齿形微通道内流流场数值模拟及试验研究

以断面尺寸800μm×800μm的齿型微通道为研究对象,在雷诺数为100和300流动条件下对微通道内流进行试验测量和数值模拟.利用Micro-PIV技术,获取了微通道内流流场速度矢量分布图和流线图,试验结果发现微通道内流在各齿之间流动结构具有重复性,齿内流场包含高速区和低速区,且低速区在转向内侧和左顶角区域存在回流,内附一个完整的涡旋.数值模拟采用多孔介质模拟微通道壁面粗糙元、配合realizable k-ε湍流模型的数值模拟方法,对微通道几何结构单齿建模,利用周期性边界条件模拟计算得到了微通道内流流场分布,模拟流场与试验结果特征相同;在微通道内流特定截面上进行流速定量分析,分析结果为模拟值与试验值吻合程度高,证明该模拟方法在较大雷诺数范围内均适用于复杂结构的微通道内流流动模拟计算.     

方截面直微通道内低雷诺数流动分析

为了研究植物水分通道导管内流等雷诺数小于1的微通道内流流场特性,采用Micro-PIV试验测量技术和Fluent软件,通过设置合适的多孔介质区域厚度与动量源项,建立多孔介质模型模拟壁面粗糙元影响的数值模拟方法,在雷诺数分别为0.15,0.25和0.35时,对断面尺寸为400μm×400μm的方截面直微通道内流流场进行研究,并将试验与数值模拟结果与直接对控制方程解析求解所得的解析解进行比较.结果表明：微尺度通道往往具有壁面相对粗糙度高的特性,该特性对通道内流场分布造成的影响,在雷诺数很低的情况下,仍然不可忽视.解析解是针对常规尺度通道推出的,未考虑微通道较高的相对粗糙度对流场的影响,虽然其流场速度廓线的变化趋势与试验值相近,但其值在距离流道中心小于0.04 mm的主流区小于试验值,而在距离流道中心大于0.04 mm的近壁区大于试验值.采用多孔介质模拟壁面粗糙元则可以有效地实现对方截面直微通道低雷诺数内流的模拟,试验值所得数据点与模拟值所成曲线重合.     

多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟

利用多孔介质模拟微通道壁面粗糙元,建立了一种新的微尺度化流场的数值模拟方法.多孔介质模型厚度由微通道壁面相对粗糙度折算,多孔介质的阻力系数由该区域内的流态及阻力计算;配合采用k-ε和k-ω多种形式的湍流模型,对边长为600μm的方形断面微通道流场在雷诺数分别为100和300的情况下进行了数值模拟计算.通过模拟结果与Micro-PIV测量数据的对比分析发现,采用realizablek-ε湍流模型,搭配多孔介质微尺度化模型进行数值计算,能够有效地模拟微尺度流场的流动状况,而标准k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型的微尺度模拟计算结果虽接近试验测量值,但仍有偏差;标准k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型的微尺度模拟效果较差.     

微尺度内流流场数值模拟方法及实验

以Micro-PIV实验测量的微尺度流场为基础,利用Fluent数值计算软件设计最佳微尺度流动数值模拟方案.针对微尺度特性,采用设定壁面粗糙度和多孔介质模拟粗糙元的微尺度效应处理方法,利用Fluent软件提供的realizable k-ε模型和标准k-ω模型,分别在Reynolds数为100和300情况下对边长600μm的矩形断面的微通道内流场水流流动进行数值模拟,通过各种数值模拟方案下计算出的速度场与Micro-PIV实验结果的对比,得出以多孔介质模拟壁面粗糙元、配合realizable k-ε模型进行数值计算的方案是微尺度流场CFD的最佳方案.     

微灌滴头内流Micro-PIV测量及流道结构优化研究

以600 m方形断面锯齿形微灌滴头为研究对象,利用Micro-PⅣ技术测量了滴头流道内流流场.实验平台通过显微装置、滤光技术以及采用高像素、高灰阶CCD相机进行升级,得到了详细的微通道内流流场分布信息,针对流场中存在的低速回流区进行了局部放大测量,从测量得到的速度矢量图和流线图中发现,齿尖部位存在大小不等、方向相反的2...     

有压平直管道内交汇柱系下游流场特性分析

为研究管道车作为一种交汇圆柱系式的钝体结构在有压管道流场绕流时,在柱系下游产生的流动分离和尾迹涡现象,运用理论分析与数值模拟相结合的方法,对柱系下游的流场特性进行了研究.数值模拟采用了LES-WALE湍流模型,其结果与物理试验结果比较证明了数值模拟的可行性.对数值模拟结果进行理论分析:首先,由于流动分离柱系后流场中速度分布整体上分为低速流区与高速流区2部分,低速流区主要分布在断面中心位置,高速流区分布在断面外围,呈近似环状分布;其次,流场沿程速度幅值方面,从交汇柱系下游近端断面到远端断面,其中部分低速流区域的整体速度幅值愈高,周围高速流区的速度幅值愈低,并且两区域流场随距交汇柱系距离的增加呈现趋同变化;最后,关于流场的压强特性方面,沿程压强整体呈下降趋势,断面Z6仅与同流量时管道流场断面平均压强相差3.4%.     

