多喷嘴射流泵数值模拟及试验研究

设计了一种能够缩短喉管长度的多喷嘴射流泵。并采用k-ε湍流模型和壁面函数法对不同结构参数下的多喷嘴射流泵进行了数值模拟和试验研究。结果表明,喷嘴数和喉嘴距对射流泵工作性能影响较大;在吸入室及喉管入口处湍动能较大。得出了射流泵的最佳性能喷嘴数,确定了工作流体和被吸流体喉管混合均匀长度,验证了多喷嘴射流泵可缩短喉管长度,提高了射流泵工程应用价值。     

太极式鱼道水力特性试验研究及数值模拟

针对传统鱼道一经建成,其固体边界条件已经固定,池室内水流流速分布变化不大而难以适应多种鱼类通过的缺点,该文研究一种通过太极圆盘和八卦爻条消减水流能量,形成多态流速场以适应多种鱼类洄游的太极式新型鱼道,并对其进行了水力模型试验和数值分析。首先通过模型试验得到了鱼道在不同工况下的流态和沿程水深变化,然后通过数值计算得到了与模型试验相近的结果,并进一步分析了太极式鱼道的表面流速、近底流速及关键横断面流速分布。结果表明:太极式新型鱼道具有显著的消能减速效果,最浅处水深达到无太极圆盘时相应最浅水深的2倍左右,断面平均最大流速为0.95 m/s,相对于无太极圆盘的情况降低50%左右,池室内水流呈现多态化,另外随太极圆盘方位不同流速场亦有明显变化,该种鱼道可为鱼类提供更多适宜的洄游条件。     

鼓风冻结虾仁时间的数值模拟及实验验证

食品冻结时间对速冻食品的质量和速冻过程的能耗有着重要影响。为弥补实验测量耗时耗材局限性大的缺陷,该文采用计算流体力学（CFD）,对虾仁在鼓风冻结装置中的冻结过程及冻结时间进行了二维非稳态模拟。实验验证表明模型与实际吻合较好,冻结过程中最大温差1.5℃,冻结时间差异百分比为3.8%。在此基础上,还对可能影响食品冻结时间的多个参数（吹风方式,吹风速度,送风温度）进行了模拟研究,结果表明：相比于单侧送风,上下同时吹风的方式大大提高食品换热系数,从而大幅缩短冻结时间;上吹风速度恒定时,随着下吹风速度增大,冻结速率加快;降低送风温度,冻结时间明显减少,但减少的幅度随着冻结温度的降低而不断减小。     

冷藏库内气体流场数值模拟与验证

计算流体力学(CFD)在各种与流体相关的领域内广泛应用,并取得了很好的效果。合理的气体流场才能保证均匀的温度场,这对冷藏库内货物的降温速率和贮藏质量起着至关重要的作用,而常规设计方法很难得到合理的气体流场。本研究以一个(长×宽×高)4.5 m×3.3 m×2.5 m的实验冷库为对象,建立了二维紊流数值计算模型,并采用了SIMPLE算法和交错网格技术进行了求解计算。实验验证表明模型与实际吻合较好。模拟研究揭示整个冷库的流场存在一个中心大回流区、流场主流贴附边界流动、流场在拐角处速度减小。在此基础上,还对可能影响冷藏库内气流组织的多个设计参数(冷风机出口风速,拐角挡板,货物等)进行了模拟研究,研究表明这些参数对冷藏库内流场和温度场都有巨大的影响,进一步说明CFD工具在冷藏库设计和优化设计过程中的重要作用和意义。     

基于数值模拟的射流式吸肥器结构尺寸优化及性能试验

为提高射流式吸肥器的吸肥性能,使其满足水肥一体化灌溉系统中的大吸肥量需求,该研究以大吸肥量和高吸肥效率为目标,对射流式吸肥器内部结构尺寸进行优化设计.选取表征吸肥器结构的4个参数即吸肥腔收缩角、吸肥腔直径、喉部直径比以及喉部收缩比作为结构优化参数,以吸肥量、进口流量比、吸肥浓度、吸肥效率作为评价吸肥器吸肥性能的4个指标...     

蒸发式过冷水制冰液滴蒸发结晶的模拟

蒸发式过冷水制冰系统中液滴传热传质特性研究具有重要意义。为了分析蒸发式过冷水制冰系统中液滴的热质传输特性,该文将单个液滴冷却结晶过程分为全液相区、固-液两相区和全固相区3个不同区域,建立液滴在大空间内蒸发降温结晶过程的数学模型,通过数值求解方法研究其在大空间蒸发室内降温结晶过程的温度变化特性,进一步分析液滴和空气的入口参数与液滴整个蒸发结晶特性的关系,为蒸发式过冷水制冰系统的结构优化设计和运行管理提供参考依据。     

