半开式叶轮离心泵气液两相条件下内部流动特性分析

半开式叶轮离心泵输送气液两相流时,其性能经常随入流含气率（α）的增加而下降,主要由内部的气液两相不稳定流动造成。为解决传统欧拉双流体模型不能考虑气泡直径变化及气泡形变的问题,采用一种群体平衡模型（Musig模型）数值计算了某设计比转速为88.6的半开式叶轮离心泵在不同入流含气率下的内部流场,并进行了试验验证。研究结果表明：模型泵在1 000 r/min可输送液体的最大入流含气率为4.6%;α>3%以后,Musig模型由于能表征气泡形态及破碎与聚合过程等气液两相流演化规律,其外特性计算结果比欧拉-欧拉双流体模型准确,且与可视化试验流型测试结果较为吻合;α=4%时扬程系数和效率与试验结果的最大误差分别为1.6%和5%;随着入流含气率的增加,叶轮和蜗壳流道内逐步出现均匀泡状流、聚合泡状流、气穴流和分离流等流型分布,设计流量下α≤1%时以均匀泡状流为主,α=3%时以聚合泡状流为主,α=4%时以气穴流为主,α≥4.2%时出现分离流并逐渐堵塞流道;叶顶间隙是影响泵内气液两相流型分布的重要原因,叶轮流道中存在大尺度漩涡和出口回流现象,且随着含气率的增大越发明显,进而在高含气率区域引发较大的湍动能分布,加剧了泵内部的不稳定流动,最终导致α≥4.6%后的泵空转。该研究可为综合分析离心泵内部不稳定流动规律提供一定参考。     

气液两相离心泵受力特性研究

离心泵在气液两相流工况运行时,叶轮内部流动极不稳定,为了研究叶轮在该工况下的受力情况,该文采用计算流体动力学的方法对某一气液两相离心泵进行了研究。基于欧拉-欧拉非均相流模型及SST湍流模型求解气液两相流离心泵的三维湍流流场,并将数值模拟结果与试验数据对比,两者吻合较好。通过对不同含气率工况下的离心泵瞬态特性进行分析发现,叶轮所受轴向力的大小随着时间的变化而波动,进口含气率达到3%时,轴向力脉动出现明显的峰值,这些峰值所对应的频率均为叶轮转频,随着进口含气率的增加,出现了2个及以上的峰值,进口含气率为7%工况的轴向力脉动峰值是3%工况的3倍,是5%工况的2倍;叶轮所受径向力大小及径向力脉动幅值均随进口含气率的增加呈先增加后减小的趋势,各工况下径向力脉动峰值所对应的频率均为叶片转频的倍数;通过分析进口含气率分别为1%、3%及7%工况下叶轮中间截面的含气率分布、涡量分布以及静压分布可得,叶轮内含气率较高区域的涡量也较大,而该区域的压力分布也不均匀,由此可见,叶轮内气液分布不均导致了叶轮内的压力分布不均,从而使叶轮受力不均。     

气液两相离心泵受力特性分析

离心泵在气液两相流工况运行时,叶轮内部流动极不稳定,为了研究叶轮在该工况下的受力情况,该文采用计算流体动力学的方法对某一气液两相离心泵进行了研究。基于欧拉-欧拉非均相流模型及SST湍流模型求解气液两相流离心泵的三维湍流流场,并将数值模拟结果与试验数据对比,两者吻合较好。通过对不同含气率工况下的离心泵瞬态特性进行分析发现,叶轮所受轴向力的大小随着时间的变化而波动,进口含气率达到3%时,轴向力脉动出现明显的峰值,这些峰值所对应的频率均为叶轮转频,随着进口含气率的增加,出现了2个及以上的峰值,进口含气率为7%工况的轴向力脉动峰值是3%工况的3倍,是5%工况的2倍;叶轮所受径向力大小及径向力脉动幅值均随进口含气率的增加呈先增加后减小的趋势,各工况下径向力脉动峰值所对应的频率均为叶片转频的倍数;通过分析进口含气率分别为1%、3%及7%工况下叶轮中间截面的含气率分布、涡量分布以及静压分布可得,叶轮内含气率较高区域的涡量也较大,而该区域的压力分布也不均匀,由此可见,叶轮内气液分布不均导致了叶轮内的压力分布不均,从而使叶轮受力不均。     

