过膨胀超音速蒸汽浸没射流凝结的实验研究

针对入口压力为 0.20～0.60 MPa 的饱和蒸汽在 20～70℃过冷水中形成的过膨胀超音速蒸汽浸没射流凝结进行了实验研究.观察到了渐缩形、收缩-膨胀-收缩形、收缩-膨胀-发散形和发散形汽羽,汽羽形状主要由入口蒸汽压力和过冷水温度决定,给出了汽羽凝结形态分布图.同时,给出了汽羽的轴向和径向温度分布规律,在靠近喷嘴附近,温度变化幅度比较大,在远离喷嘴处,温度变化趋于平缓;汽羽的轴向温度分布与汽羽的形状密切相关.     

超音速蒸汽射流汽羽形状及压力分布的实验研究

本文针对喷嘴喉部直径为8 mm、出口直径为9.6 mm,压力为0.2～0.6 MPa的蒸汽在温度变化范围为20～70℃环境水中形成的超音速蒸汽浸没射流凝结进行了实验研究。实验观察到了五种典型的汽羽:渐缩形、膨胀-收缩形、双膨胀-收缩形、膨胀-收缩-发散形和发散形汽羽。实验测定了流场的压力分布并对轴线压力分布规律与汽羽凝结形态进行了对照分析;同时给出了流场的压力分布图,反映了流场中压力的影响范围随着蒸汽入口压力和过冷水温度的增加而逐渐扩大的规律。     

超音速蒸汽浸没射流凝结汽羽形状的实验研究

本文对入口压力为0.20～0.50 MPa的饱和蒸汽在20～70 ℃过冷水中超音速浸没射流凝结所形成的汽羽的形状进行了实验研究.实验结果表明:根据汽羽膨胀的次数,汽羽形状主要有渐缩形、膨胀-收缩形、双膨胀-收缩形、收缩-膨胀-再收缩形和发散形五种;汽羽的穿透长度随着蒸汽入口压力的增大和过冷水温度的上升而逐渐增大;对于设计压比分别为0.318和0.113的喷嘴,汽羽的无量纲穿透长度分别在3.45～12.62和2.40～9.81之间,明显小于相同条件下音速蒸汽浸没射流凝结所形成的汽羽无量纲穿透长度.同时,在理论推导的基础上给出了计算汽羽无量纲穿透长度的实验关联式,其预测值与实验值误差小于18%.     

音速与超音速蒸汽浸没射流穿透长度的研究

高速蒸汽射入过冷水中形成连续的蒸汽区称为汽羽,汽羽穿透长度是反映蒸汽射流换热特性的重要指标。本文对音速与超音速蒸汽浸没稳定射流核心汽羽区的穿透长度进行了实验研究。实验表明:汽羽的无量纲穿透长度随着蒸汽质量流率的增大和过冷水温度的上升而逐渐增大;超音速蒸汽射流的无量纲穿透长度要小于音速蒸汽射流;超音速蒸汽射流的无量纲穿透长度随着对应喷嘴设计压比的减小而减小。根据实验数据拟合出新的无量纲穿透长度实验关联式,其计算值与实验值误差小于±15%。     

过膨胀超音速蒸汽射流的一种流形及其换热研究

针对进口压力0.4 MPa和0.5 MPa的过膨胀超音速蒸汽在20～50℃过冷水中浸没射流凝结形成的收缩-膨胀-收缩形汽羽的几何参数和换热特性进行了实验研究,并且给出了与汽羽形状对应的典型的射流温度场。建立了收缩-膨胀-收缩形汽羽的分析模型,给出了汽羽的收缩比和无量纲穿透长度。同时,根据平均凝结换热系数的实验关联式,得到射流凝结换热系数在0.71～1.16 MW/(m~2·℃)之间;通过简化得到汽羽表面积的计算公式,根据对流换热模型,得到的平均凝结换热系数在0.71～1.03 MW/(m~2·℃)之间,与实验关联式得到的结果基本一致。     

超音速蒸汽浸没射流凝结换热的实验研究

针对入口压力为0.20～0.50 MPa的饱和蒸汽在20～70℃过冷水中超音速浸没射流凝结换热进行了实验研究.结果表明入口蒸汽压力和过冷水温度是影响汽羽形状的主要因素.分子动力学理论得到的凝结换热系数在0.16～1.91 MW/(m2·℃)之间,随着过冷水温度的增加而增加;湍流强度理论得到的凝结换热系数在0.68～1.68 MW/(m2·℃)之间,随着过冷水温度的增加基本不变;对流换热理论得到的凝结换热系数在1.47～2.11 MW/(m2·℃)之间,随着过冷水温度的增加先增大后减小.     

