水下超声速气体射流诱导尾空泡实验研究

两相射流与空化问题对采用喷气推进的水下高速运载器而言不可避免.本文通过水洞实验,探究了回转体在水流场中由亚声速及超声速气体射流诱导形成尾空泡的形态特征,发现了四种不同类型的诱导尾空泡,并探讨了相应的形成机理和控制条件.通过高速图像采集及数字处理技术,得到了不同弗劳德数和通气流量系数下诱导尾空泡的瞬时及时间平均形态.通过气体射流数值解及射流耦合空泡闭合理论模型与实验图像的对比分析,得到如下结论:根据形态特征,将观察到的射流诱导尾空泡划分为泡沫状、完整、部分破碎和脉动泡沫状四类,其中诱导产生的部分破碎尾空泡在形态上与超空泡存在明显差异,脉动泡沫状则为诱导空泡所特有;气体射流受到空泡阻挡发生回射后对应的实际通气流量系数是控制空泡形态的关键;诱导空泡类型转变可以通过Paryshev提出的射流空泡耦合模型预测,但必须在考虑射流空间结构和流动损失的前提下;进行上述修正后,诱导尾空泡形态变化规律与理论模型估算得到的实际流量系数相符合.     

矩形喷口欠膨胀超声速射流对撞的实验研究

在不同喷口间距和射流压力下开展了矩形喷口欠膨胀超声速射流对撞实验并与自由射流进行了对比. 实验表明:超声速射流对撞的辐射噪声中存在四种不同的啸音模式, 且随喷口距离和射流压力的变化在不同模式间切换. 在射流压力大于0.5 MPa且喷口间距小于50 mm时, 射流对撞面在两个喷口外形成两道正激波之间, 啸音基频维持在3 kHz左右. 随喷口间距的增大或射流压力的降低, 射流对撞面在一侧喷口外的弓形激波与另一侧喷口外的正激波之间. 对撞面也有可能出现在两个弓形激波之间, 对应的啸音基频约为9 kHz, 但容易受扰动而回到喷口一侧或是在喷口之间大幅度振荡. 当射流压力小于0.36 MPa且喷口间距大于70 mm后, 对撞面在两个喷口之间大幅度振荡, 产生基频在1 kHz左右并随射流压力的降低和喷口间距的增大而降低的啸音. 关键词： 超声速射流 啸音 射流对撞 激波     

同轴流动聚焦中射流不稳定性的理论研究

壳核结构的微胶囊在医学药学材料食品农业等领域具有广泛的应用前景, 其制备方法一直是相关领域关注的焦点.同轴流动聚焦(co-flow focusing)是一种新型制备技术, 利用复合射流的破碎制备微胶囊具有包裹率高过程量化可控参数域广产率高等诸多优势.在实验中, 复合射流的破碎受到多个过程参数的影响, 并涉及了多层界面的耦合效应.利用简化的物理模型, 在时间和时空域中分析了三相水-油-水复合射流不稳定性的发展和演化.在黏性流体线性稳定性理论中, 同轴射流和驱动液体的基本速度型分别基于管流和误差函数构造, 并通过数值方法求解满足相应边界条件下的线化小扰动控制方程.结果表明:增加内外层界面的界面张力均有利于射流的破碎; 流体的黏性对同轴射流的稳定性均有着促进作用; 越大的黏性越小的内界面张力对应着越大的射流破碎波长; 内外界面的耦合作用以及复合液滴的包裹情况均与内外射流的半径比息息相关; 绝对-对流不稳定性转换的临界Weber数随Reynolds数内层界面张力的增大而增大, 随内层和驱动流体的黏性增大而减小.这些结果将有助于提高液体驱动下同轴流动聚焦技术的过程控制, 为实际应用提供理论指导.      

