空化水动力学非定常特性研究进展及展望

空化作为一种重要的复杂水动力学现象,具有明显的三维流动特征与剧烈的非定常特性,在水力机械、船舶推进器、水利工程中广泛存在,且通常会带来不利的影响,长期以来一直是水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先从实验测量和数值模拟两个角度,综述了空化水动力学非定常特性研究的发展概况, 分析了当前存在的问题.在空化实验研究中,主要介绍了空化水洞、空化流场测量以及多物理场同步测量等方面所取得的进展.在数值模拟方法中, 对目前的空化模型和湍流模型进行了分类介绍,并重点讨论了大涡模拟、验证和确认等在空化流模拟中的应用.之后以附着型空化为主, 同时兼顾云状空泡、空蚀、涡空化等,梳理了其研究中存在的几个关键科学问题,包括空化演变、空化流动的三维结构、失稳机制、空化不稳定性及其与低频压力脉动的联系、空化与旋涡的相互作用、空化与弹性水翼的流固耦合、空化对尾流场影响等.最后展望了空化水动力学的研究方向和未来发展趋势.      

云状空化非定常脱落机理的数值与实验研究

结合数值计算和实验技术研究了云状空化的非定常脱落机理. 实验采用高速录像技术观察了绕Clark-y型水翼云状空化形态随时间的变化. 数值计算采用了汽-液两相的当地均相流模型,湍流封闭采用了一种修正的RNG k-\varepsilon方程,利用商业软件的二次开发技术,引入了一种与空化区域水汽相密度相关的系数,对湍流模型进行了修正. 计算和实验结果均表明:云状空化尾部存在着准周期性的涡状空化团的脱落;局部压强的增加是引起空穴断裂进而脱落的直接原因;压强升高是由于近壁处的反向射流引起的;空穴尾部的大规模的旋涡运动引起的近壁处的逆压梯度是引起反向射流的主要原因.      

超高效液相色谱-串联质谱法同时测定牛奶中38种抗生素残留

建立了超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS/MS)同时测定牛奶中5类(磺胺类、喹诺酮类、四环素类、氯霉素类和大环内酯类)38种抗生素的分析方法。牛奶样品以0.5%(体积分数)甲酸乙腈提取,利用Oasis PRiME HLB固相萃取小柱进行净化,经Acquity UPLC HSS T3柱(100 mm×2.1 mm i.d.,1.8μm)分离,采用电喷雾离子源,多反应监测模式(MRM)进行定性定量分析。结果表明,38种抗生素在各自线性范围内呈良好的线性关系,相关系数(r~2)均大于0.99,定量下限为0.10～1.0μg/kg;在1.0、5.0、10.0μg/kg加标水平下,平均回收率为70.7%～94.9%,相对标准偏差(RSD,n=6)为4.0%～9.4%。该方法操作简单、灵敏度高、重现性好,适用于牛奶中多种抗生素残留的监测要求。     

基于2,5-噻吩二羧酸的稀土配合物的合成和表征

以2,5-噻吩二甲酸和稀土盐为原料,通过水热反应,合成了3个稀土金属配位聚合物{[La（OH）（SO₄）]}_n（1）,{[La₂（TDC）₂（SUC）]}_n（2）和{[Gd₂（TDC）₂（ox）（H₂O）₄]·2H₂O}_n（3）（H₂TDC=2,5-噻吩二甲酸,SUC=丁二酸,ox=草酸）,分别用X射线单晶衍射、元素分析、红外光谱对配合物2和3进行了表征。实验结果表明：配合物2和3均呈现三维网络结构,其中配合物2属于正交晶系,空间群为Pbca,a=1.372 8（4）nm,b=0.704 0（2）nm,c=2.136 2（6）nm,Z=8;配合物3属于单斜晶系,空间群为C2/c,a=1.934 3（4）nm,b=0.990 5（2）nm,c=1.252 8（3）nm,β=107.463（4）°,Z=4。     

强非线性动力系统的频率增量法

提出一类强非线性动力系统的暧时频率增量法,将描述动力系统的二阶常微分方程,化为以相位为自变量、瞬廛频率为未知函数的积分方程;用谐波平衡原理,将求解瞬时频率的积分问题,归结为求解以频率增量的Fourier系数为独立变量的线性代数方程组;给出了若干例子。     

