圆周往复水射流式挖藕试验装置设计与试验

为满足莲藕采挖作业多样化的试验要求，提高试验装置的互换性、通用性与测量精度，设计了圆周往复水射流式挖藕试验装置。介绍了试验装置中试验台的结构设计、工作原理和关键部件设计，分析了圆周往复水射流结构在不同条件的挖掘深度及莲藕浮出率等，确定了试验指标，并进行了台架验证试验。结果表明：圆周往复水射流式挖藕试验装置能够有效反映喷头直径、喷射角度和喷头与泥土表面距离对莲藕采挖效果和挖掘深度的影响。当喷头直径不变时，喷射角度越小挖掘深度越深，喷头与泥土表面距离越小挖掘深度越深，喷射角度越大冲刷面积越大，成正比例关系；喷头与泥土表面距离越近、喷射角度越小情况下莲藕的浮出率越高，满足圆周往复水射流式挖藕试验要求。     

不同冲击角度下淹没冲击水射流的数值计算

为了研究冲击角度对淹没冲击射流流场的影响,应用计算流体动力学软件Fluent,基于Wray-Agarwal(W-A)湍流模型,对完全充分发展的淹没冲击水射流进行数值计算.研究了在恒定喷嘴高度H/D=3,不同冲击角度(15°≤θ≤90°)条件下射流流场结构和速度分布.将数值计算得到的不同冲击角度下速度分布与PIV测量结果进行比较,验证了W-A模型的预测正确性,同时探讨了冲击角度对计算结果的影响.结果表明:冲击射流沿轴心线的速度v/v_b在势核区基本保持不变,在过渡区降低,在冲击区加速降低;射流在壁面射流区流动发生转向并沿着冲击壁面扩散;射流流场结构高度依赖于冲击角θ,随着冲击角度θ增大,壁面射流横向扩散增强,厚度逐渐减小;当θ=90°时,滞止点及顺流和逆流的过渡点与冲击原点重合;随着冲击角度θ减小,滞止点逐渐远离冲击原点;当θ<30°时,滞止点消失.     

冲击式水轮机喷射机构的磨损特性数值分析

冲击式水轮机广泛应用于高水头地区,应用水头一般高于500 m,因此喷嘴出口流速将大于100 m/s.高速的自由射流中,水中携带的细小沙粒不仅会对冲击式水轮机的水斗表面结构造成磨损,而且会破坏喷射机构.喷射机构的主要作用在于形成高质量圆柱射流,提高转轮中的能量转换效率.沙粒磨损喷射机构将影响射流质量,造成效率损失.对喷射机构以及自由射流的水固气三相流动进行了三维非定常的数值模拟.水中携带的细小沙粒简化为圆形固体颗粒,并采用离散颗粒模型模拟其运动特性以及喷射机构的磨损特性.研究发现不同颗粒直径的沙粒其运动轨迹区别很大,造成的喷射机构磨损特性也不相同.喷针表面磨损预测结果显示,直径小的颗粒随流性较强,会对喷针头部造成磨损;直径大的颗粒惯性大,容易撞击喷针颈部上游区域,造成磨损.     

甲醇温度和压力对喷雾特性的影响试验

为了解甲醇自身温度及喷射压力变化对喷雾特性的影响,使用高速摄像机和三维激光相位多普勒颗粒分析仪(PDPA),分别对25、50、60、70、80℃的液态甲醇及喷醇压力为0.3、0.4、0.5 MPa时的甲醇喷雾进行了研究。结果表明:随着甲醇温度的升高,喷雾雾化质量提高,甲醇射流液柱减少,液滴索特平均直径(SMD)减小,同时喷雾主射流区向外扩张。另外,喷雾贯穿距和液滴速度均呈先增大后减小的趋势,在70℃时达到最大值。在相同温度下,喷醇压力的增加提高了喷雾液滴速度,有助于贯穿距的增大,同时液滴索特平均直径(SMD)明显减小。因此在柴油机进气预混甲醇燃烧的实际应用中,升高液态甲醇温度至70℃左右,并适当增大喷醇压力至0.5 MPa,是一种有效提高气道内甲醇雾化效果的方法。     

低压射流不同喷嘴参数及压力下破碎过程实验

研究了不同低压下喷头喷嘴直径和喷嘴锥角对射流破碎的影响。采用高速摄像仪对低压圆柱射流的射流核心长度和射流破碎长度进行实验,测量了不同喷嘴结构的流量、射程和末端水滴直径。结果表明:同一压力下,当喷嘴锥角不变时,随着喷嘴直径的增大,喷头流量、射程和喷头末端水滴直径都变大,射流核心长度和破碎长度均增大;当喷嘴直径不变时,随着喷嘴锥角的增大,喷头流量逐渐减小,而喷头射程呈先增大后减小趋势,喷头末端水滴直径也变大,射流核心长度逐渐减小,射流破碎长度先减小后增大。综合考虑射程和雾化效果,直径为5 mm、锥角为45°的喷嘴为最优选择。同时通过对不同Re数和We数的实验和分析,给出了适合低压喷嘴的两种射流特征长度的拟合关联式。     

