非定常空化流动涡旋特性分析

基于试验和数值结果对三维非定常空化流动的涡旋特性进行分析.试验采用高速摄像系统对三维空穴发展过程进行观测.数值计算中采用混合密度分域的湍流模型和基于相间质量传输的空化模型.与试验结果对比,表明该计算方法能够准确捕捉云状空化的非定常过程：附着空穴的初生和发展,附着空穴的断裂,以及大尺度脱落空泡团的形成.基于计算结果,采用涡量分析法并引入复杂流场中的涡旋结构判据研究了空化现象的发生和发展对涡量输运过程的影响.结果表明：反向射流的形成和发展导致速度梯度的变化,从而引起涡量产生项的非定常变化;气液两相的相互转换会导致流场内体积变化率以及密度梯度的变化,同样引起体积变化率项和斜压矩项的非定常变化.采用速度梯度张量不变量Q和R分析空化现象的涡旋特性可以发现：在水翼前端附着空穴区域,旋转效应大于形变效应;脱落空泡位置附近,旋转效应和形变效应共同支配云状空泡运动.     

节流槽阀口静态流动特性研究

研究了3种具有代表性结构特征节流阀口的静态流动特性。采用流场仿真分析了阀口处的压降分布特性,并描述了节流面位置随开度的变化过程。推导了阀口过流面积公式,分析了3种节流阀口的节流特征。从流量-压差特性出发,结合试验研究和理论分析,推导出了流量系数与雷诺数的数学关系式,得到了流量系数稳定值Cdst,并探讨了流量系数随开度的变化规律。在理论计算值和试验结果相互吻合的基础上,进一步研究了阀口稳态液动力和节流刚度特性,并利用试验测量结果验证了其正确性。研究表明:球形槽的通流能力强,初始段流量系数大,适用于需要快速建立系统压力的情况;三角形槽节流刚性足,流量增益平稳,适用于需要精确控制的场合;渐扩U形槽既能保证启闭时的灵敏性,也能满足运行的平稳性。     

基于涡分析的旋涡泵内流动能量转换特性研究

为研究旋涡泵内复杂的旋涡特征,量化泵内旋涡体积和强度,分析旋涡结构对能量转换和能量损失的影响规律,采用非定常数值模拟和外特性实验相结合的方法对单级旋涡泵进行分析,综合使用Ω方法和Liutex方法对泵内旋涡进行识别和强度表征,提出平均旋涡强度进行量化研究,并结合动能方程的涡动力学分解式以及涡量分解理论进行分析。结果表明：泵内的旋涡充分发展区域存在螺旋形的管状旋涡结构,该旋涡从叶轮流道流出进入侧流道,并且随着流量的增大,涡管数量减少且旋涡强度降低;流量的增大使得叶轮内的旋涡体积和强度减小,而其在侧流道内相对变化较小,相同工况时叶轮内的平均旋涡强度远大于侧流道内;压力梯度对流体动能转换的贡献最大,旋涡结构引起的动量输运和耗散损失占比较小,但刚性涡量即旋涡结构的强度与动量输运呈正相关,变形涡量则与拟涡能损失相关性较强。     

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.     

射流泵内部流动计算中不同湍流模拟方法的比较

为了掌握射流泵中工作流体与被吸流体的混合过程,通过基于雷诺平均N-S方程(RANS)的不同双方程湍流模型以及大涡模拟(LES)对射流泵内部三维单相流场进行数值模拟,并将这些模型的计算结果和试验值进行对比,研究了适合射流泵模型的数值方法,并在此基础上,对不同工况下射流泵的内部流动进行了分析．结果表明:采用LES方法对射流泵湍流场进行模拟计算的结果是可靠的,无论是压力比还是效率,LES模型的数值模拟结果均与试验值吻合较好;采用双方程模型预测的喉管段高速核心区在混合过程中能量耗散过快,且没有预测出剪切层的旋涡结构,只有LES方法才能得到合理的旋涡结构,从而能准确地反映出大流量工况时剪切层中工作流体和被吸流体间的动量和能量输运及混合过程,因此LES所预测的射流泵的能量特性比其他湍流模型更接近试验值;流量比越大,工作流体与被吸流体在喉管内的混合位置越靠后,势流核区沿轴向区域越长,均匀混合后的轴向速度越大．     

