“射流松动泥沙”的机理及工程应用试验研究：射流引起的非均匀流全河段比降

泥沙清淤技术及其基础研究需要不断发展，通过自制射流发生装置，在水槽中对充引起的非均匀波水面比降及垂线流束分布全河段地系统试验研究。由于射流的存在，水面比降及垂线流速分布发生较在同比降射流段上游的比无射流的小，充段及其下游比无射流的大，而全不面比降比元流时增大。垂线流速分布在射流段及其下游附近发生根本的变化，有射流时，水面附近的流速比底部流速小，垂线平均流速一般小于无射流。上述这些特点与水槽流量和射     

汇流比和入汇角对明渠交汇水流特性影响的对比研究

为探究汇流比与入汇角对明渠交汇水流水力特性影响的区别,首先通过45°明渠交汇水槽的试验研究了不同汇流比工况下交汇区的水流特性;然后采用RNG k-ε模型模拟交汇区水流的湍流流动;佐以标准壁面函数法处理近壁低雷诺数区域,对明渠交汇水流进行了数值模拟,并结合45°明渠交汇水槽试验对数值模型进行了率定。模拟结果显示,分离区的尺寸随着汇流比和入汇角的增大而增大。汇流比和入汇角对于交汇区流速分布影响的区别在于:汇流比变化对下游远处流速分布的影响较大,对入汇口附近断面的影响并不明显;而入汇角变化会对入汇口附近及其下游较远的区域造成较大影响。随着汇流比的增大,入汇口下游区域的流速不均匀程度也在增加;而随着入汇角的增大,流场的不均匀系数呈先增加后减小的趋势。     

激波冲击SF6重气泡引发射流的数值模拟

为深入研究重气泡内激波聚焦和射流生成的机理,采用高精度计算格式和高网格分辨率对马赫数为1.23的平面入射激波与SF₆重气泡的作用过程进行数值模拟,计算结果与文献中实验吻合较好。结果显示:入射激波在重气泡内首先在流向上汇聚形成上、下对称的高压区,随后,这对高压区在SF₆重气泡中心对称轴处再次碰撞,完成激波聚焦过程,并在气泡下游界面附近形成远大于初始压力和密度的局部高压高密度区,体现出SF₆重气泡极强的聚能效应;激波聚焦还引起气泡下游界面附近的涡量变化,涡对的旋转能够加速射流形成与发展。因此,SF₆重气泡下游界面附近的高压区和涡量分布对形成射流结构均有促进作用。     

有限尾水深波浪底板壁面射流水力特性的数值模拟研究

采用VOF(Volume of Fluid)方法追踪自由液面,辅以Realizable(可实现化)κ-ε湍流模型封闭两相流时均方程,对有限尾水深波浪底板壁面射流水力特性进行了数值模拟。微分方程的离散采用有限体积法,速度与压力耦合求解使用了压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法。分析了入射速度和底板粗糙度对流场流线分布、横断面最大流速沿程衰减规律、底板压强分布规律等水力特性的影响。研究发现:流场内存在两个大的漩涡,而且波浪底板凹面附近存在有小的漩涡;入射流速越大,横断面最大流速沿程衰减梯度越大;波浪底板上的压强也呈波状分布,且压强大小主要受入射流速和底板粗糙度两个因素的影响。     

定床弯道内水沙两相运动的数值模拟

在适体同位网格中采用非正交曲线坐标系下的三维k-ε-kp固液两相双流体湍流模型研究弯道内水流和悬浮泥沙运动,主要计算了试验室S型水槽内清水流动的三维流场、120°弯道内水沙两相流动中底沙与底流的运动轨迹以及S型水槽内水沙两相流动的两相流场和泥沙浓度场. 对于S型水槽内清水流动,数值结果与试验结果吻合良好. 120°弯道内水沙两相流动中固液两相的运动轨迹在弯道直线段基本重合,在弯道内泥沙轨迹逐步偏离水体轨迹,其偏离程度随泥沙粒径增大而增大. 从S型水槽内水沙两相流动计算结果中发现泥沙纵向流速在壁面附近比水流纵向速度大,在远离壁面区域比水流纵向速度小;弯道内泥沙横向流速比水流横向流速小;垂向流速在直线段和泥沙沉速相当,在弯道内受螺旋水流影响而变化;两相流速差别随泥沙粒径增大而变大;泥沙浓度呈现下浓上稀的分布,在弯道内横向断面上呈现凸岸大凹岸小的分布,泥沙浓度随泥沙粒径增大而减小.      

