 背压差0.08\mathrm{~} 0.46 MPa 范围内, 阶梯型加速段对喷雾介质具有较好的预旋效果.喷嘴的流量提高了48.0% ~ 51.8%; 喷雾的轴向速度提升了31.4% ~ 32.8%, 径向速度提升了1.6% ~ 16.8%; 喷雾锥角减小了4.21°~6.57°; 较高背压差下喷雾下游的SMD减小了9.8%.与平滑型加速段相比, 阶梯型加速段的设计有效地提高了喷嘴的雾化质量.      

旋流阻塞与旋流扩散复合内消能泄洪洞的壁面压强特性

结合雅砻江两河口水电站3#导流洞改建的水工模型试验,研究了新型旋流阻塞和旋流扩散复合内消能泄洪洞的壁面压强特性。研究结果表明:在淹没堰流流态时,壁面压强在进口的堰面、竖井段和旋流洞段因阻塞的顶托作用整体增大;在起旋器出口下游侧的旋流洞的顶部仍然存在局部范围的低压区或负压区;在旋流阻塞段,流速增大,壁面压强减小,水流空化数降低;在旋流扩散段,壁面压强略大于或小于大气压。     

矩形平底渠道淹没水跃区的水头损失

研究了矩形平底明渠淹没水跃区的水头损失。根据Rajaratnam对淹没水跃区的流速分布、壁面切应力、最大流速的试验成果和Verhoff附壁射流区断面流速分布的计算公式,应用紊流边界层理论研究了淹没水跃区的边界层发展和沿程水头损失的计算方法。根据动量方程和能量方程研究了淹没水跃区的跃前断面水深、总水头损失、局部水头损失、消能率的计算方法。给出了淹没水跃区最大流速、紊流边界层厚度、沿程水头损失、总水头损失、局部水头损失、局部阻力系数、消能率的计算方法。研究表明:淹没水跃区的总水头损失是跃前断面弗劳德数、跃前水深和淹没度的函数,沿程水头损失和局部水头损失与跃前断面流速、水深、水跃长度、跃前断面的特征雷诺数和消力池宽度有关。淹没水跃区的水头损失主要是局部水头损失,消能率随着弗劳德数的增加而增加。     

双柱单锥型液-液旋流管内流场的激光诊断

应用激光测速仪，对一种双柱单锥型液 液旋流管内的流动结构，进行了全场范围内的多工况流动诊断研究．揭示出其切向速度由内旋流区和外旋流区构成，其中内旋流区中的速度分布符合准强制涡关系，外旋流区中的速度分布符合准自由涡关系；轴向速度由上行流动区和下行流动区构成，两者之间在直管段以零速点作分界，在锥体段则以零速区作过渡并伴随有一定的回流出现，且该过渡区或回流区的大小随锥体截面的收缩而减小，直到进入直管段后消失；各湍流量的分布以管芯处最大向外逐渐减小，沿轴向是直管段中的湍流度大于锥体段中的湍流度，而且湍流度在旋流管内具有各向异性的特性．     

管内湍流旋流的数值计算

本文用有限差分法对直管内的湍流旋流进行了数值模拟。计算中采用Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ湍流涡粘性假设的基本思想和Ｋ－ε双方程模型来求解雷诺应力各分量。为了反映旋流中湍流转输的非均匀性和各向异性特征，对雷诺应力各分量及与之相主尖的各湍流粘性系数分别进行计算。计算结果表明该模型能较好地反映直管内湍流旋流的流动结构。     

应用二维激光测速系统研究面流消能的紊动特性

本文应用二维激光测速系统对面流消能工下游典型流态的紊动特性进行了系统的试验研究,得到了不同来流条件下面流的时均流速、紊动强度及雷诺应力等沿主流与回流区的分布特征;计算并绘制了流线图,由此分析了淹没面流时底旋滚长度和佛劳德数的关系。对紊动能量的转换过程及耗散特征进行了计算分析,初步探明了消能机理。     