Gauss型粗糙表面对微通道流动与换热的影响

采用高斯分布描述粗糙表面形貌,提出了利用Coons曲面构造三维矩形粗糙微通道的方法,建立了光滑微通道和三条粗糙微通道。在等温壁面条件下,数值模拟了饱和水在微通道内的层流流动,分析了表面粗糙度对流动阻力特性及传热特性的影响。研究结果表明：区别于光滑微通道,粗糙微通道的Po和Nu高于理论值,不再保持常数,随着雷诺数的增大呈近似线性增加;受表面轮廓高度随机性的影响,沿程压降和Nux呈随机波动式变化,粗糙度越大波动越剧烈;Po和Nu随等效相对粗糙度的增加而变大,且在所研究Re范围内相对粗糙度对层流换热的强化作用比对流动阻力的影响更显著;微通道内等温线向粗糙度大的下表面偏移,温度分布呈现非对称性,随着粗糙度差距的变大,非对称性愈来愈明显。     

多面体网格在离心泵内部流动数值模拟中的应用

针对非结构四面体网格在离心泵内部流动数值模拟中计算效率和离散精度方面的技术缺陷,采用聚合式多重网格方法生成的多面体网格及非结构四面体网格建立XA65/20型单级单吸离心泵内部流场的数值模型,利用Ansys Fluent 13.0对设计工况及多个非设计工况下离心泵内部流场进行了数值计算,得到其内部流场的静压、速度以及湍动能分布情况,并对其内部流动状态进行分析.在数值计算的基础之上,对样机进行了性能试验,预估泵的扬程及效率并与试验值进行对比分析.数值模拟结果表明:多面体网格收敛速度较快、残差曲线更为光顺、占用计算机内存较少,得到静压、湍动能分布更为均匀.模拟计算结果与试验数值的对比验证了多面体网格模拟计算值的可行性与准确性.从网格设置时间、计算成本、数值耗散3个角度分析,多面体网格能较好地应用在离心泵内部流动数值模拟中.     

轴流泵内部流动数值模拟及PIV试验

为了研究轴流泵内部流动数值模拟中不同湍流模型的适用性,分别采用standard k-ε模型、RNG k-ε模型、SST k-ω模型以及大涡模拟(LES)方法,基于结构化网格与网格滑移技术,对叶轮直径为200 mm、名义比转数n_s为700的模型轴流泵进行了性能预测和全流场数值模拟;计算了水泵的扬程和效率,并与在水泵试验台上测试得到的外特性结果进行了对比和分析.结果表明,在最优工况附近,standard k-ε模型、RNG k-ε模型和SST k-ε模型都能较精确地预测轴流泵的外特性,基于RNG k-ε湍流模型的扬程和效率误差相对较小;在非设计工况下,不同湍流模型具有不同的特性.在0.8Q_opt,1.0Q_opt和1.2Q_opt工况下,针对叶轮与导叶间的轴向间隙处进行了PIV内部流场测试;将各个湍流模型下的数值模拟结果与PIV的测量结果进行比较,发现基于雷诺时均方程的3种湍流模型的内流场流线与PIV的测量结果进行比较,发现基于雷诺时均方程的3种湍流模型的内流场流线与PIV的试验结果具有基本相同的趋势性,从而证明了数值模拟计算的可靠性和有效性;而采用LES计算得到的流场与PIV测量结果产生一定的偏差.同时,对轴流泵在不同流量工况下内流场的流动结构进行了分析.     

内置阻块和挡板微混合器的性能

为提高微机电系统中微混合器的混合效率,基于混沌对流原理,研究了一种流道内布置周期性阻块和挡板结构的被动式微混合器.首先,采用田口分析方法,研究了流道结构参数对流体混合的强化效果,得到微混合器的最优结构参数组合;然后,与现有试验和模拟结果进行对照,验证了数值模拟方法的可靠性;最后,通过CFX数值模拟软件对其内部流场及混合特性进行研究分析.结果表明,倾斜挡板和圆柱形阻块的周期性设置,使微混合器中心处Y方向的速度分量u_y沿X轴作周期性变化,提高了混沌对流强度;当雷诺数超过20时,微流道内产生了一系列复杂的涡结构,大大增加了2种混合流体的接触面积,促使2种流体实现完全混合.     

