层流炉反应管内炭粉颗粒运动的PIV试验

为了研究炭粉颗粒在层流炉反应管内的运动规律,按照1∶1比例设计制造了一套透明玻璃试验装置用于PIV流场测量。分别在4种不同的主气流量下,对粒径为100～120目的炭粉颗粒在反应管内的速度场进行了PIV无接触测量。结果表明,在反应管中心处,开始时,炭粉颗粒的轴向速度在下料口附近很小,然后迅速增加到最大值,而后以此速度运动一段距离后,速度开始减小。在约1.8～123.8 mm段,炭粉颗粒的轴向速度在管道中心处为最大。轴向速度沿径向成类似抛物线状分布;通过对测量数据的分析计算,获得了管内气流雷诺数与炭粉颗粒停留时间（无量纲处理后）的关联式。     

竖直管内陶瓷球和玉米秸粉混合颗粒运动的PIV测量(简报)

为了研究玉米秸粉和陶瓷球混合颗粒在竖直管内的运动规律,设计制造了一套透明有机玻璃试验装置.利用PIV无接触测量技术,在微负压条件下,对混合颗粒在竖直管内的速度场进行了研究.结果表明,混合颗粒的轴向速度呈类似抛物线状分布,在靠近管壁约0%～25%管宽范围内,即在试验装置距管壁约15mm范围内.轴向速度变化较大,其他位置处变化较小;涡量在靠近管壁约0%～16.7%管宽范围内.即在试验装置距管壁约10mm范围之内变化明显,从距离管壁10 mm到竖直管中心涡量逐渐减小到接近为零.     

陶瓷球与生物质半焦混合体在斜管中的运动特性

为了探索下降管内陶瓷球与生物质半焦混合体颗粒的速度分布规律,利用粒子图像测速技术对粒径为1 mm的陶瓷球与生物质半焦不同质量比例（10∶1、20∶1、30∶1、32∶1、40∶1、50∶1和60∶1)的混合颗粒在斜管中的流动规律进行了研究。试验结果表明：混合颗粒流动分为紊乱流动（0～500 mm）、过渡流动（500～590 mm）和稳流（590 mm以后）3个阶段;在稳流阶段,随着混合质量比例的增大,轴向时均速度也逐渐增大;不同截面不同混合质量比的轴向时均速度分布基本一致;径向时均速度随着混合质量比例的增     

基于准稳态假设的混流泵启动特性分析

为了研究混流泵启动过程的准稳态性能,该文以瞬态外特性试验性能参数为依据,获得了混流泵准稳态计算的外特性曲线和无量纲扬程瞬态性能曲线,通过对3种转速下的压力场、速度矢量分析,总结出准稳态计算混流泵内部流动的一般性规律并与粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)测量的瞬态内部流场进行对比。研究发现,准稳态计算扬程呈现直线上升趋势,并随着体积流量的增大逐步偏离试验扬程;3种转速下泵内压力具有相同的分布趋势,叶轮进口截面相对速度矢量近似满足相似定律,并在低转速下出现大尺度的叶顶泄漏涡。与无量纲瞬态性能一致,瞬态PIV测量结果呈现出明显不同于准稳态工况的瞬态效应:在0.75 s时准稳态计算中叶顶泄漏明显,在外缘形成泄漏涡和进口边回流,而瞬态PIV测量中端壁区边界层正从层流向湍流发展;在1.07 s时准稳态计算中叶轮进口速度分布较为均匀,而瞬态PIV测量中流体在惯性力作用下呈现从轮毂向轮缘运动的趋势,卷吸效应较为明显;在1.35 s时准稳态计算结果与1.07 s时的速度场分布较为相似,而瞬态PIV测量中加速的卷吸效应更为显著,外缘高速流动区域随着转速的增加不断增大。该研究可为考证准稳态假设方法的准确度和揭示混流泵启动过程瞬态内部流动特性提供参考。     