基于拉瓦尔效应的超音速喷嘴雾化性能分析与试验

为提高喷嘴的雾化性能,得到理想的雾滴粒径和均匀的雾云分布,该文首先对超音速雾化喷嘴的雾化原理进行了分析,应用拉瓦尔喷管超音速原理,对雾化喷嘴内部阀芯的锥形结构作了改进,结合Fluent流体动力学软件,分析了拉瓦尔式阀芯结构内部流场速度分布规律,然后通过喷雾试验对比分析了改进前后喷嘴的雾化效果,并探究了不同运行参数对拉瓦尔式结构喷嘴雾化性能的影响规律。数值仿真结果表明,拉瓦尔式阀芯能够产生超音速气流,对增大气液两相速度差具有显著效果;试验结果表明,改进后的拉瓦尔式喷嘴在雾化性能和效果上优于原锥形式喷嘴,气压和气液压力比的增大以及水压的减小均有利于雾滴粒径的减小,其中气液压力比在0～3区间内,雾滴粒径下降幅度高达90.56%,当气液压力比为6时,雾滴粒径达到最小值18.52μm。该文研究内容可为超音速雾化喷嘴进一步研究以及新型喷雾设备的研发提供参考。     

航空施药旋转液力雾化喷头性能试验

无人机航空喷雾将会在未来几年的植物病虫害防治作业中发挥重要作用。为实现无人机低空、低量、高功效的喷洒需求,该文针对兼备液力雾化和离心雾化优点的旋转液力雾化喷头进行了性能试验研究,利用喷头雾化性能测试系统对喷孔直径、喷雾压力、电机转速因素对喷头雾滴粒径、沉积分布、喷幅和功率消耗的影响进行了试验研究。结果显示,喷头旋转电机电压相比喷孔直径、喷雾压力参数对雾滴粒径影响更显著,随着电机电压增加,雾滴粒径变小,雾化效果好;电机电压对幅宽也有明显影响,随着电极电压增加,喷雾角度变大,幅宽明显增加,雾滴沉积量在喷幅范围内呈现正态分布。通过试验结果优选出适合无人机的旋转液力雾化喷头的最佳工作参数:电机电压为10 V,喷雾压力为0.35 MPa,喷嘴孔径是0.7 mm,该工作参数下,液泵功率消耗率最低,雾滴平均粒径为112.35μm,喷幅为3.88 m,电机功率消耗为8.6 W。该文的研究结果为开发适用于无人机的新型喷洒雾化装置,提高无人机作业质量和喷洒功效提供理论依据和技术支持。     

农用无人机超低容量旋流喷嘴的雾化特性分析与试验

针对农用植保无人机超低容量喷施作业时,使用液力喷嘴产生的雾滴粒径较大,离心喷嘴结构复杂、价格较高等不足,基于旋流雾化的原理并采用模块化方法,提出了一种超低容量旋流喷嘴结构。通过对旋流喷嘴内流场的流体动力学行为和雾化特性进行数值分析与试验,明确了流体的物理特性和旋流喷嘴的结构参数等对雾化性能的影响规律。研究结果表明,液膜表面的正弦波失稳是导致锥形液膜碎化为雾滴的主要原因,在旋流喷嘴的结构参数中,喷嘴出口直径是喷嘴雾化性能的主要影响因素。当喷嘴出口直径从1增大至1.5 mm,喷雾流量平均增大了46.23%,喷雾角平均增大了29.77%,产生雾滴的索特平均直径平均增大了15%。此外,喷雾流量还与旋流槽数量成比例,旋流槽的螺旋角主要影响喷雾角。喷嘴入口处的流体相对压强则对喷雾角及雾滴粒径有较大的影响,其中喷雾角随着相对压强的增大而增大,而雾滴的索特平均直径随压强的增大呈非线性递减,当流体的相对压强从70增大至160 k Pa时,系列化旋流喷嘴的索特平均直径降低了约25%~35%。此外对于旋流喷嘴而言,流体黏度的增大会导致喷雾角的减小,但适当增加流体的黏度(不超过纯水黏度的200%)可显著降低雾滴的平均粒径,提高喷嘴的雾化质量。该研究可为农用无人机超低容量变量喷洒系统的研发提供参考。     

柴油机喷嘴内小桐子油流动特性仿真分析

为对燃用小桐子油柴油机的燃油喷射及雾化进行系统研究,建立了考虑燃油黏度、密度及气泡数密度随喷射条件变化的三维气液两相流空穴模型,在对所建数学模型验证的基础上,进行了喷油压力、喷油背压及燃油温度对喷嘴内小桐子油空穴流动特性影响的数值模拟,并与喷嘴内柴油的流动特性进行了对比分析。结果表明：应用小桐子油作燃油时,随着喷油压力的增加,喷孔出口燃油的平均流速及质量流量逐渐增加,流量系数逐渐降低,但空化效应变化并不明显;喷油背压的变化对喷嘴内小桐子油的流动特性影响较小;随着燃油温度的升高,喷孔出口平均流速、质量流量及流量系数均大幅提高,空化效应显著增强。相同喷射条件下,小桐子油的空化效应及喷孔出口平均流速均低于柴油,但其质量流量及流量系数是否低于柴油,还受到燃油温度的影响。该研究可为燃用小桐子油柴油机工作过程的深入分析提供参考。     