超声波辅助固体酸催化塔尔油脂肪酸制备生物柴油

将强酸性阳离子交换树脂加入塔尔油脂肪酸和甲醇混合液中,并在超声波辐射辅助下得到生物柴油,对生物柴油的制备工艺和性能进行研究,同时建立动力学模型。结果表明,超声波辐射的辅助强化,能有效提高生物柴油的得率;在反应温度65℃、反应时间1h、甲醇与TOFA摩尔比为10∶1、脱水剂用量为TOFA6%、树脂NKC-9用量为TOFA40%的最佳工艺条件下,反应平衡常数可达11.18,生物柴油得率为90.0%。建立的动力学模型补充了超声波辐射辅助酯化反应动力学参数,并用此模型解释了各工艺参数呈现的规律。以廉价的制浆黑液回收物塔尔油脂肪酸为原料制备生物柴油,能有效地降低生物柴油价格,提高其市场竞争力,实现塔尔油高附加值利用,具有良好的发展前景。     

绕水翼空化流动多尺度数值研究

空化的多尺度效应是一种涉及连续介质尺度、微尺度空化泡以及不同尺度间相互转化的复杂水动力学现象, 跨尺度模型的构建是解析该多尺度现象的关键. 本文基于欧拉-拉格朗日联合算法, 通过界面捕捉法求解欧拉体系下大尺度空穴演化, 通过拉格朗日体系下离散空泡模型求解亚网格尺度离散空泡的运动及生长溃灭. 同时, 通过判断空泡与网格尺度间的关系判定不同尺度空化泡的求解模型. 基于建立的多尺度算法对绕NACA66水翼空化流动进行模拟, 将数值结果与实验进行对比, 验证了数值计算方法的准确性. 研究结果表明, 离散空泡数量与空化发展阶段密切相关, 在附着型片状空穴生长阶段, 离散空泡数量波动较小, 离散空泡主要分布在气液交界面位置; 在回射流发展阶段, 离散空泡逐渐增加并分布在回射流扰动区; 在云状空穴溃灭阶段, 离散空泡数量增多且主要分布在气液掺混剧烈的空化云团溃灭区. 在各空化发展阶段, 离散空泡直径概率密度函数均符合伽玛分布. 空化湍流流场特性对拉格朗日空泡空间分布具有重要影响, 离散空泡主要分布在强湍脉动区、旋涡及回射流发展区域.      

PANS模型在空化湍流数值计算中的应用

采用一种基于标准k-ε模型改进的局部时均化模型（Partially-Averaged Navier-Stokes Model,PANS）,并应用于空化流动计算。控制不同的模型参数,分别对绕平头轴对称回转体和Clark-Y型水翼的空化流动进行模拟,并与实验结果进行对比。结果表明：PANS模型中未分解湍动能比率fk的取值对预测空化流动的数值计算精度有重要影响,改变fk的取值可实现对不同滤波尺度范围内的求解;随着fk值的减小PANS的预测精度逐步提高,能在相对较大范围内求解较小尺度的湍流运动过程中,预测到湍流运动中强烈的非定常特性;同时可以比较准确地预测空化流场结构和动力特性。     

绕栅中水翼空化流动的数值和实验研究

采用数值计算和实验研究的方法研究了绕水翼和栅中水翼的非定常空化流动. 实验采用高速录像技术分别观察了绕水翼和栅中水翼云状空化形态随时间的变化, 测量了升阻力, 并对测量数据进行了频率分析. 计算时空化模型选用了能比较准确描述旋涡空化非定常特性的Kubota模型, 湍流模型采用能准确捕捉流场非定常特性的FBM模型. 计算模型的可靠性用实验结果进行验证. 结果表明, 计算与实验的结果基本一致, 相比绕单个水翼的空化流动, 绕栅中水翼的空穴厚度比较薄, 翼型近壁处的逆压梯度较小, 反向射流的速度较小, 且水汽混合区速度梯度较小, 空穴的脱落周期变长, 平均升阻力系数较小      

采用分段湍流模式研究绕水翼的空化流动

结合空化流动特点,建立了一个包含空间尺度信息的分段湍流模式。计算中,应用基于质量传输空化模型,分别采用三种湍流模型计算了绕Clark-y型水翼云状空化流动,得到了随时间变化的空泡形态以及升、阻力等流场和动力特性。通过与实验结果的对比,表明这三种湍流模型均能捕捉云状空化区域的空泡形态和空泡脱落的非定常细节。分段湍流模式能够更好地调整流场内的湍流黏性,更精确地预测空穴长度和空穴尾部水汽分布,与实验结果吻合较好。