双吸式叶轮内流三维数值模拟及性能预测

以时均化的N-S方程和考虑旋转与曲率影响的修正的k- 湍流模型为基础，在贴体坐标系中运用SIMPLEC算法，对双吸式离心叶轮内流进行三维湍流数值模拟。计算得到叶轮内的速度、压力场分布，预估了扬程、水力效率并与试验值进行对比。计算结果表明，在双吸式叶轮中，从叶轮进口到出口压力逐渐增加；在叶片区域，处于前盖板和对称面之间的中间截面上，叶片工作面附近的压力明显大于背面附近的压力，且从对称面到前盖板各中间截面上的压力梯度显著增加；流动关于对称面对称，在对称面上不存在轴向速度；设计工况下叶轮出口断面上压力分布明显比其它工况均匀， 因此水力效率最高。     

气力式杂交水稻制种授粉机授粉管结构参数优化

针对当前杂交水稻制种对机械化授粉装备的迫切需求，设计了气力式杂交水稻制种授粉机。首先对其关键部件授粉管建立了计算流体力学模型，进一步以授粉管内径、气流出口长度与宽度为因素，以气流出口流速变异系数、气流覆盖高度为指标，利用Design Expert软件设计了三因素三水平的Box-Behnken仿真试验，最后对授粉管结构参数进行优化。结果表明：在授粉管内径为60～80 mm、气流出口长度为100～200 mm、气流出口宽度为4～10 mm的范围内，授粉管内径、气流出口宽度及授粉管内径与气流出口宽度的交互作用、气流出口长度与宽度的交互作用、气流出口宽度平方对气流出口流速变异系数影响极显著（P<0.01）；授粉管内径、气流出口长度与宽度及二者的交互作用、授粉管内径与宽度的交互作用对气流覆盖高度的影响极显著（P<0.01）。授粉管较佳结构为内径64.49 mm，气流出口长度、宽度分别为200.0、7.25 mm，此时出口气流速度变异系数为9.10%，气流覆盖高度187.57 mm。为便于加工，选用授粉管内径61.5 mm的标准不锈钢管，取气流出口长度、宽度分别为200、7.5 mm并进行验证试验，气流出口流速仿真值与实测值基本一致，实测流速变异系数为8.83%～9.25%，气流出口流速分布均匀。研究结果可为气力式杂交水稻制种授粉机参数优化提供理论参考。     

不同改流体对稻种颗粒在料仓卸料流动的影响

为探明不同改流体对稻种颗粒在料仓卸料流动的影响机理，实现种群流动从中心流到整体流转变，改善种群流动环境，该研究利用离散元法（discrete element method，DEM）建立传统料仓、垂直扰动和水平扰动料仓模型与稻种颗粒仿真模型，进行卸料数值模拟，并与料仓实际卸料试验作流型对比，验证离散元模型与数值模拟结果准确性。整体流指数（mass flow index，MFI）与z轴颗粒速度表明传统和垂直扰动料仓中部区域颗粒速度均随颗粒堆积高度增加而减小，边壁区域颗粒速度均随颗粒堆积高度增加而增大；而水平扰动料仓边壁区域颗粒速度随料仓颗粒堆积高度增加而减小，中部区域颗粒速度随颗粒堆积高度增加而增大；传统料仓，垂直和水平扰动料仓的流型转化高度分别为130、118以及130 mm。料仓不同区域种群垂直速度、水平速度和角速度表明，种群垂直速度在垂直与水平改流体作用下，相较传统料仓流动区域分别降低34.82%和83.46%；随料仓颗粒堆积高度降低，种群水平速度波动增大，传统料仓、垂直及水平扰动料仓颗粒水平速度标准差分别为0.0273、0.0187以及0.0103 m/s。传统和垂直扰动料仓中心和边壁区域颗粒角速度变化相似，垂直扰动料仓中心区域角速度峰值小于传统料仓；水平扰动与传统料仓流动区域颗粒角速度变化相似，但水平扰动料仓颗粒角速度变化小。研究结果可为工程提出改流体设计标准、结构与位置参数及提高料仓使用面积提供参考。     