逆壁射流中射流剪切层内湍流结构特性的实验研究

采用粒子图像测速技术对逆壁射流全流场进行了实验测量,射流与主流的速度比为8.89,基于射流圆管内径的雷诺数为对射流中心线上不同流向位置的脉动速度场统计分析发现:在占据主导地位.在驻点附近(尺度进行分析,在x/D=46～51总尺度向射流下游发展呈减小趋势.在x/D=35～41,参考点下游尺度大于上游尺度.在本征正交分解方法对湍流结构进行了定量分析,发现模态能量集中在低频,流场中能量最大的模态频率为f D/Uj=0.000 5,出现在再循环区.频率为产生了湍流结构,并且沿再循环区外围输运.高频结构的构型是类似的,均位于射流剪切层内,且频率越高,越接近射流出口,尺度越小.     

卡鲁塞尔氧化沟反应器三维流场体视PIV测量

采用体视PIV(Stereoscopic PIV)技术对卡鲁塞尔氧化沟模型直道、弯道及曝气叶轮段等处三维全场流速进行测量,克服了传统接触式点测量方法无法获取全场流动同步信息的缺陷,分析了不同位置处的流动结构,并对纵、横、垂三向流速沿程分布特点进行了研究和比较.结果表明,纵、垂两向的流动分布是决定沟内水力特性的主要因素;横、垂两向的流动是决定污泥沉积位置的主要因素;外沟靠近曝气叶轮直道段的流速分布上大下小,使低速区底部易发生污泥沉积;外沟远离曝气叶轮直道段流速分布上小下大,利于防止泥水分离;弯道段受横比降和横向环流的影响使内侧容易形成低速区或停滞区而发生污泥沉积;倒伞型叶轮使其附近流场在垂向呈螺旋形分布,利于气、液、固三相的均匀混合.     

带滩槽地形的连续弯道中纵向流速横向分布解析

本文基于沿水深积分的动量方程,假定二次流项和弯道附加应力项沿横断面呈线性分布,提出了预测弯道垂线平均纵向流速的解析计算方法,进一步提出了河槽区和河滩区垂线平均纵向流速沿断面分布的求解模式,并将其应用于带滩槽地形的反向连续弯道水槽中.根据实测数据率定计算参数,该模式可计算不同出口水深条件下断面垂线平均纵向流速分布,计算结...     

电场驱动射流的弯曲失稳分析

本文对电场驱动射流弯曲问题的动力模型作了理论推导和数值分析.在假定射流具有牛顿粘性并作一维流动的基础上,建立了射流运动的控制方程,采用此方程来研究当带电流体穿过电场时受小扰动而产生的失稳现象.将方程无量纲化后,利用简正模态法对控制方程进行了稳定性分析,而后采用伽辽金法求解方程.结果表明,外电场增强、表面电荷量进一步增多(电荷量较大时)、射流轴向流速增大(其值较大时)、射流半径减小以及电荷的分布不均匀性增大,都可以显著增强射流的短波不稳定性;射流偶数阶频率导致了不稳定性,而且阶数越高,不稳定性增长得越快;频率具有虚部,意味着模态中相差的存在;并且射流在短时问内会失去稳定性.     

锥射流模式下乙醇静电喷雾液滴速度特性分析

研究液滴在静电喷雾下的速度特性是理解喷雾形态的形成及演化的关键.结合锥射流模式下乙醇静电喷雾实验数据,建立了静电喷雾二维轴对称模型.基于离散相液滴运动方程、连续相空气运动方程、电场方程以及用户自定义函数,进行了数值求解,获得了锥射流模式下的乙醇静电喷雾形态、空间电场分布以及液滴速度场分布.考虑了不同空气入口流速的影响,得到了乙醇/空气同轴射流静电喷雾形态的变化规律.结果表明,喷雾外围液滴与空气流场有较强的相互作用,导致喷雾中轴线附近的液滴速度分布变化较小,而在喷雾外围处的液滴速度分布沿径向剧烈变化;随着空气入口速度的增大,乙醇/空气同轴射流静电喷雾形态先趋于发散,当空气入口速度大于喷雾外围液滴轴向速度时,喷雾形态则趋于聚拢.因此,除改变施加电压、液体流量和电极结构外,通过控制空气入口速度来影响喷雾液滴速度场,也可获得不同的静电喷雾效果.     