热敏感流体空化数值模拟及流动特性分析

为描述和捕捉热敏感流体空化的流动特性,文中对Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)空化模型进行了热力学修正.通过将ZGB模型与修正的ZGB空化模型对液氮绕二维水翼空化流动的模拟结果与Hord的试验数据进行对比. 结果表明:修正的ZGB空化模型对于热敏空化流动的模拟结果与试验数据更加吻合,特别是能够较好的预测水翼表面温度和压力的分布. 采用修正的ZGB空化模型对氟化酮绕NACA 0015三维水翼的空化流动进行研究,并将空腔脱落的演化过程与Kelly的试验数据进行对比,模拟结果可以合理预测到试验过程中三维水翼附近空腔的脱落及其演化过程,进一步证明了修正的ZGB空化模型对于不同热敏流体的适用性.最后,对热敏流体空化周期性脱落的动态特征进行了识别和分析.结果表明:Ω的等值面与脱落的空腔形状相似,这表明脱落的空腔区域中呈现大规模的旋涡运动.空腔的生长脱落使水翼壁面产生明显的温降,B因子能够有效的预测腔内温降.     

基于熵产的旋流泵流动损失特性分析

为揭示旋流泵运行过程中的能量损失特性,通过数值模拟的方法分别对60%,100%和120%设计流量工况下旋流泵的内部流场进行分析和研究,同时基于熵产理论对旋流泵各个过流部件的流动损失进行定量分析.结果表明:旋流泵在运行过程中总熵产先减小后增大,其中能量损失最大的区域是无叶腔和后腔部分,约占总熵产的70%以上.叶轮区域的熵产随着流量增加逐渐增大,设计流量、大流量工况下叶轮区域的熵产占总熵产的比例超过20%.进口延长段区域的熵产随流量增加逐渐减小,设计流量、大流量工况下熵产占比低于1%.流场分析显示,在小流量工况下,蜗壳隔舌前端和进口流道有明显的大尺度涡团和回流.设计流量、大流量工况下流动不稳定区域主要集中在叶轮区域,该区域涡核几乎充满所有流道,且有大量旋涡产生造成流道阻塞和回流.研究结果能够为旋流泵的优化设计提供一定的参考.     

射流泵液固两相流特性三维大涡模拟

为研究射流泵的三维液固两相流动特性,应用计算流体动力学（CFD）方法模拟其内部流动特征.采用LES方法和混合模型对射流泵在输送固体颗粒时的三维流场进行了数值模拟,分析了不同的固体颗粒直径、固相初始体积分数及流量比等参数对射流泵液固两相射流的湍射流场及射流泵基本特性的影响.结果表明：在较小的流量比条件下,固液两相流射流泵的压力比和效率与清水时的差别不大;但是在较大的流量比条件下,随着固相初始体积分数的增大,基本性能曲线与效率均下降,且流量比和固相初始体积分数越大时,其下降幅度越大;在固相初始体积分数和固相颗粒直径一定时,流量比越大,充分混合后的含砂体积分数将随之增大.固体颗粒直径越大,则越容易产生局部体积分布集中的现象,易在射流泵内形成堵塞.研究结果为工程实际应用提供了一定的技术支持.     

离心风机涡旋结构及失稳流动特性分析

为了了解离心风机转子区域的失稳流动特性,基于SST k-ω湍流模型,探究了风机进流面非均匀流动特性与转子区域失稳流动的匹配关系,并基于涡动力学探究了转子失稳流道的涡旋尺度与结构.研究结果表明,在设计风量下,离心风机转子区域呈现明显的非均匀流动特性,可由气流速度、流动品质划分为稳流区和失稳区.同时,风机进流面流动特性与转子区域内流特性保持较好一致性,压力、速度、进流冲角皆呈现非均匀分布.进流面高速气流仅仅冲刷转子稳流区流道,而进流面低速流体在流经转子轴端后经由离心力的作用流至各个流道.通过使用进流冲角、环量、切向速度等方法,确定了额定工况下转子区域涡旋尺度、堵塞程度最为剧烈的流道,并通过湍动能及涡核分布成功捕捉堵塞流道的涡旋结构.     