自由场空泡溃灭过程能量转化机制研究

综合应用实验与数值模拟方法, 深入讨论了自由场空泡溃灭过程中的能量转化机制. 在实验研究中, 应用纹影法记录了空泡溃灭的演变过程, 提取了空泡在溃灭过程中的半径, 溃灭速度等数据, 结合空泡势能和动能方程, 描述了空泡能量的转化过程. 在开展数值模拟分析时, 运用弱可压缩流体质量守恒方程和动量方程, 建立了三维数值模型用以模拟空泡在自由场中的溃灭过程, 并且由结果中获取了空泡溃灭过程中的压力及速度变化规律, 揭示了空泡在溃灭过程中能量转化机制. 研究结果表明: (1) 自由场空泡在溃灭过程中, 空泡势能与空泡半径具有相同的演化趋势, 空泡动能与势能变化趋势相反; 当空泡达到最大半径处时, 空泡势能最大, 流场动能为零. (2) 溃灭后期在空泡周围会形成高压区域, 该区域的压力梯度与速度梯度较高, 随着空泡收缩, 高压区域面积逐渐减小. (3) 空泡在自由场中发生溃灭时, 空泡势能不断转化为流场动能, 在溃灭时刻可以明显观察到冲击波现象, 空泡的大部分能量会在此时转化为冲击波的波能.      

单柱单锥型液—液旋流分离管内流场的LDV诊断

应用二维激光多普勒仪（ＬＤＶ）对一种单柱单锥型液－液旋流分离管内流场进行了测量,考察了流量、溢流比、压力比和气芯等参数对流场的影响。测量结果表明：切向速度分布呈典型的Ｒａｎｋｉｎｅ涡结构,沿轴向衰减很少,表明所用锥角是合适的;因该旋流管的水力直径较大,切向速度的总体水平较低,由于对了离特性带来了不利影响。此外,没有观察到切向速度分布的的双峰分布现象。轴向速度的总体水平较低,尤其是在锥形管的上游更为     

统一二阶矩模型用于模拟旋流湍流两相流动

用统一二阶矩模型（ＵＳＭ）模拟了旋流数为０４７和１５的气粒两相流动，并和实验结果以及ｋ ε ｋｐ模型的模拟结果进行了对比．研究结果表明，提高旋流数减小了轴向速度反流区，增大了切向速度似固核区．ＵＳＭ和ｋ ε ｋｐ模型预报旋流数为０４７时的两相速度场差别不大，并都和实验结果接近，但前者预报的旋流数为１５的两相速度场比后者有改进，在两种情况下，前者都能揭示出后者无法预报的两相湍流各向异性规律．     

消能锥阀结构改进的三维数值模拟研究

对常规消能锥阀体型进行了改进,提出了一种新型的嵌套式消能锥阀.该新阀将原来通过阀体的一股环状射流变为两股互不平行的环状射流,通过这两股高速水流在阀口的碰撞提高消能率、改善流态.采用可压缩的两相流模型,辅以Realizable k–ε湍流模型来模拟锥阀附近水流的水力特性,对于自由水面的处理采用了VOF法,并进行压强场和流速场及消能情况的对比分析.结果显示:在上游进口端控制断面的水流流量相同的情况下使用嵌套式消能锥阀,阀前进水管道的压强可由原来的25kPa减小到15kPa,减小了40%;阀体所承受的压力由35kPa减小到10kPa,减小了57%;下游管道中水流落点之后的沿程断面平均流速减小了约0.1m/s.在上游进口端具有相同的总水头的情况下,嵌套式消能锥阀对流速水头及压强水头的消能能力都要比使用常规消能锥阀好.     

环形通道内湍流旋流流动的数值模拟

本文应用一种考虑湍流－旋流相互作用及湍流脉动各向异性的新的代数Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力模型,对环形通道内的湍流旋流流动进行了数值模拟,研究了改主为旋流流数,进口轴向速度及半径比等参数对环形通道内湍流流动的影响,以及对强化环形通道内传热的作用。     

平流式沉淀池液固两相流力学特性的立面二维数值模拟

采用双流体模型,选取RNG k-?紊流模型封闭双流体两相流时均方程,对平流式二次沉淀池液固两相流力学特性进行立面二维数值模拟。采用有限体积法求解双流体微分方程;紊动能、紊动能耗散率方程均采用Quick离散格式;耦合求解速度与压力时使用了压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法。通过模拟表明:水流经过挡板后,底部是急剧扩散的主流,流速大,上部是回流;流速沿流程逐渐减小,到中部近似均匀流;出口附近水流收缩流出,流速变大。进水口附近紊动动能较大,而后紊动动能沿流程逐渐减小,在出水口附近,由于流速的增大紊动动能也随之增大。将模拟值与实测值进行了对比分析发现,流速的最大误差为10%,出口悬浮物相对浓度的最大误差为15%。这表明该模型能够较好地模拟沉淀池中的水力特性分布规律,对沉淀池的设计具有一定的参考价值。     

不同参数下环形通道内湍流旋流流动的模拟

应用一种合理考虑湍流一旋流相互作用及湍流脉动各向异性的新的代数ＲｅｙｎｏｌｄＳ应力模型,对环形通道内的湍流旋流流动进行了数值模拟．研究了旋流数、进口轴向速度和内外半径比等参数对环形通道内湍流旋流流动的影响,以及由此产生的流场变化对强化环形通道内传热的作用．     

关于雨伞自动撑开的注记

半自动雨伞只有一个独立的状态参数;撑开过程中处于压缩状态的弹簧释放能量,收回时则外力做功转换为弹性势能,且操作用力远小于弹簧压力.分析了雨伞的几何结构特征和能量变化过程,得到相关参数的计算公式,并基于实测数据给出具体结果.     