工作压力及喷射角度对微喷带单孔喷水特性影响的试验研究

针对工作压力及喷射角度对微喷带单孔喷水特性的影响进行了试验,通过对微喷带单孔喷洒射程、湿润区宽度、干燥区宽度、水滴直径以及工作状态下微喷带直径的研究分析,发现:喷射角度为30°时,微喷带单孔喷洒射程达到最大值;湿润区宽度随着喷射角度和工作压力的增大而增大;工作压力为20 k Pa时,微喷带喷洒性能参数曲线波动明显,不宜在实际生产实践中应用;工作压力和喷射角度变化对水滴直径并没有明显影响;工作状态下微喷带直径的稳定程度反映了微喷带喷洒性能的稳定程度。     

基于ALE方法淹没条件下水射流破土数值模拟与试验

针对目前水射流破土研究中缺少对非淹没与淹没条件下整体冲击、破坏过程差异分析的问题,采用ALE算法对水射流破土进行流固耦合数值计算建模并分析淹没条件及非淹没条件下冲坑演化差异。通过ANSYS/LS-DYNA有限元数值模拟与联合PFV软件的高速摄像机试验进行对比验证仿真模型的有效性,探究淹没条件及非淹没两种射流状态破土成坑过程差异及土体内部应力分布瞬时信息。研究结果表明:冲蚀体积相同时,淹没条件下射流对靶目标刺激更小;相同工况、淹没射流破土到达稳定坑形时,淹没射流冲坑深度为非淹没射流冲坑深度的33.8%,淹没射流冲坑径宽为非淹没射流径宽的71.4%。研究结果可为水射流破土冲挖现场应用提供参考依据。     

压片式微喷带单孔水量分布特性试验研究

试验研究了不同工作压力(0.1MPa和0.15 MPa)、不同喷射角度(43°、65°和79°)和不同喷孔直径(0.5、0.6和0.7mm)对压片式微喷带水量分布的影响。试验结果表明,干燥区宽度、湿润区长度和湿润区面积主要受喷射角度影响,均随喷射角度的增大而减小;湿润区宽度相对稳定,但在0.15MPa下,随着喷孔直径的增大有明显的增加趋势;平均灌水强度随着喷射角度、喷孔直径和工作压力的增大均有增加趋势,其中喷射角度影响最为明显。     

缩放型喷嘴空化流动特性的数值分析

为研究空化射流结构及剪切空泡的形成演化,文中采用RANS-LES混合模型方法对一种缩放型喷嘴的空化水射流进行数值模拟计算,对比分析了不同扩张角喷嘴对射流流场的影响以及空泡初生阶段其形态、速度、湍动能等物理量的变化规律.计算结果发现:喷嘴扩张角对空化射流影响较大,当扩张角为60°时其空化性能更优;由于空化射流速度非常高,射流剪切层内存在较大的速度梯度,两侧流体发生频繁的能量交换并产生许多旋涡结构;空化现象最早发生在喷嘴喉管处并逐渐向扩张段及喷嘴出口附近运动发展,空化程度不断增大,不同时刻径向截面内的各参数均沿轴心对称分布,空泡形态呈圆环状,并随着时间推移圆环面积逐渐增大.研究结果对于提高空化水射流性能、拓宽空化水射流应用范围、揭示空化水射流特性等方面具有一定的应用价值及指导作用.     

高压扇形喷嘴结构参数的优化

为了了解高压水射流喷嘴结构参数变化对射流性能的影响,以出口扩张角、锥孔深度、入口收缩角作为参考因素,以喷射角、射流流量作为评价指标,对喷嘴各结构参数对射流性能的影响进行仿真分析和试验验证.按照单因素试验法和二次旋转正交组合设计的方法进行仿真试验,对试验结果进行显著性检验和方差分析,建立相应的回归方程.结果表明:锥孔深度是研究所涉及3个参考因素中对射流性能影响最为显著的因素,其显著性水平P<0.000 1.采用响应面法、加权法对喷嘴结构参数进行寻优,发现当出口扩张角θ=68°、锥孔深度h=8 mm、入口收缩角α=65°时喷嘴的射流流量为27.8 L/min,喷射角的大小为45.3°.在此参数下喷嘴的喷射角和射流流量都得到了显著提升,喷嘴更易获得较好冲击压力和清洗效果.     