三维超声速射流火焰的直接模拟研究

本文使用了直接模拟（DNS）程序计算了三维超声速湍流射流火焰。首先介绍了本程序使用到的计算方法,包括热物性参数和输运参数的计算、反应机理、边界条件、离散方法。然后,本文使用该方法计算了马赫数为1.2的三维超声速H₂-AIR湍流射流火焰,描述了火焰的整作结构。最后,本文对火焰底部的稳燃的机理—自燃进行了分析和论证。     

离心泵叶轮内气液两相三维流动数值研究

本文采用欧拉模型对离心泵叶轮内气液两相泡状流动进行了数值模拟。分析了叶轮内压力、速度等的分布规律,发现在靠近轮盖侧吸力面入口附近压力较低,气液两相速度较大,气泡容易凝聚而导致含气率较高;靠近轮盘处含气率较低。分析了不同进口截面含气率对叶轮内部两相流动的影响机理,建立了进口截面含气率对内部相态分离及泵外特性的影响关系。     

超声速后台阶流动/射流相互作用的数值模拟

采用高精度格式求解二维Navier-Stokes方程研究超声速射流与同向超声速后台阶流动相互作用的流场基本结构及规律,分别应用5阶WENO格式、6阶中心差分格式离散对流项和黏性项,时间推进采用3阶Runge-Kutta格式,并应用消息传递接口（message passing interface,MPI）非阻塞式通信实现并行化.分别研究了超声速后台阶流动、超声速射流的基本结构特征,以此讨论和分析超声速后台阶流动/射流相互作用的特征,以及不同来流条件对波系结构、涡结构、剪切层、膨胀扇等的影响,尤其是来流剪切层和射流剪切层的相互作用,形成复杂的波系结构及相互干扰的流动现象.      

激波冲击R22重气柱所导致的射流与混合研究

基于大涡模拟, 结合五阶加权基本无振荡格式与沉浸边界法对激波自左向右与R22重气柱作用过程进行了数值模拟. 数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性所导致的重气柱变形过程, 并与Haas 和 Sturtevant 的实验结果符合. 另外, 结果还揭示了入射激波在气柱内右侧边界发生聚焦并诱导射流的过程, 以及在Kelvin-Helmhotz 次不稳定性作用下两个主涡滑移层形成次级涡的过程, 并分析了气柱变形过程中与周围空气的混合机理. 最后, 通过改变反射距离对反射激波与不同变形阶段的气柱的再次作用过程进行了研究. 结果表明: 当激波反射距离较长时, 反射激波与充分变形后的气柱作用, 使其在流向方向上进一步被压缩; 而当激波反射距离较短时, 反射激波会在气柱内发生马赫反射, 两个三波点附近产生两个高压区, 当其传播至气柱左侧边界时对气柱边界造成冲击加速, 诱导两道向左传播的反向射流. 关键词： Richtmyer-Meshkov不稳定性 R22重气柱 反射激波 射流     

气固两相介质音速研究

本文分析计算了不同气固两相介质的音速,与实验结果比较得到了较好的吻合,验证了普朗特的理论分析.结合汽液两相音速分析表明,求解两相介质音速时可以不考虑相变的影响.以两相音速为基础的激波结果与理想气体激波结果的趋势吻合,较基于单相音速的激波更合理,说明了两相介质音速结果的正确性.     

超声速横向气流中液体射流的轨迹预测与连续液柱模型

对于液体射流沿壁面法向喷注进入超声速横向气流中的射流轨迹开展了理论与实验研究,建立了连续液柱三维实体模型.基于液体微元受力分析建立了连续液柱沿喷注方向横截面的截面变形控制方程,计算了液体射流轨迹与横截面变形,合理考虑了液体射流因发生表面破碎所引起的质量损失,提出适用于超声速横向气流的连续液柱模型.利用高时空分辨率的显微成像方法拍摄超声速横向气流中连续液柱的瞬时图像,研究的参数变量包括液体喷注压降(1—2 MPa)、液体喷嘴直径(0.5 mm/1.0 mm)及液气动量比(3.32—7.27).研究结果表明,采用连续液柱模型可以较好地预测中心面上的射流轨迹和三维空间上的液柱形态,并可较为真实地反映实际流场特征,预测结果与实验结果吻合良好.     