具有壁面射流激励的圆管内气相流动大涡模拟

采用大涡模拟方法和单方程亚格子模式对小尺度量进行模拟。研究了不同强度壁面射流激励对圆管内气相流动的影响,模拟结果给出了射流对瞬态拟序结构发展、时平均流向速度分布的影响。随着射流强度的增加,射流入口附近流体的回流现象增强。射流强度足够大时可以减小管壁处的切应力值,同时会减小壁面附近流动速度,这种速度分布会导致气体夹带颗粒的能力下降,从而在实际两相流动中容易造成壁面附近的气粒返混现象。     

植被作用下的复式河槽流速分布特性

通过水槽试验,探讨了不同滩地植物 (乔木、灌木和野草) 对复式河槽流速分布的影响. 详细地介绍试验过程及三维流速仪ADV的测量原理. 试验时, 选塑料吸管、鸭毛和塑料大草分别模拟乔木、灌木和野草. 同时,考虑了流量、床面底坡对 流速分布的影响. 试验结果表明,滩地未种树的复式河槽在大的相对水深时,流速满足对数 分布;滩地种树后,主槽流速增大,流速分布复杂,滩地流速减小,呈 S 形分布,不同植物的S 形分布是不同的. 这种S 型分布将水流划分为3个区的复杂行为,每区的范围与水深,垂线位置和植物类型有关. 床面坡度对流速分布的影响非常明显     

展向喷嘴湍流横向射流大涡模拟及其统计分析

采用大涡模拟方法数值模拟了展向椭圆喷嘴的湍流横向射流,对其大尺度结构的时空演化和湍流脉动速度场的时间序列分析、频谱分析、PDF分析以及时、空截面上的统计平均特性进行分析.结果表明,在射流出口附近的下游核心区中速度脉动剧烈,显现出明显的湍流特征.除了三维涡环脱落、扭曲、变形、摆动所对应频率之外,还存在很宽的湍流基频,它与在喷嘴出口附近产生的三维涡环的时空演化过程密切相关.由于展向椭圆喷嘴的湍流横向射流中的三维涡环快速脱落和强相互作用导致射流尾迹中的强湍流脉动,展向椭圆喷嘴湍流横向射流的PDF空间演化特征结构复杂.在射流核心区的湍流偏应力变化平缓,其统计平均值分布接近左右对称.展向椭圆喷嘴的湍流横向射流脉动速度场具有极为复杂的统计行为,与流向椭圆喷嘴相比具有更好的掺混能力.     

有效射流结构模式的数值模拟

应用LS-DYNA程序及示踪点信息后处理方法，将典型小锥角药型罩沿母线方向分为4段，研究其微元在炸药爆炸驱动下的运动规律及有效射流结构模式。射流形成并稳定后，将罩质材料按速度大小分为6段，得到各段结构组成模式。结果表明，有效射流高速段由药型罩顶部材料组成，次高速段及中速段由罩中部及中下部材料组成，靠近罩底部约0.25倍罩高范围内的材料不形成射流，有效射流段为初始材料微元的管状分层分布形结构。     

冲击高度对自由冲击射流影响的实验研究

采用热线风速仪测量了雷诺数为 ２３ ０００时四种冲击高度下率流自由冲击射流流场，并给出详细的结果．表明壁面的“阻尼”影响主要集中在近壁面０．５Ｄ以内．小冲击高度时径向速度下降得比大冲击高度时明显要快，量值也较小；在ｒ／Ｄ≤１．５处，小冲击高度时紊动能的数值大小和分布趋势与大冲击高度时不同，特别是在喷管出口距冲击板高度Ｚ与喷管直径Ｄ之比Ｚ／Ｄ为８时分布特殊，在其它测点处，紊动能的分布趋势基本一致，只是大冲击高度下的值较大；流动结构在Ｚ／Ｄ为６～８时发生了较大的变化，这种变化与势流核心区有关，在势流核心区的顶端以及下游的一段距离内紊流度都很高．     