基于大涡模拟的射流自吸式离心泵非定常流动分析

为了研究射流自吸式离心泵的非定常流动特性,选取内置射流喷嘴的自吸式离心泵作为研究对象,在定常数值计算的基础上采用大涡模拟技术对其进行了非定常数值求解,获得了全流场的流动信息,以第4圈收敛后的流场为例,分析了1个周期内不同时刻下的流场变化规律,并监测射流器内监测点的压力脉动,通过快速傅里叶变换(FFT)分析了监测点的频域特性.结果表明:在1个旋转周期内低压区始终位于射流器直线段,高压区位于泵腔内;靠近叶轮进口位置监测点的压力脉动值要小于靠近喷嘴附近的值;设计工况下,各个监测点的压力脉动最强频率在290.06 Hz附近,监测点的数值模拟主频与理论计算所得的转频与叶频略有偏差,压力脉动集中在fn~3f_n区间的低频区域.     

超高压气动加注阀流量特性试验研究

以预混高压气体加注为工程背景,对超高压气体精确加注的关键元件——超高压气动加注阀的流量特性进行了试验研究。利用杠杆原理和自密封结构设计,解决了超高压气动加注阀阀芯驱动力大、响应速度慢和高压气体泄漏的难题,设计出中低压小流量控制高压大流量的超高压气动加注阀。阐述了气动加注阀阀口流量特性的试验装置和测试系统,建立了阀门不同开度下的加注阀流道简化模型,在加注压力大于10 MPa条件下,对气动加注阀在不同阀口节流面积下的流量特性进行了试验研究。试验表明,储罐气体背压增长率和阀门开启高度对阀口流量特性影响较大;阀门开度较大时,阀口流道可简化为两级节流口串联,流量特性与理想收缩喷管相符,临界压力比在0.5左右;阀口开度较小时,阀口流道可简化为三级节流口串联,流量特性比较独特,临界压力比在0.3左右;增大阀门开度和加注压力是提高瞬时流量和流量系数最为有效的方法。     

车辆换挡系统调压阀优化设计与试验

针对车辆换挡充油过程中离合器充油压力曲线的实际值与理想值之间存在偏差的问题,建立了包含供油单元、电磁换向阀、调压阀和离合器的换挡系统仿真模型,采用AMESim对充油过程进行仿真分析。以充油压力为优化目标,应用误差积分准则确定优化函数,通过Pareto图得到调压阀中影响充油压力的关键参数为阀口开度、弹簧预紧力和阻尼孔直径。分别采用二次拉格朗日非线性规划算法(Non-linear programming by quadratic Lagrangian,NLPQL)和遗传算法(Genetic algorithms,GA)对上述参数进行优化。对比优化后的仿真充油曲线与理想充油曲线,可知遗传算法为最优算法,并确定了调压阀的最优结构参数。根据控制变量法设计试验方案,结果表明,采用遗传算法优化后,换挡系统的稳定性在一定程度上得到提高,其充油过程更加符合理想充油过程,换挡品质得到改善。     

调节阀流量特性分析及网孔型套筒阀优化计算

利用CFD技术,模拟计算了两种调节阀简化模型的流量特性曲线,其中扇形模型的流通面积与行程之间是线性关系,而环形模型的流通面积与行程之间是平方关系。针对一种工程应用的网孔型套筒阀提出了优化方案并比较了优化前后的流量特性,优化前的网孔型套筒阀网孔数量均匀分布,而优化后的网孔数量逐渐递增。结果表明,扇形模型的流量特性曲线接近直线型,而环形模型的流量特性曲线接近对数型;优化前的网孔型套筒阀的流量特性曲线为直线型,优化后则为抛物线型,可以满足其他的流量调节需求。     