带阶梯型谐振腔的Hartmann低频超声雾化喷嘴设计及试验

针对目前雾化栽培领域所用喷嘴无法兼具雾滴粒径细小及大雾化量特性的问题,该文设计了一种带阶梯型谐振腔的流体动力式Hartmann低频超声雾化喷嘴,为了使喷嘴喷雾方向可控,对雾化区域进行了流场主动控制,即在喷雾出口区域设置了圆锥罩,通过数值模拟研究了小尺寸阶梯型谐振腔的振动特性,对其雾化效果进行了试验对比。结果表明:在相同参数条件下,当阶梯型谐振腔第二级阶梯孔与第一级阶梯孔深度比超过2时,其谐振频率达到了传统圆柱型谐振腔谐振频率的1.6~1.7倍;圆锥罩的加入使得腔内流体压力振幅变大,初段起振特性更优;阶梯型谐振腔两级阶梯孔孔径比是影响阶梯腔谐振特性的重要因素,阶梯孔孔径比的改变会使阶梯型谐振腔的谐振模式由"回流模式"转变为"尖声模式"或使谐振现象消失;带阶梯型腔体的低频超声雾化喷嘴比带普通圆柱型腔体喷嘴的雾化效果更好,在0.1 MPa~0.5 MPa的进气压力下,前者比后者雾滴粒径小2~6?m;阶梯型谐振腔式超声雾化喷嘴在加装圆锥罩之后,低压时的雾滴粒径随供气压力变化更大,而在高压时,其雾化效果与没有加装圆锥罩的阶梯型谐振腔式超声雾化喷嘴相比基本一致;索太尔平均粒径SMD(Sauter mean diameter)随Laval管出口与谐振腔之间的距离的变大呈现出先变小后变大的趋势,SMD的变化趋势与腔内声压级SPL的变化趋势基本一致。雾化量为2 L/h下时,阶梯腔式超声雾化喷嘴的最小雾滴粒径为42μm。该研究可为阶梯腔式超声雾化喷嘴在雾化栽培领域的应用提供参考。     

航空植保作业用喷头在风洞和飞行条件下的雾滴粒径分布

为了获得GP-81A系列航空喷头的雾滴粒径分布情况,该文针对GP-81A系列航空喷头进行了风洞条件和飞行条件下的雾滴粒径及分布测试,通过高速风洞测试系统模拟飞行时产生的高速气流开展了气流大小对雾滴粒径及分布的影响研究;基于农用航空常用的Y5B飞机开展了不同型号喷嘴航空喷雾时的雾滴粒径及分布研究;同时,比较了相近喷雾压力条件下,相同喷嘴在风洞条件和飞行条件下的雾滴粒径及分布差距。试验结果表明,风洞条件测试时,当风速小于33.8 m/s时,雾滴粒径随气流的增加而增大;而当风速大于33.8 m/s时,雾滴粒径随气流的增加而减小,足够大的气流可以使雾滴进一步雾化。当气流在33.8 m/s时,7#喷嘴雾滴粒径最大,为491.1μm;当气流在84.87 m/s时,2#喷嘴雾滴粒径最小,为202.1μm。该系列喷头的6种不同喷孔的喷头的雾滴粒径均大于150μm,说明该喷头航空喷雾时的飘移损失较小。在喷雾压力基本相同的条件下,风洞条件下的雾滴粒径测试结果略高于飞行试验结果,主要原因是距离喷头出口的测试位置不同。风洞条件和飞行条件下的雾滴谱相对宽度S值均较小,表明雾滴分布较均匀,而飞行条件下的雾滴分布更均匀些。该研究为进一步优化航空喷头的作业参数,开展减少雾滴飘移研究提供参考。     