齿型迷宫灌水器抗堵塞性能分析与结构优化模拟

【目的】揭示齿型迷宫流道灌水器物理堵塞的内在流动特性成因,同步优化提出高抗堵型齿型灌水器流道结构。【方法】基于CFD数值模拟技术中的Workbench数值计算平台,对5种不同齿型流道结构(含改进后流道结构)的灌水器进行水砂两相流数值模拟计算,分析了不同齿型结构水流流速、流道内湍动能、湍动能耗散率分布规律及物理颗粒运动轨迹等。【结果】提出了齿型流道结构优化改进方案,优化后的流道结构增加了灌水器内低速区域面积和低速区域湍动能值,区间湍动能范围同比最高提升了52%～200%,同时提高了物理颗粒的运移速率,减少了颗粒运移路程和滞留时间,提升了齿型迷宫灌水器的抗堵塞性能。【结论】齿型流道灌水器的抗堵塞性能与流道内低速区的流体速度及流道内湍动能大小分布密切相关,流速和湍动能较大的区域不易造成堵塞;湍动能最大值均出现在主流区,并且在齿尖迎水区达到最大;湍流动能耗散率分布与湍动能分布具有十分相似的规律,湍动能耗散最严重的区域分布在齿尖处,齿尖结构对灌水器的消能效果起关键性作用。     

迷宫螺旋泵气液两相流场的数值模拟及试验

基于混合物多相流模型、RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC算法,应用CFD软件Fluent对迷宫螺旋泵内气液两相流场进行数值模拟并通过试验进行验证.通过分析流道内不同截面上的压力、速度以及含气率分布,研究泵内气液两相流场的流动情况.模拟结果表明,压力分布从进口到出口沿螺旋槽逐渐升高,增压效果明显,速度分布在环形腔的外侧比在内侧稍大,螺旋部分含气率分布比较均匀,进出口处出现含气率分布不均匀现象,局部含气率较高,在此要防止气堵现象的发生.试验结果表明所采用的计算模型基本符合泵内部流动的实际情况,这说明模拟结果一定程度上揭示了迷宫螺旋泵内部气液两相流场的流动规律,可为迷宫螺旋泵气液两相流研究提供理论依据,试验结果同时表明迷宫螺旋泵进行气液混输时具有良好的曝气效果,可作为传统曝气设备的替代产品.     

基于CFD的旋喷泵水力设计及性能比较

采用相同的窄流道直叶片,按照单闭式、单半开式、双半开式设计了3种不同叶轮结构的旋喷泵水力模型;采用CFD方法利用ANSYS-CFX软件对3种水力模型的内部流场进行三维数值模拟,分别得到3种模型的压力场、速度场。通过对设计方案扬程、轴功率、效率的性能预测,分析了3种旋喷泵水力模型的性能特征,以利于设计方案的优选。     

不同鳃片间距下的分离鳃内部流场三维数值模拟

为研究鳃片间距对分离鳃的速度场及泥沙分布特性的影响,采用Fluent软件中的层流模型和欧拉模型,运用Phase Coupled SIMPLE(PC-SIMPLE)算法,对不同鳃片间距下分离鳃的水沙两相流流场进行了静水沉降的三维数值模拟。根据数值计算结果,对速度场和含沙量分布特性进行了对比与分析。结果表明:不同鳃片间距下,分离鳃内部的速度场分布规律有所不同,鳃片间距越大,速度流场受到来自泥沙通道中的泥沙流与清水通道中的清水流影响就越大;鳃片间距越小,分离鳃的沉淀效果越好。以泥沙平均速度和清水平均速度作为考核指标,同时考虑分离鳃内部的流场特性、水沙分离效果与制作分离鳃的成本,则最佳鳃片间距为5 cm。     

网式过滤器的计算模型选择及内部流场分析

为了解网式过滤器内部流场特性,分别采用Fluent软件提供的Standard k-ε、RNGk-ε及Realizable k-ε模型同多孔介质阶跃模型耦合计算,通过物理试验与计算结果对比,确定了Realizable k-ε模型与多孔介质阶跃模型能更好地模拟网式过滤器中的流场。在此基础上,分析了该过滤器的内部流场,指出排污口固体边界和出水口边界条件对该过滤器的速度流场和压强场分布规律影响很大;滤网内、外侧的水流流速沿X轴分布不均匀,从而影响了网式过滤器的过滤效率及使用寿命,其结构有待进一步研究。     

自吸泵内部流场的数值模拟及性能预测

基于雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,应用三维无结构四面体网格及SIMPLEC算法建立自吸泵内部流场的数值模型,利用计算流体力学软件Fluent对设计工况及多个非设计工况下自吸喷灌泵叶轮和蜗壳的三维不可压缩湍流流场进行了数值模拟,得到其内部流场的速度分布和压力分布情况,揭示了泵自吸过程中流体的运动规律,最后预估该泵的扬程及效率并与试验值进行对比分析.结果表明,在相同半径处,叶片工作面压力比背面压力大;在回流孔处存在较大的压力梯度和速度梯度,并且由于分离室边壁的影响形成了大小不同的旋涡;数值模拟性能曲线与试验曲线基本一致.