管内蒸汽射流凝结速度场特性研究

采用粒子图像测速仪(PIV)对圆管内横向蒸汽射流凝结速度场进行了测量。垂直圆管直径80 mm,喷嘴直径3.2 mm,喷嘴与管道壁面垂直,蒸汽射流雷诺数20192Re_s543763,动量通量比为25J400,过冷水温度为30T_w60°C。通过射流中心轨迹线,揭示了射流动量通量比、射流雷诺数和过冷水温度对速度场的影响规律。射流中心轨迹可用指数形式的曲线拟合,引入射流动量通量比J和射流雷诺数Re_s,得到中心轨迹线预测关联式,预测值在实验测量值30%以内。     

蒸汽浸没射流凝结引起的冲击特性研究

本文在广泛的蒸汽压力和过冷水温度范围内,针对饱和蒸汽通过不同出口直径的喷嘴在过冷水中浸没射流凝结引起的压力冲击特性进行了实验研究,测量得到了不同轴向位置和径向位置的冲击压力,并分析了入口蒸汽压力,过冷水温度和喷嘴出口直径对冲击压力的影响规律。结果表明冲击压力主要受入口蒸汽压力和过冷水温度的影响;同时,当汽水参数以及无量纲轴向和径向距离相同时,不同出口直径的喷嘴对应的冲击压力变化很小,从而表明喷嘴出口直径对压力冲击影响很小。     

垂直管内音速蒸汽射流凝结汽羽形状研究

本文针对质量流量376～773 kg·m^-2·s^-1的饱和蒸汽在温度变化范围为10～55℃流动水中形成的音速蒸汽射流凝结进行了实验研究。实验观察到了四种不同的汽羽形状,并且汽羽形状受Re影响较大。当Re与凝结驱动势减小时,最大膨胀比和汽羽喷射长度增大,其值小于蒸汽音速射流在静止水中的情况。本文给出了汽羽喷射长度实验关联式,大多数实验数据与预测值的误差小于10%。     

超音速蒸汽浸没射流与凝结换热的实验研究

本文对压力为0.20～0.40 MPa的蒸汽在27℃环境水中超音速浸没射流与凝结换热进行了实验研究.实验与分析结果表明:流场分为汽羽、汽液界面、汽液两相混合区和环境水四个区域;随着蒸汽入口压力的增大,依次出现圆锥-椭圆双层汽羽、圆锥形汽羽和椭圆形汽羽;当蒸汽入口压力从0.20 MPa增大到0.40 MPa时,汽羽的无量纲穿透长度从2.20近似线性增大到4.20,射流平均凝结换热系数随着蒸汽入口压力的增大缓慢减小,其数值在0.67～0.80 MW/(m2·℃)之间变化.     

基于MPS方法的汽泡凝结数值模拟研究

采用移动粒子半隐式(MPS)方法对静止过冷水中单个汽泡的凝结现象进行了数值模拟,研究了不同初始压力和初始直径时饱和蒸汽汽泡凝结过程,获得了凝结过程中汽泡形状、当量直径和压力的变化规律;汽泡初始压力为0.1～0.5MPa,初始直径为2mm、3mm和5mm;过冷水压力为0.1MPa,温度为70℃。结果表明两相界面不存在压差时,凝结过程中汽泡始终保持球形,汽泡当量直径逐渐减小,压力近似不变;相界面存在压差时,凝结过程中汽泡从球形逐渐变为心形、半月形,汽泡当量直径和压力会出现周期性振荡,且初始压力越大振荡幅度越大。     

超音速蒸汽浸没射流压力振荡第二主频特性研究

本文主要针对在蒸汽质量流率400~900 kg·m~(-2).s~(-1)、过冷水温度20~70℃范围内,超音速和音速蒸汽浸没射流中凝结压力振荡的第二主频进行了实验研究。研究结果表明:对于不同设计压比的超音速喷嘴,第二主频均随冷却水温度的升高和蒸汽质量流率的增大而逐渐减小。同时,本文在音速喷嘴第二主频的实验关联式基础上加入设计压比修正,拟合得到超音速喷嘴第二主频实验关联式,其计算值与实验值误差在士16%之内。     