气流速度对杂交水稻制种授粉花粉分布的影响

气流速度(包括自然风速)对杂交水稻制种授粉过程中花粉分布情况的影响十分显著,直接关系到制种产量。为研究流速对授粉效果的影响,该文首先分析杂交水稻气力授粉的基本原理,通过试验验证气流速度对花粉分布的影响,从花粉的分散密度、水平分布、垂直分布3个方面进行评价。结果表明:花粉分布受气流影响显著,水平分布量、竖直分布量以及花粉总量都随流速的增大而增大;水平分布出现特有的双峰图像,且后峰随流速的增大远离花粉源;竖直分布随流速的增大向气流中心靠拢,说明花粉在一定速度的定向气流中能保持较好的直线传播。气流速度为20m/s时,水平花粉量较多,且竖直分布能满足作用范围内花粉的传播要求。该文为进一步研究气力授粉机械提供依据。     

气压式玉米精量播种机均匀低损配气机构设计与试验

针对气压式玉米精量播种机配气系统存在各行气流分配不均、气压损失及气流速度损耗较大的问题，基于加压导管定常不可压缩湍流模型损失理论，探明了气流损失及分配不均的原因。采用等效仿真简化模型，通过 CFD （computational fluid dynamic，CFD）仿真4种不同气路结构中气压损失及气流速度损耗，分析得出最佳气流分配方式；通过正交试验，得出分配器最优结构形式；确定了配气机构连接段最优母线形状为内凹-外凸组合型曲线，连接段长度以及组合曲线内凹外凸水平长度比是2个影响配气机构性能的关键参数，连接段长度值越大，节锥角越小，且组合曲线内凹外凸水平长度比在3附近时气压损失及速度损耗最小。与常用配气机构进行对比试验，试验结果表明，常用配气机构的气压损失在30%以上，而该低损配气机构能够将气压损失减小到10%以内，气流速度损耗不显著，各行压力一致性变异系数在4%以内。     

气相温度脉动对非球形生物质颗粒焦炭燃烧的影响

将生物质颗粒与煤粉混合燃烧,可以有效地利用生物质能。生物质颗粒通常形状很不规则,有着较大的长径比,非球形特性较为明显。对于在燃烧室内运动与燃烧的生物质颗粒,气相湍流脉动是否会对非球形生物质颗粒的燃烧反应过程产生作用有待探讨。该文研究了气相温度脉动对热气流中非球形生物质颗粒瞬时焦炭燃烧的影响,给出了不同气相平均温度和颗粒长径比下生物质颗粒瞬时质量和瞬时焦炭燃烧速率随时间的变化。研究表明气相温度脉动对不同长径比的生物质颗粒的焦炭燃烧过程均有明显的影响,导致颗粒质量下降变快,焦炭燃尽时间变短。气相温度脉动幅度的增加进一步加快了不同长径比颗粒瞬时质量的下降。该文的研究揭示了气相温度的湍流脉动对非球形生物质颗粒瞬时焦炭燃烧过程的作用,这种作用并不会因为颗粒长径比的变化而发生改变。     

玉米秸秆粉末闪速加热挥发特性的研究

为了获得生物质在闪速加热条件下的热解挥发特性，引入一套层流炉系统进行实验研究。可变工况参数包括反应加热温度从800 K至950 K变化，热解停留时间从0.108～0.224 s变化。实验材料是粉碎的玉米秸秆，粒径0.117～0.173 mm，不作为变量考虑。利用等离子体加热技术，可以保证层流炉内部温度稳定保持在恒定设置数值。工作气体为氩气，流量1.5～2.5 m³/h。热解残炭由一个水冷收集器(冷激器)收集，并且利用旋风分离器与气流分离。利用灰分示踪法确定玉米秸秆粉末热解的挥发程度。引入Arrhenius形式的一级挥发反应模型分析实验数据，得到了相应的热化学动力学参数。结果表明，闪速加热热解与慢速热解存在明显不同，与加热速率无关。闪速加热挥发特性对于研究生物质液化机理有重要意义。     