混合流动式磁流变阀结构设计与压降性能分析

针对目前磁流变阀结构单一且体积大的不足,设计了一种结构紧凑的混合流动式磁流变阀,该磁流变阀阻尼间隙液流通道由单个轴向圆环流动、单个径向圆盘流动和单个中心小孔流动串联组合而成。阐述了混合流动式磁流变阀结构及工作原理;分析了励磁线圈作用下有效阻尼间隙处的磁路分布,同时建立了其压降数学模型。采用有限元法对混合流动式磁流变阀电磁场进行了建模仿真,对阻尼间隙处的磁场强度和剪切屈服应力的分布规律进行了分析;仿真结果表明轴向圆环阻尼间隙厚度为1.0 mm,径向圆盘阻尼间隙厚度为0.5 mm,加载电流为1.2 A时磁流变阀压降最大,为3 342 k Pa。对混合流动式磁流变阀压降性能进行了试验测试,具体分析了加载电流以及径向圆盘阻尼间隙厚度对磁流变阀压降的影响,试验结果表明轴向圆环阻尼间隙厚度为1.0 mm,径向圆盘阻尼间隙厚度为0.5 mm,加载电流为1.2 A时磁流变阀压降最大,为2 650 k Pa,试验结果与仿真结果变化趋势基本一致。     

蚊香盘式液流通道磁流变阀压降及响应性能研究

设计了一种蚊香盘式液流通道磁流变阀,其液流通道主要由2个牛顿流体圆管流、1个牛顿流体圆环流、2个非牛顿流体圆盘流和2个非牛顿流体螺旋流共同组成。分析了磁流变阀的工作原理及结构,推导了其压降数学模型。采用有限元法对磁流变阀的电磁场进行建模仿真,并分析了压降变化规律,仿真结果表明,加载电流为2.0A时,压降达5.58MPa。搭建了磁流变阀性能测试实验台,对不同外加电流和不同模拟负载下的压降性能进行实验测试,结果表明,当加载电流为2.0A时,压降可达5.1MPa,较之传统的径向流磁流变阀压降性能提升明显。不同流量下的响应性能实验结果表明,所设计的磁流变阀响应速度快,上升阶段响应时间小于下降阶段响应时间。     

双排油轴向柱塞泵配流特性理论分析与试验

通过改变缸体结构、柱塞数、端盖油路、配流盘形状等,设计了双排油内外环并联配流结构的轴向柱塞泵,实现了单柱塞泵两路高压供油。针对单环柱塞数减少,腔内压力冲击增大,脉动变大等问题,对配流结构进行重新设计。在排油腰形槽和吸油腰形槽过渡区取消卸荷槽,利用加大配错角,在排油完毕未接通吸油时,腔内封闭体积增大,未排尽的高压油液压力降低;在吸油腰形槽和排油腰形槽过渡区,排油卸荷槽利用阶梯变化通流面积代替原连续变化的通流面积,削弱了卸荷槽几何形状要求。重新设计后的双排油配流结构,以45 mL轴向柱塞泵结构为参考,对配流结构进行了理论分析,建立了双排油轴向柱塞泵仿真模型。以单柱塞腔内压力冲击、输出流量进行分析研究,得外环压力冲击小,与传统配流结构相比较双排油输出口压力脉动变化率变小,并试制双排油轴向柱塞泵。对试制泵进行压力脉动测试、容积效率测试和噪声测试,结果表明,与45 mL轴向柱塞泵进行对比,压力脉动降低了约30%,噪声也降低,容积效率不低于0.92。该双排油轴向柱塞泵可以代替双联泵,使系统结构简化,能耗降低。     