蒸汽空气混合物与过冷水直接接触凝结研究

通过实验研究了矩形通道内蒸汽-空气混合气体与过冷水的直接接触凝结过程。通过可视化窗口,利用高速摄像机发现了蒸汽质量流率150~400 kg/(m~2s),水质量流率6000~8000 kg/(m~2s),水温30℃条件下的三种纯蒸汽凝结流型:泡状流、振荡射流和稳定射流。研究了空气质量分数对凝结流型、壁面温度分布和压力分布的影响,结果表明:随着空气含量的增加,蒸汽在汽液相界面上的凝结变得困难,泡状流和振荡射流的汽液相界面明显变长,稳定射流则变化不大,汽液混合层的厚度明显增加,蒸汽区尾部聚集大量的气泡。此外,随着空气含量的增加,上壁面的温度降低,压力升高,下壁面的温度和压力均升高,且压力峰值点远离蒸汽喷嘴出口,说明汽液相界面变长。     

超音速等离子体炬的磁流体动力学数值研究

针对设计的喉径2mm、工作电流为100A的拉瓦尔喷嘴,在二维轴对称模型的基础上,对超音速等离子体炬中的流动及其外部射流进行了数值模拟。通过在阳极喷嘴内部采用基于磁矢量势的磁流体动力学模型,避免了对磁感应强度的复杂积分计算,得到了喷嘴内部多场耦合的结果及外部射流的流动状态,分析了喷嘴内部电磁场对等离子体的加速作用及射流发展过程。结果显示,等离子体经历了亚音速→跨音速→超音速的发展过程,最终获得2.3 Ma的超音速射流。研究结果为超音速等离子体炬的工业应用提供了理论基础。     

变质量流率蒸汽浸没射流压力振荡特性研究

本文对变质量流率蒸汽浸没射流压力振荡特性开展了实验研究,发现蒸汽质量流率随时间延长呈指数规律下降。蒸汽射流凝结经历了稳定凝结、振荡凝结、过渡喘振和喘振四个阶段,射流初始水温越高,各个凝结区域转换点对应的蒸汽质量流率越高。在不同的凝结区域,蒸汽质量流率和过冷水温度对振荡特性的影响程度不同。相同蒸汽质量流率时,初始水温越高振荡频率越小。振荡强度均方根值和峰值均在凝结振荡区达到最大,且初始水温越高,最大值对应的蒸汽质量流率越高,振荡强度峰值最高可达70 kPa。     

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。     

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。     

起伏条件下不稳定射流压力振荡特性实验研究

蒸汽在过冷水中浸没射流凝结技术因其高效换热特性被广泛应用于陆地和海洋场景下的电力和核工业等许多工业领域中,但蒸汽凝结过程中汽液相界面变化会产生压力振荡。本文对起伏条件下不稳定射流的压力振荡特性进行了实验研究,获得了不同起伏参数对压力振荡特性的影响。结果表明,相比于静止条件下,不稳定射流在起伏运动下的压力振荡主频与压力振荡平均幅值更大,并且压力振荡主频和压力振荡平均幅值随着起伏幅值的增大而增大,随着起伏周期的增大而减小;起伏最大加速度幅度随着起伏周期的减小和起伏幅值的增大而增大,斯特劳哈尔数随着起伏最大附加加速度的增大而增大。     

相变常数对反应射流气羽影响的数值研究

以Li-SF_6反应射流为能量来源的闭式循环动力系统在水下推进以及航空航天等领域具有广阔的应用前景。本文在欧拉模型和组分输运模型的基础上,结合涡耗散反应速率模型和Lee相变模型对Li-SF_6反应射流过程进行了三维稳态计算,研究了相变常数对反应射流流场以及气羽结构的影响。研究结果表明,反应射流气羽穿透长度随蒸发常数的增加而增加,随凝结常数的增加而减小;在蒸发常数为10~4以及凝结常数为10~6下,气液界面与饱和温度分布一致,模拟计算结果与实验结果符合较好。本文研究结果将为Li-SF_6反应射流的数值模拟奠定基础,也将对Li-SF_6射流反应器的设计和安全运行提供指导。     

天然气超音速分离器中凝结流动过程数值模拟的研究进展

超音速分离技术因其诸多优点在天然气脱水脱烃方面应用广泛,并在液化领域逐步得到试验他应用。文中介绍了国内外超音速分离过程的数值模拟研究现状,对天然气超音速分离器中的凝结过程和流动过程的现有模型及数值方法及适用性进行了比较和分析,给出了天然气超音速分离、液化过程研究中凝结流动模型选取的建议,并对数值模拟结果进行了分析和总结。