适宜溶气量改善生物柴油/柴油混合燃油雾化质量

为探究溶气对燃油雾化性能的影响,该文对生物柴油、0号柴油、混合燃油及经溶气处理的混合燃油的雾化特性进行了试验研究,采用多普勒粒子分析仪(phase doppler particle analyzer,PDPA)测量系统对不同比例的混合燃油在喷孔直径为0.26和0.30 mm下进行喷雾试验。对喷雾中心轴的轴向速度与粒径分布进行测量和分析,并进一步以混合燃油为基础,在其中分别溶入不同体积的CO_2,溶气所占体积比分别为5.74%、12.73%和26.42%,分别使用2种孔径的喷嘴对溶气燃油进行雾化性能的测量。结果表明,混合燃油的雾化效果与生物柴油相比得到明显改善,与生物柴油相比柴油的索特平均直径(sauter mean diameter,SMD)在轴向长度70 mm处下降了25μm,且喷孔直径越小雾化效果越好,当喷孔直径由0.30 mm降低到0.26 mm时,B0与B100的SMD分别降低了12.94%,19.57%。低溶气量的燃油其索特平均直径大于未溶气燃油,且随着喷孔直径的减小对雾化的抑制作用更加明显,当溶气所占体积比为5.74%和12.73%时随着喷孔直径从0.30 mm降低到0.26 mm其SMD分别增加了8.43%和6.82%。溶气量较高时其雾化效果得到改善,且随着喷孔直径的减小,改善效果得到增强,溶气所占体积比为26.42%时随孔径的减小其SMD降低了26.5%。本研究表明适当在生物柴油中溶气可以改善其雾化质量,研究结果可为生物柴油更好地应用于车辆内燃机领域提供参考。     

静电雾化中滴径分布及局部流量沿径向分布规律的试验

以食盐溶液为雾化介质,对静电雾化中不同径向位置处的滴径分布及局部流量进行了试验测试。结果表明：雾化轴线处的平均滴径最大,沿径向方向的增大,平均滴径逐渐减小。在滴径分布特征上,轴线处和雾化边缘处的滴径分布呈现单峰分布特征,尺寸分布较窄,而在轴线至雾化边缘的中间区域滴径分布呈现双峰分布规律,尺寸分布较宽;雾化中心处的局部流量最大,沿径向位置的增大,局部流量逐渐减小。当总流量增大时,各径向位置处的局部流量均有所增大,但径向位置较小区域的局部流量增大幅度较大,而径向位置较大区域的局部流量增幅很小;当总流量不变而电压增大时,径向位置较大区域的局部流量增大,而径向位置较小区域的局部流量减小。     

转笼式生物农药雾化喷头的性能试验

化学农药对生态环境的危害和人类健康的威胁使得低毒、低残留、不易产生抗药性的生物农药日益受到重视,但与之相配套的喷施机具的缺乏限制了生物农药的推广使用。为了研究保证生物农药存活率的专用喷施器械与操作方法,该文研究了喷施生物农药的专用转笼式离心喷头,并测试了其雾化性能和生物活性保持率。该文建立性能测试系统,利用粒子图像测速系统和激光粒度仪研究生物农药离心雾化喷头的转笼直径、丝网目数等结构参数,流量、转速等操作参数和生物农药制剂选择对于雾滴流场均匀性、雾滴粒径分布、生物农药活性的影响。量化分析了喷头结构和操作参数对雾滴体积中径和苏云金杆菌、白僵菌2种生物农药存活率的影响程度,采用SPSS软件通过相关信息和逐步回归分析建立了包含转笼直径、丝网目数、输药流量、转笼转速因素的转笼喷头雾化性能多元线性回归拟合模型,并检验其拟合度,通过实测数据对其进行验证发现该模型精度较高。综合各因素,提出了转笼式生物农药雾化喷头结构和操作参数的优化配置为:转笼直径100mm、丝网目数60、转笼转速3000r/min、输药流量80L/h。结果表明,转笼输液装置的双侧对称进液比单侧进液时雾滴流场均匀性提高,为了保证生物农药活性,转笼式喷头的转速不宜太高。该文的研究为设计生物农药喷施机具、制定确保活性成分的操作规范、提高生物农药防治病虫害效果提供了理论依据和技术支持。     