基于PDPA的双流体撞击式喷嘴雾化特性研究

使用自主搭建的一套基于相位多普勒粒子分析仪(PDPA)的开放式雾化试验台,开展了不同工况下双流体雾化流场的测试试验,研究了气体流量和水流量对雾化特性(包括喷雾锥角、有效射程以及雾滴粒径、速度、个数的分布)的影响。结果表明:随着气体流量的增大以及水流量的减小,喷雾锥角呈增大趋势,雾滴的索特平均直径(SMD)、速度以及个数均呈减小趋势,而有效射程随着气体流量以及水流量的增大而增大;随着轴向距离的增大,雾滴的SMD、速度以及个数均呈现增大的分布规律;随着径向距离的增大,雾滴的SMD呈增大的分布规律,而雾滴速度以及个数呈现先增大后减小的分布规律。气体流量和水流量对喷嘴出口与振动头之间区域的湍流程度、对冲现象有明显影响,进而显著影响雾化特性。当气体流量为0.8 m3/h、水流量为35 L/h时,与优化前(气体流量为0.95 m3/h、水流量为40 L/h)相比,SMD减小了21.50%,有效射程、雾滴速度、雾滴个数分别增加了10.26%、39.08%、61.54%,喷嘴雾化能耗降低的同时综合雾化效果得到了提升。     

基于CFD的秸秆颗粒流化特性模拟

在秸秆流化床锅炉中,秸秆颗粒的流化特性对燃烧效率、床料聚团及积灰等有重要的影响。采用计算流体力学软件FLUENT对秸秆颗粒在流化床内的流动情况进行数值模拟,并分析颗粒直径对最小流化速度、颗粒速度场和平均体积分数的影响。结果表明,颗粒最小流化速度与颗粒直径呈现近似线性的关系;达到流化状态后,流化床的床层压降不会随颗粒直径的改变而改变;随着颗粒直径的增加,床层高度减小,床内固相的体积分数增加,气泡直径增大,气泡破裂时引起的床层表面波动增大。分析结果能够为秸秆流化床锅炉的优化设计和运行提供指导。      

微喷带单孔水量分布影响因素试验研究

为了探究微喷带管径、喷孔结构、工作压力以及喷射角度对单孔水量分布影响,以常用的机械打孔的Ф28,Ф32,Ф40和Ф50这4种微喷带为研究对象,通过调节微喷带的喷射角度和工作压力,研究微喷带正常运行时单孔喷水(其他孔进行遮挡,不混入测试单孔的水流中)特性,测定了不同工作压力条件下射程、湿润面积、干燥区宽度等参数.结果表明:喷水射程随喷射角度先增大再减小,射程最大值为30°~ 40°,随工作压力的增大而增大;湿润区宽度与喷射角度、工作压力均存在正相关的关系;射程与干燥区宽度随喷射角度的变化规律相同;湿润区面积的最大值出现在喷射角度为50°时.在实际运行中,建议微喷带喷射角度为30°~50°,并应根据干燥区与射程合理布置相邻微喷带的铺设间距.     

跨行自走式除草机器人设计及仿真分析——基于EDEM

杂草去除是农业生产中不可避免的问题,因此设计了一种跨行自走式除草机器人,能够同时实现行间和株间除草,且行间除草的同时能够起到深松土壤的作用。通过曲柄摇杆机构实现除草刀的摆动,来避开农作物。利用EDEM软件对固定除草深度和速度下不同入土角度的除草过程进行仿真分析,结果表明：相同除草深度和速度下,除草刀具受力随着入土角度的增大而先减小后增大;行间除草刀具选取45°入土角为最优工作参数,株间除草刀具选取60°入土角为最优工作参数;通过仿真计算土壤蓬松度和土壤扰动系数,得到的结果是土壤蓬松度在10%～40%之间、土壤扰动系数大于50%,符合松土壤扰动效果的评价指标。     

基于2DVD的非旋转折射式喷头水滴直径分布规律

采用基于三维视频粒子测量原理的视频雨滴谱仪(Two-dimensional video disdrometer,2DVD)对喷灌机中常用的Nelson D3000型喷头在多个工作压力下水滴直径沿射程的分布进行了测量,分析了水滴直径沿射程的变化趋势及水滴速度、水滴角度与水滴直径之间的关系。结果表明:水滴直径与射程符合指数函数关系,在距离喷头相同测点处,水滴直径随工作压力的升高而减小,而射程末端的水滴直径随着压力的升高而增大;水滴速度随水滴直径增加而增大,两者呈对数关系;水滴落地时与地面夹角(简称水滴角度)随水滴直径增加呈减小趋势,水滴直径小于1.0 mm时,50、100、150和200 kPa工作压力下,与地面夹角为90°的水滴个数占总水滴数的比值分别为90.46%、84.46%、89.91%和89.15%,其余水滴与地面夹角在30°~89°之间,水滴直径在1.0~2.25 mm范围内,水滴角度随水滴直径的增加迅速减小,水滴直径大于2.25 mm时减小趋势变缓,4个工作压力下最大直径水滴落地时与地面夹角平均值为45°;工作压力对于水滴直径与速度、水滴直径与角度之间的关系影响较小。     