双联轴向柱塞泵配流盘优化与流量脉动特性分析

针对双联轴向柱塞泵配流盘在脱离吸油和排油时,柱塞腔存在闭死压缩和闭死膨胀阶段,造成柱塞腔气穴现象和压力正超调或负超调,引起流量和压力突变产生大的噪声问题,提出了一种配流盘结构。首先建立柱塞泵流动特性数学模型,分析轴向柱塞泵噪声产生机理;然后设计新配流盘结构并优化匹配三角阻尼槽结构参数,建立过渡区压力特性方程,通过理论模型对比分析,新配流盘能降低柱塞腔在过渡区产生的压力冲击。为了验证新配流盘结构对整泵流量和压力影响,采用液压仿真软件AMEsim建立双联柱塞泵模型,通过实验测试对比分析,验证了模型正确性。在相同工况下,将新配流盘和原配流盘代入整泵模型中,结果表明新配流盘流量脉动率比原配流盘流量脉动率降低了6.75%,证明新配流盘能很好地降低流体脉动。同时该模型为制造样机提供了理论基础,可降低新产品开发成本。     

径向流磁流变阀控缸系统动力性能研究

为进一步扩大磁流变阀的工业应用,提出并设计了一种径向流磁流变阀控缸系统,主要由径向流磁流变阀、单出杆液压缸及蓄能器3部分构成。阐述了径向流磁流变阀控缸系统的工作原理,推导了阻尼力数学模型。对径向流阀控缸系统进行了动力性能建模仿真,并搭建了动力性能测试实验台,分别对常规型与改进型径向流磁流变阀控缸系统在不同电流、不同频率及不同振幅下的动力性能进行了实验,实验结果表明,以径向流磁流变阀作为旁通控制元件的磁流变阀控缸系统能够产生较大的输出阻尼力,阻尼力最大可达5.8 k N;另外,阻尼力随电流变化顺逆可调,且可调范围广;同时,输出阻尼力受活塞杆运动速度影响很小,阀控缸系统能在各种工况输出稳定阻尼力。对比分析2个磁流变阀控缸系统可知,更换不同的磁流变阀可得到不同的动力性能。     

单线圈径向流磁流变阀优化设计与性能分析

针对磁流变阀通过改变内部结构提高压降而导致阀体积增大、内部通道易阻塞的问题,在不改变普通单线圈径向流磁流变阀内部基本结构及外观尺寸的基础上,对单线圈径向流磁流变阀压降与压降可调系数进行了多目标优化,设计了一种带有隔磁套筒的单线圈径向流磁流变阀,并阐述了其工作原理,基于Bingham模型推导了其压降数学模型。采用有限元法建立了磁流变阀二维仿真模型,观察径向圆盘阻尼间隙处磁感应强度分布规律,建立约束条件,分析了磁流变阀关键部件尺寸对剪切屈服应力与压降等相关性能的影响。运用ANSYS零阶和一阶优化工具对磁流变阀进行几何尺寸参数优化,并对优化前后磁流变阀有效阻尼间隙处的平均磁感应强度,以及进出口压降进行仿真对比分析。在磁流变阀动态性能测试平台上,对优化前后磁流变阀压降性能进行实验测试对比,实验结果表明,当励磁电流为1. 8 A时,优化前磁流变阀压降为1. 84 MPa,优化后磁流变阀压降为2. 58 MPa,增加了40. 22%;优化前磁流变阀压降可调系数为7. 94,优化后压降可调系数为10. 07,增加了26. 83%;不同负载对磁流变阀压降效果影响不大。     

电控线性转板式气体流量调节阀结构设计与实验

提出了一种电控线性转板式流量调节阀(阀门通径DN50),阀芯开口采用专门设计的形状以实现开度与流量的线性关系,驱动系统采用减速步进电机以保证阀门开度的精度和重复性。采用面积割补法推导了阀芯曲线方程,设计了特殊的平面旋转密封结构,并采用数值模拟和实验验证相结合的方法进行了验证。理论计算和实验结果均表明设计的阀门线性相关系数大于0.99,不同开度的重复性实验表明,不同开度流量重复性优于0.26%,验证了该结构阀门的性能。