液力偶合器气液两相流动的数值模拟与粒子图像测速

为了更加真实地反映偶合器内部的气液两相流动机理,该文应用计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）对其内部流动的速度和压力等流场特征进行数值模拟,并应用粒子图像测速（particle image velocimetry,PIV）技术对其流场进行了测试,试验结果表明：泵轮内的气泡小而均匀,速度分布较规律,由内环向外环递增;涡轮内气泡较多,并出现了涡流、回流、二次流等不规则流动现象。PIV测试的流场流动趋势与数值模拟的流场流动趋势基本一致。CFD数值模拟方法和PIV技术为揭示液力偶合器内部流场的复杂流动提供有效的解决途径。     

基于PIV的渐变地表粗糙度对坡面流水动力特性的影响

粗糙度是影响坡面流水动力特性的关键因子,为探究渐变粗糙度影响下坡面流水力特性,采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)观测并分析3组流量下渐变粗糙床面下坡面流的流速轮廓线、紊动强度、雷诺应力和壁面切应力的变化规律。结果表明:(1)流速随粗糙度增加而减小;拟合无量纲流速得到流速分布对数公式,粗糙度增大与拟合常数A成反比,与积分系数B成正比。(2)渐变地表粗糙度流向紊动强度与光滑床面坡面流变化趋势相似。流向紊动强度随相对水深的增大而减小。随着粗糙度增大,流向紊动强度大小出现非显著性差异。渐变粗糙床面下流向紊动强度符合Nezu经验公式,流量与经验系数成正比。(3)不同流量下,渐变粗糙床面的雷诺应力分布与光滑床面相似。在粗糙度影响下,雷诺应力最大值出现在y/H=0.2~0.4处。随着粗糙度逐渐增加,壁面切应力逐渐增大。综合表明,增加PIV分辨率方法可以适用于坡面流水力特性的研究。探究渐变粗糙度对坡面流的影响,探讨坡面流水动力学特性,为水土保持理论研究提供新思路。     

导叶式混流泵多工况内部流场的PIV测量

为研究不同流量工况下混流泵内部流动特性,该文基于粒子图像测速技术(particle image velocimetry)对0.8、1.0、1.2倍流量工况下混流泵的内部流场进行试验研究,测量获得了混流泵叶轮进口轴截面、叶轮与导叶间隙和导叶内部流场的速度场分布,分析了流量变化对混流泵内部流动的影响。研究结果表明,外特性试验重复性较好,试验结果较为可靠。3个工况下混流泵叶轮进口流场的速度分布趋势基本一致,进口的来流基本沿着轴线方向;随着流量增加,叶轮进口速度不断增大,最大速度达到7.49 m/s,从轮毂到轮缘高速区域速度梯度更为明显,速度等值线分布逐渐形成以左上角为圆心,不断向周围递减的趋势。受动静干涉作用影响,叶轮与导叶间隙流场速度分布较为紊乱,在导叶进口边轮毂附近形成逆时针方向旋涡,诱使叶轮出口流体向外缘侧偏转;随着流量增加,逆向旋涡明显减小,内部流动更趋于平稳。动静干涉效应进一步影响导叶进口流场并形成明显的旋涡结构,造成流道堵塞;在导叶出口由于环形蜗室的影响形成大尺度旋涡结构;随着流量增大,导叶外缘高速区向下游移动,导叶进出口的旋涡结构逐渐消失,流动损失减小。研究成果为揭示混流泵内部流动特性和优化混流泵设计提供参考。     

离心泵压水室内部定常和非定常流动PIV测量

为研究离心泵压水室内的流动特性,利用PIV技术在内同步和外同步模式下分别测量了其内部的定常和非定常流场,详细分析了压水室内部流动现象和流动规律。结果表明,压水室内速度沿轴向分布均匀,随圆周角增大而减小;在叶轮和压水室的交界处,存在清晰的速度分界线;受蜗舌的分流作用,部分流体回流入叶轮流道,扩散管入口处速度显著降低;压水室内部周期性非定常流动规律明显,第VIII断面上,速度的大小和波动幅度沿径向均呈减小趋势,周向速度的波动与叶轮流道内部高速流区的位置有关,而径向速度的波动主要受叶片干扰和哥氏力的影响。研究结果为压水室设计以及离心泵内部流动的试验研究提供了借鉴。     