生物质混合燃料在柴油机喷嘴内流动特性模拟

为了研究燃料物性差异对喷孔内流动特性的影响,通过GAMBIT软件建立三维喷嘴模型,利用FLUENT软件采用混合多相流模型,对柴油、生物柴油、生物柴油/乙醇混合燃料的喷孔内压强分布、速度分布和空化程度进行仿真分析。结果表明:燃油在压力室与喷孔入口衔接处压强迅速下降,进入喷孔后压强趋于稳定,在喷孔出口处压强略有上升;生物柴油的压强降幅最大,在喷孔不同截面处,与柴油相比生物柴油的压强平均下降了23.91%;生物柴油/乙醇混合燃料与柴油的压强降幅差别不大。燃油流速在喷孔入口处迅速增加,进入喷孔后增速放缓,在喷孔出口处燃油流速略有下降;在喷孔径向方向,由于壁面黏滞力作用导致速度从中心轴线向外围呈递减趋势;在喷孔不同截面处柴油的流速最快,其在喷嘴出口处的流速为229.8 m/s;生物柴油/乙醇混合燃料在喷嘴出口处的流速为223.1 m/s;生物柴油的流速最小,其在喷嘴出口处的流速为214.9 m/s。空穴现象首先发生在喷孔入口拐角处,随后向喷孔出口发展,并逐渐减弱。喷孔不同截面处,柴油的气相体积分数最大,生物柴油的气相体积分数最小,其气相体积分数比柴油平均下降了11.1%,与柴油相比生物柴油的空化程度较弱;生物柴油/乙醇混合燃料的气相体积分数与柴油差别不大,仅降低了1.8%,在生物柴油中添加乙醇能够降低燃料的密度、粘度和表面张力,改善燃料在喷孔内的流动特性,促进空化产生,喷孔内的空化现象能够为圆射流喷雾提供初始扰动,促进燃油雾化。该研究可为生物柴油/乙醇混合燃料流通特性研究提供理论支持。     

静电喷雾的多喷头雾化特性及田间试验

针对传统喷杆喷雾机作业时需水量大、叶片背面雾滴沉积量不足和雾滴分布不均匀等问题,该研究提出一种静电喷雾与喷杆喷雾相结合的施药技术。为探究静电喷杆喷雾机的最佳工作参数,明确不同参数对雾滴雾化效果的影响,利用Fluent软件建立了流场、离散雾场和空间电场耦合仿真模型。仿真试验结果表明,多喷头的空间电场分布均匀性优于单喷头,静电喷雾的雾滴体积中径比非静电喷雾减小12.7%。搭建静电喷雾试验平台,以喷雾水压、充电电压和喷头间距为试验因素,以雾滴的荷质比、粒径、分布均匀性和沉积量为试验指标进行雾滴的荷电特性和沉积特性试验。试验结果表明,多喷头喷雾的雾滴荷质比最大值为0.26 mC/kg,比单喷头喷雾提高52.9%,雾滴均匀性变异系数比非静电喷雾减小32.1%,体积中径减小14.8%,上、中、下层叶片正面的雾滴附着率分别提高27.1%、37.3%和45.2%;静电喷雾的最佳作业参数组合为充电电压6 kV、喷雾水压0.4 MPa和喷头间距250 mm。田间试验表明,静电喷头与常规喷头喷雾施药的病虫害防治效果基本一致,静电喷头的施药用水量减少了60%。在满足防控效果的前提下,静电喷雾能增加雾滴在植株下层和叶片背面的沉积量,有效减少田间作业的需水量,研究结果可为静电喷雾技术在大型喷杆喷雾机上的应用提供参考。     

不同进气方式下气力提升泵水力特性理论模型与验证

为了深入研究气力提升泵的提升性能,该文首先进行了理论分析,建立了适用于不同进气方式的气力提升模型。同时通过改变进气面积与气孔分布方式进行试验研究,试验结果与理论分析结果吻合较好,该模型在一定范围内能够较好地预测提升泵的提升流量;并且根据试验结果,进一步分析了不同进气方式对气力提升泵的液体提升量与提升效率的影响规律。结果表明:首先,7 mm方形喷嘴进气方式下,随着气流量的增加,提升液体流量先较快增加,之后上升趋势逐渐变缓,提升效率先迅速升高,达到峰值后又下降,而沉浸比升高会使峰值效率提高。其次,沉浸比为0.5时,不同进气面积下,较小的进气面积导致提升效率降低;在相同进气面积下,不同的气孔排布方式对提升液体流量与提升效率的影响并不明显。再次,当管内流型接近弹状流型时,提升效率较高,稳定性较好;在环状流下,提升泵的效率最低,稳定性差。     

静电雾化过程中粒径分布的预测

运用信息熵方法对静电雾化过程中的雾滴尺寸分布进行了统计模拟,获得了预测粒径分布的统计模型。采用改进的Newton-Raphson算法对模型进行了数值计算,该模型可实现射流模式下的雾滴直径分布的预测。结果表明,射流模式下粒径分布较窄,最大粒径是最小粒径的2～3倍。通过与其他学者的试验数据比较表明,模型预测结果除了在较小流量情况下外,总体上与试验结果较为相符。该文的研究结果对静电雾化效果的优化及控制有一定的参考价值。