孤立波斜坡堤堤顶及后坡越浪流数值分析

孤立波往往被用来模拟海啸等浅水大波.运用基于RANS方程、VOF方法以及Goring造波方法建立了二维数值波浪水槽,进行了孤立波在简单斜坡堤上越浪过程的数值模拟.通过数值模拟,研究了不同相对堤顶宽及不同相对波高条件下对孤立波越堤流基本特征,包括堤顶前缘水层厚度及速度、堤顶末端水层厚度及速度、堤顶流厚度及速度沿程分布、后坡流厚度及速度沿程分布.依据数值实验结果,建立了堤顶流最大厚度分布及最大速度分布的经验公式.计算结果表明,堤顶流厚度沿程减小,而堤顶流速度则沿程增大;后坡流厚度先增大,随后再沿程缓慢减小;后坡流速度先减小,随后再沿程缓慢增大.     

等壁温加热微通道内气体流动换热特性的直接蒙特卡罗模拟

用直接模拟蒙特卡罗方法对压力边界条件下气体在微通道内的流动换热特性进行了研究,给出了壁面与来流存在温差时的沿程速度分布特点,以及在可压缩性与换热条件综合作用下的温度分布特点。研究结果表明:微通道内气体可压缩性作用显著,温度分布由可压缩性和换热强度的相对强弱综合决定;壁面与来流存在温差时气体沿程速度分布型线在入口段内上凸;壁温高于来流温度时,气流速度与等温流动工况下的速度的相对大小与气体稀薄性有关。     

基于五阶WENO格式的燃气在药床中流动过程二维两相流研究

为研究内弹道初始阶段中心点火管燃气在膛内药床中的流动特性和传播规律,设计了可视化点传火实验平台,并进行了膛内假药床的点传火实验。基于加权本质无震荡(weighted essentially non-oscillatory, WENO)格式,构造了膛内轴对称二维内弹道两相流模型,对膛内燃气在假药床中的流动过程进行数值模拟。计算结果与可视化实验结果符合较好,全局压力平均误差为5.35%。表明数值计算准确地描述了燃气流动特性,完整地呈现了点火管燃气在假药床中的发展过程。在点火初始阶段,膛内压力径向效应明显,气相沿径向传播较快,药床药粒基本不会发生运动;随着燃气逐渐在膛内传播,膛内压力呈现径向一致、轴向梯度分布的特征,在压力梯度作用下,气相轴向速度开始占据主导,径向速度在膛底和中部区域减小为零,而固相速度随气相速度变化而变化;气相在到达弹底前,由于固相颗粒的壅塞,会提前出现速度反向波动现象。     

波浪与新型双排开孔圆筒防波堤相互作用三维数值模拟

双排开孔圆筒防波堤是基于圆筒、板式结构的一种复合式新型结构型式;基于不可压缩两相流模型建立三维数值波浪水槽,通过RNG k-ε湍流模型进行湍流封闭,并采用TruVOF方法捕捉自由液面,开展波浪与双排开孔圆筒防波堤相互作用数值模拟,探究相对排间距、开孔率对新型双排开孔圆筒防波堤消浪性能的影响,分析了后排开孔圆筒防波堤附近的复杂水动力现象和流动特性.结果表明,在本文研究工况范围内,沿程平均波高随相对排间距的增大先增大后减小,随开孔率的增大而增大,周期对沿程平均波高的影响没有明显规律;当B/D=9, e=23.11%时,新型双排开孔圆筒防波堤消浪效果最优,反射系数在0.4～0.46之间,透射系数在0.3～0.35之间,耗散系数在0.8～0.85之间;自由液面破碎、水气掺混、环状涡运动演化是新型双排开孔圆筒防波堤紊动耗能消波的主要原因;相对排间距会引起后排防波堤附近涡量分布以及剪切层形态的变化,从而导致不同的紊动特性,影响双排开孔圆筒防波堤消浪特性.研究结果可以为新型双排开孔圆筒防波堤工程设计与消浪机理研究提供理论支撑.