Laval喷管气体超声速凝结流动实验研究

Laval喷管是超声速旋流分离技术的核心装置,气体在喷管内高速膨胀产生的低温效应可实现混合气体中可凝组分的冷凝分离。为明确喷管内超声速凝结流动规律,建立了超声速凝结流动实验系统,研究了Laval喷管内气体凝结流动过程,并重点对比分析了膨胀角为1.5°/3°/5°时喷管内的凝结流动参数。结果表明:气体在喷管内流动,温度压力不断降低,气体在喷管喉部处发生凝结,液滴数目急剧增长。喷管膨胀角对气体凝结过程影响明显。喷管膨胀角越大,喷管压力温度下降越快,喷管制冷效果越好。与此同时,凝结产生的液滴数目越多,半径越小。     

煤矿巷道瓦斯爆炸冲击波与高温气流的关系

 为了给瓦斯爆炸后煤尘二次爆炸的深入研究提供理论依据,应用计算流体力学方法,对煤矿巷道内瓦斯爆炸的瞬态流场进行了数值模拟,得到了冲击波与高温气流流动的时空关系,并借助实验对数值方法进行了验证。研究表明：在瓦斯爆炸后的一定时间内,近场区域和远场的部分区域极有可能引发煤尘二次爆炸。给出了可能发生煤尘二次爆炸的区域随瓦斯区长度的函数关系式,以及远场中峰值温度和峰值超压到达时间的间隔随轴向距离和瓦斯区长度的分布特性。     

用RANS/LES混合方法研究超声速底部流动

在剪切应力输运和弱非线性k-ω模式中引入压缩性修正,并在此基础上构造RANS/LES混合方法,对包含丰富流动结构和复杂流动机理的导弹类超声速底部流场进行数值分析,发现压缩性修正可更好地描述流场特征,适于具有较强压缩性效应流动的数值分析;混合方法捕捉到丰富的流动现象及非定常特性.     

弱激波冲击无膜重气柱和气帘界面的实验研究

研制了一个改进的激波管设备,对马赫数为1.2的弱激波冲击作用下空气中SF6气柱和气帘界面的演变过程进行了初步的实验研究。通过设计激波管实验段、烟雾发生器、气体箱、进气吸气系统和激波管尾段,控制混合气体中SF6的峰值浓度和初始气流速度,建立了稳定、可重复的无膜气柱和气帘初始界面形成技术。利用高速摄影技术,在水平面内观测了气柱和气帘的初始界面图像,沿垂直方向观测了界面RM(Richtmyer-Meshkov)不稳定性的演变过程。气柱演变图像显示了典型的对涡结构,气帘演变图像显示了早期的多蘑菇形结构和后期的相邻波长干扰效应。图像后处理表明,气柱的高度和宽度、气帘的宽度均随时间单调增加,且宽度比高度增加快得多。从二维涡量动力学方程出发,对图像中涡的演变过程进行了初步解释。     

Research on the mechanics of underwater supersonic gas jets

An experimental research was carried out to study the fluid mechanics of underwater supersonic gas jets. High pressure air was injected into a water tank through converging-diverging nozzles (Laval nozzles). The jets were operated at different conditions of over-, full- and under-expansions. The jet sequences were visualized using a CCD camera. It was found that the injection of supersonic air jets into water is always accompanied by strong flow oscillation, which is related to the phenomenon of shock waves feedback in the gas phase. The shock wave feedback is different from the acoustic feedback when a supersonic gas jet discharges into open air, which causes screech tone. It is a process that the shock waves enclosed in the gas pocket induce a periodic pressure with large amplitude variation in the gas jet. Consequently, the periodic pressure causes the jet oscillation including the large amplitude expansion. Detailed pressure measurements were also conducted to verify the shock wave feedback phenomenon. Three kinds of measuring methods were used, i.e., pressure probe submerged in water, pressure measurements from the side and front walls of the nozzle devices respectively. The results measured by these methods are in a good agreement. They show that every oscillation of the jets causes a sudden increase of pressure and the average frequency of the shock wave feedback is about 5–10 Hz.     