全射流喷头水滴分布试验及模型

为了探索全射流喷头喷洒水滴直径分布规律,采用激光雨滴谱仪测量技术对喷头的喷洒水滴速度及直径等参数进行测量,并采用个数加权法对水滴分布进行统计分析,总结全射流喷头距喷头不同距离及150~350 k Pa压力工况下的水滴频率分布及水滴累计频率分布的变化规律.研究结果表明:距离喷头越近,喷头喷洒的水滴直径越小,且小直径低速度水滴数量越多,水滴累计频率曲线斜率越大.压力增大时,距喷头不同距离的水滴累计频率曲线斜率逐渐减小,说明水滴直径沿径向大小分布较为均匀.在距喷头不同的距离下,水滴频率呈对数正态分布趋势.将水滴累计频率分布分别采用玻尔兹曼函数与指数函数分布进行对比,2种函数拟合精度均较高,可为全射流喷头喷灌质量的预测提供理论依据.     

基于动态边界的90°弯管壁面渐进磨损特性

固定边界磨损预测方法只能得到磨损初始边界状态下的磨损特性,无法获得壁面破坏后的流场动力学响应.由此,基于计算流体力学提出动态边界的水力机械过流壁面渐进磨损数值预测方法,通过研究90°弯管在不同磨损时刻的磨损表面形貌,流场特性、磨损特性和颗粒冲击特性,揭示由于过流壁面磨损形貌演变引起的多相流特性和磨损演变机理.研究结果表明：在来流速度6.3 m/s、颗粒体积分数为0.35%的90°弯管中,磨损主要集中在末端(50°～90°)内壁附近,且在20 000 h以后,外侧内壁的平均磨损率与内侧之比增大到2倍附近;颗粒冲击速度呈现先增加后减小的规律,最大变化量为0.81 m/s,而颗粒冲击角度呈现近乎线性增加,平均最大增幅为1.13°;此外,磨损坑内颗粒冲击速度减小,磨损坑边缘冲击速度增加,说明随着磨损时间的增加磨损范围会进一步扩大,研究结果为弯管的磨损防护提供了一定的参考.     

基于EDEM的轻型凿式深松铲土壤耕作载荷仿真分析

以轻型凿式深松铲为研究对象,利用EDEM建立其离散元仿真模型,确定深松铲土壤深松作业过程中的耕作载荷组成,并采用单因素试验方法分析了入土深度及作业速度对土壤耕作载荷的影响。结果表明:深松铲土壤耕作阻力主要由前进阻力及垂直阻力组成,土壤耕作阻力及其前进、竖直分量随着作业速度及入土深度的增大而增大,且土壤耕作阻力与两作业参数间皆成抛物线型二次函数关系;同时,土壤耕作阻力的波动状况随入土深度的增大及作业速度的减小而减小。该研究可为深松铲的研究提供一定的依据。     

槽口深度对U型节流阀空化流场的影响

采用数值计算的方法对U型节流阀内部流场进行了研究,分析了不同节流槽深度对节流阀内部油液压力场、速度场及空化区域的影响.研究结果表明:流道内压力较大区域位于上游流道,压力较小区域位于下游流道;U型节流槽是压力及速度突变区,在节流槽出口处出现压力骤降并在节流阀口处形成高速射流;在相同工况下,随着节流槽深度的增加,槽内流量增多,迫使油液急速流过节流口,从而造成射流方向发生改变,且高速射流的角度呈现不断减小的趋势,但是油液最大流速逐渐增大.节流槽出口靠近阀腔壁面处产生空化,且随着槽口深度加深时,节流槽内部压力恢复变慢,空化区域的面积逐渐增大,且径向截面空化较强的区域逐渐向节流槽中心扩展.因此,合理地控制U形节流槽的深度或增加节流槽内部阻力,可以有效地抑制空化发生.     

峡谷区高拱坝射流入射水垫塘冲击压力特性的试验研究

表深孔下泄水流的横向收缩及垂向和纵向扩散效果显著,射流在空中相互交错、基本不发生碰撞;射流纵向拉伸明显,水垫塘强紊动剪切区增大,有效减轻了水垫塘底板冲击动压。同时,对4种不同流量比的表深孔射流进行研究表明,随着上下游射流流量比的逐渐增大,在不同的下游水位下底孔射流产生的最大冲击压力均相应减小。