输送多组分介质的离心泵内部固液两相流特性

为了研究固液两相流离心泵输送含有多组分介质的规律,该文以一台离心式固液两相流泵作为研究对象,使用Fluent中的Eulerian多相流模型描述固液两相流动特征。首先选取了3组直径不等的单分散颗粒群作为固相,发现粒径越大,工作面的颗粒浓度越高,固相离析作用越明显。随后选取了5组直径递增的颗粒群作为固相,每组颗粒群包含两组相同的单分散颗粒群,结果表明同一台泵内两组相同的颗粒群的运动特征相同,同时两组相同的颗粒群的浓度之和、速度之和及外特性与单独输送单分散颗粒群的变化规律相似。最后选取了5组粒径不相等的两组颗粒群组合而成作为固相,大颗粒群粒径不变,小颗粒群粒径递增,结果发现不等直径双颗粒群组合与单颗粒群或者等直径双颗粒群有所区别,大小颗粒在内部流动上表现出了独立性和相互影响的现象,小颗粒群的运动特征与单分散颗粒群类似,由于小颗粒的存在使粒径均为0.7 mm的大颗粒体积分数分布发生了变化,小颗粒使大颗粒在泵内分布更加均匀,随着小颗粒群粒径增加,泵的扬程、效率和总压差先急剧上升随后缓慢下降,粒径为0.7和0.15 mm组合时扬程为80.12 m,达到最高值。该研究可为进一步研究多组分介质对泵性能的影响提供参考。     

锥-板环形水槽的研制及其在颗粒起动试验中的应用

在颗粒起动观测试验中,传统长直型水槽及环形水槽试验无法观测流体长期作用下的颗粒运动,依据锥-板转子流变仪原理,设计了一种锥-板环形水槽装置;采用无量纲拖曳力作为起动时的流体力学指标,结合CCD(电荷耦合组件,charge coupled device)成像技术及PIV(粒子图像测速,particle image velocimetry)技术,运用该装置对层流时无黏性均匀颗粒在流体长期作用下的运动形态及起动规律进行了观测,观测发现流体长期作用下颗粒的起动为连续的起动过程,存在2个不同的临界状态,分别为初始临界状态和饱和临界状态,初始临界状态下的起动拖曳力和经典Shields曲线的取值基本一致,饱和临界状态下的起动拖曳力明显高于Shields曲线的取值,表明锥-板环形水槽是一种合理有效的颗粒起动观测装置,特别适用于流体长期作用下的颗粒起动规律研究。     

基于粒子图像测速的坡面流水动力学特性

粒子图像测速(Particle Image Velocimetry, PIV)技术具有多点同时测量、对水流无干扰的优点,该研究利用高分辨率PIV(分辨率为64 pixels/mm),测量了7组坡面流(水深范围为0.5～1.1 cm,雷诺数范围为1 000～3 000),并测量1组深水明渠紊流作为对照,研究了流速轮廓线和修正系数、紊动强度和雷诺应力、偏态系数和峰度系数的变化规律。结果表明:1)PIV能够有效观测坡面流床面至水面的流速分布。当坡面流流态为过渡流时,流速修正系数随着雷诺数的增加呈对数增加,均值为0.77;2)对比深水明渠紊流的紊动强度,坡面流的流向紊动强度较大,而垂向紊动强度较小,且随着水深及雷诺数的增加,坡面流紊动强度逐渐与深水明渠紊流的特征吻合。深水明渠紊流中受雷诺应力影响的流体占比约80%,而坡面流中受雷诺应力影响的流体占比小于80%,随着雷诺数的增加坡面流中受雷诺应力影响的流体占比变大;3)对比深水明渠紊流的峰度系数,坡面流的峰度系数大部分大于3,表明坡面流较深水明渠紊流出现极端流速事件的概率小。PIV技术有利于实验室研究坡面水力侵蚀的力学机理机制问题。