Numerical Study of Air Flow Induced by Shock Impact on an Array of Perforated Plates

This study is focused on the propagation behavior and attenuation characteristics of a planar incident shock wave when propagating through an array of perforated plates. Based on a density-based coupled explicit algorithm, combined with a third-order MUSCL scheme and the Roe averaged flux difference splitting method, the Navier–Stokes equations and the realizable k-ε turbulence model equations describing the air flow are numerically solved. The evolution of the dynamic wave and ring vortex systems is effectively captured and analyzed. The influence of incident shock Mach number, perforated-plate porosity, and plate number on the propagation and attenuation of the shock wave was studied by using pressure- and entropy-based attenuation rates. The results indicate that the reflection, diffraction, transmission, and interference behaviors of the leading shock wave and the superimposed effects due to the trailing secondary shock wave are the main reasons that cause the intensity of the leading shock wave to experience a complex process consisting of attenuation, local enhancement, attenuation, enhancement, and attenuation. The reflected shock interactions with transmitted shock induced ring vortices and jets lead to the deformation and local intensification of the shock wave. The formation of nearly steady jets following the array of perforated plates is attributed to the generation of an oscillation chamber for the inside dynamic wave system between two perforated plates. The vorticity diffusion, merging and splitting of vortex cores dissipate the wave energy. Furthermore, the leading transmitted shock wave attenuates more significantly whereas the reflected shock wave from the first plate of the array attenuates less significantly as the shock Mach number increases. The increase in the porosity weakens the suppression effects on the leading shock wave while increases the attenuation rate of the reflected shock wave. The first perforated plate in the array plays a major role in the attenuation of the shock wave.     

激波冲击火焰的流动拓扑研究

为深入研究激波冲击火焰现象的内在机制,采用二维带化学反应的Navier-Stokes方程对现象进行数值研究,通过对速度梯度张量特征方程的分析证明Okubo-Weiss函数适用于可压缩流动,并重点分析火焰区的流动拓扑特性.结果表明,波后火焰区内Okubo-Weiss函数积分量基本守恒,但在火焰区内部和表面具有截然不同的流动状态,且火焰发展基本不受流场可压缩性的影响;波后火焰区的流动拓扑分类主要以焦点和鞍点为主,意味着流场中变形占主导.     

水流动强化天然气水合物降压分解研究

降压法被认为是最经济可行的天然气水合物开采方法,但开采后期驱动力不足、甚至产生水合物的二次生成,因此其应用受到限制。本文将降压法与水流动结合提升水合物分解驱动力,研究不同降压模式和水流动对天然气水合物分解特性的影响。发现当降压结合水流动时,压降为水合物分解提供初始驱动力,且压降越大水合物分解驱动力越大。同时水流动能够加快传热传质过程,为水合物分解提供额外的驱动力。在快速降压结合水流动模式中,较高背压下水流动为水合物分解提供主要的驱动力;在梯度降压结合水流动模式中,降压和水流动共同为水合物提供分解驱动力,对水合物分解的促进作用更加显著。     

上喷淋上进气喷淋塔换热性能数值研究

上喷淋上进气喷淋塔是降低燃煤电厂烟气含湿量的最合适方案.引入用户自定义函数来解决和揭示ST-UD内部的复杂过程,特别是利用已发表的实验数据和其他数值模拟结果对FLUENT模型进行了验证.在此基础上,进行了正交仿真试验,对操作参数的重要性进行了评价,分析了液滴直径、喷淋速度、喷淋水流量和喷淋水温度四个因素与塔效率和冷凝率...     

Experimental Study of the Influence of Different Load Changes in Inlet Gas and Solvent Flow Rate on CO2 Absorption in a Sieve Tray Column

An experimental study was conducted in a sieve tray column. This study used a simulated flue gas consisting of 30% CO₂ and 70%. A 10% mass fraction of methyl diethanolamine (MDEA) aqueous solution was used as a solvent. Three ramp-up tests were performed to investigate the effect of different load changes in inlet gas and solvent flow rate on CO₂ absorption. The rate of change in gas flow rate was 0.1 Nm³/h/s, and the rate of change in MDEA aqueous solution was about 0.7 NL/h/s. It was found that different load changes in inlet gas and solvent flow rate significantly affect the CO₂ volume fraction at the outlet during the transient state. The CO₂ volume fraction reaches a peak value during the transient state. The effect of different load changes in inlet gas and solvent flow rate on the hydrodynamic properties of the sieve tray were also investigated. The authors studied the correlation between the performance of the absorber column for CO₂ capture during the transient state and the hydrodynamic properties of the sieve tray. In addition, this paper presents an experimental investigation of the bubble-liquid interaction as a contributor to entropy generation on a sieve tray in the absorption column used for CO₂ absorption during the transient state of different load changes.