聚能射流形成数值模拟

基于网格自适应方法,ALE方法和SPH方法模拟了聚能射流形成过程.分析了射流头部速度随时间的变化关系,初始时刻位于药形罩不同位置的金属形成射流后的速度分布情况以及射流形成后沿射流方向射流整体速度分布情况.对比了三种方法用于模拟聚能射流形成问题的特点以及与实验的近似程度.数值模拟结果与射流形成过程与机理一致,可以体现射流形成特点,且SPH方法计算结果与实验数据最为接近.     

聚能炸药逆向环形起爆形成高速射流研究

设计了一种长径比为 0 .375 ,罩锥角为 12 0的大锥角小长径比聚能装药。利用闪光X射线摄影技术观察了小长径比聚能装药正向起爆时形成的射流图象以及逆向起爆时药型罩的压垮图象和射流图象。给出了形成射流的头部速度、射流的质量分布等射流特性参数。试验的聚能装药逆向起爆时射流头部速度为 7.48km/s,而正向起爆时仅为 4.34km/s。试验研究表明通过逆向环形起爆 ,小长径比聚能装药获得高速射流是可行的。     

射流对空腔噪声抑制效果研究

高速空腔流动的流场结构非常复杂,在一定条件下存在严重的压力、速度等脉动,诱发强烈的噪声,声压级可达到170dB,对腔内的导弹及其自身结构安全构成很大的威胁。应用基于两方程剪切应力(SST)的尺度自适应(SAS)分离流模型的CFD技术和气动声学频域理论(FW-H积分方程),模拟了射流对二维M219空腔(长深比L/D=5)内气动噪声变化情况,研究了空腔流动特性、流场结构及发声机理。在此基础上,首先对比分析了不同射流位置对空腔噪声的抑制情况,以此确定一个工程上可实现的射流位置;然后,对比分析了不同射流状态(不同的射流流量、温度)对空腔噪声的抑制情况。由此可知,跨音速(Ma=0.85)条件下,采用不同的射流状态对空腔噪声具有不同的抑制效果,其中随着射流量及射流温度的增大,噪声抑制效果更加明显。     

不同交汇角度明渠交汇口三维水力特性的大涡模拟研究

采用气液两相流混合模型对不同交汇角度下等宽明渠交汇口三维水力特性进行了数值模拟研究。选取大涡模型(Large Eddy Model)封闭两相流时均方程,求解速度与压力耦合方程组时使用半隐式SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法,模拟自由水面采用VOF(Volume of Fluid)法。将交汇角度为90°时采用大涡模型计算得到的纵向截面水面线和不同测线上的速度分布与文献中的试验结果相比较,两者吻合良好,且水面线高度误差在4.2%以内,由此可见大涡模型是模拟交汇口水力特性的有效方法。进而将大涡模型用于模拟交汇角度为30°、45°、60°的交汇口水流,得到交汇口处的水深变化及流场的分布规律,并定量分析了交汇口下游各横断面流速不均匀系数的分布规律。结果表明:在整体上交汇角度越大,交汇口各特征横断面流速不均匀系数越大,即水流流速分布越不均匀。     

基于格子玻耳兹曼的等离子体射流中粉末热运动数值模拟

为了探索快速有效的数值计算方法用于研究等离子体射流中粉末群的热运动状态,本文采用格子玻耳兹曼方法计算等离子体射流,使用随机算法跟踪颗粒,模拟了等离子体射流中粉末的加热和运动。计算结果表明:颗粒温度的变化比速度快,颗粒高速区比高温区的范围大。离射流出口越近,沿射流横截面颗粒轴向平均速度和温度波动越大,能获得沿射流横截面方向温度速度较高且分布均匀的位置区间为距离射流出口150 mm~200 mm。实测的粒子温度与速度和计算结果吻合较好,验证了本模型的有效性。论文研究为等离子体加工工艺条件的制定提供了依据。