星体型人工鱼礁流场效应的数值模拟

人工鱼礁在海中不同的投放方式会产生不同的流场效应,为了研究不同摆放方式下星体型人工鱼礁周围的流场分布,该文利用FLUENT软件,采用RNGk-ε湍流模型,模拟了不同流速(0.3、0.5、0.8m/s)及摆设方式对星体型人工鱼礁流场的影响,并将数值模拟结果与其他研究方法的结果相比较。结果显示,FLUENT数值模拟结果与其他数值模拟方法的结果基本相符,表明该数值模拟方法能较好的反映人工鱼礁周围上升流和背涡流特征。其中,组合鱼礁横向摆放时,最大上升流速度、上升流面积及上升流高度均随布设间距的增大而增大,背涡流面积随布设间距的增大而减小;纵向摆放时,当两礁体间距为1.5倍礁体尺寸时,上升流高度、上升流面积和两礁体后背涡流面积达到最大值;两礁体间的背涡流面积随鱼礁间距的增大而增大。该研究可为人工鱼礁在海底的投放方式和投放间距提供理论参考。     

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。     

基于CFD数值模拟的冷藏车节能组合方式比较

精确掌握温度控制是实现高质量食品冷链运输的关键,节能减排降低运输成本也是供应商所追求的目标。该文以短距离冷藏运输车为研究对象,以土豆为货物区试验材料,建立了求解冷藏车车厢温度场分布计算模型。模拟过程采用2种不同的风机制冷温度（0和3℃）,依据制冷机组功率和货物最佳冷藏温度,确定运输过程中打开和关闭制冷风机最佳间隔时间。模型以冷气出风口风速、冷气温度、车厢以及货物的初始温度、货物的物性参数为边界条件,采用计算流体力学（CFD）非稳态SST κ-ω计算模型,模拟开启风机和关闭风机不同阶段车厢内温度场的分布情况。结果表明在组合方式为制冷温度3℃,制冷时间和关闭制冷风机阶段都为10 min时比制冷温度为0,制冷时间15 min和关闭制冷风机为20 min时要节约3.6×105 J能耗。该研究为合理选择制冷风机温度和冷却时间最佳组合方式,以及实现节能减排降低运输成本提供了依据。     

射流式在线混药装置汽蚀特性数值分析与试验

为了解不同压力比下的汽蚀特性,该文采用试验与数值分析相结合的方法,测量不同出口压力下(0.25、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.35 M'Pa)的工作流体、吸入流体与混合流体的质量流量,得到压力比与混药比的特性曲线;采用Mixture模型中的Zwart-Gerber-Belamri汽蚀模型,分析了不同出口压力下的内部静压分布和气相分布;对试验值与仿真值进行拟合分析,拟合优度R~2=0.9618,验证了模型的准确性;研究结果表明,当压力比大于0.6时,混药性能较差,甚至会出现逆流。当压力比在0.4~0.6之间时,混药比与压力比负相关。当压力比小于0.4时,混药比与压力比无关,即达到汽蚀混药比:在工作压力为2.0 MPa,吸入口压力为0下,当出口压力为0.8:MPa(压力比为0.4)时,内部流体发生汽蚀,且出口压力越低,汽蚀现象越严重。该研究为提高装置混药比稳定性能,保障流式混药装置高效运行提供理论依据。     

低频超声雾化栽培喷头阻抗特性的数值模拟

为了加速低频超声雾化栽培喷头的设计制造进程、降低研发成本,该文提出了其阻抗的测试原理电路图,建立了阻抗分析的有限元模型,在大型通用有限元分析软件ANSYS中进行了静态分析、模态分析和谐响应分析。应用静态分析、模态分析以及谐响应分析分别确定了静态电容、谐振频率和反谐振频率以及动态电阻、半功率点频率、动态电感、机械品质因数。利用阻抗分析仪PVC 70A对该喷头的阻抗特性进行了测量,并与有限元模拟结果进行了比较,结果表明各个参数可以作为设计超声波发生器的计算依据。     

湿帘-风机降温下的温室热/流场模拟及降温系统参数优化

为提高温室夏季降温环境性能,提出了一种基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的温室湿帘-风机系统的降温环境优化设计方法。采用太阳射线追踪法来模拟太阳辐射对夏季温室内流场环境的影响,并结合温室内作物的多孔介质模型,构建并求解温室三维非稳态模型,模拟了湿帘-风机降温下的温室内部温度场与速度场分布情况。模拟结果与试验测量的温度值和风速值进行了对比,其平均误差分别在4%和6%以内,验证了建立的温室CFD模型的准确性。结合正交试验方法,基于CFD模型对不同温室长度、湿帘面积和风机速度参数条件下的室内降温环境进行了优化设计。根据模拟优化获得的不同配置方案结果,建立了温室长度、湿帘面积和风机速度参数的拟合结果,为夏季华东沿海地区Venlo型温室湿帘-分机降温系统的设计提供了可靠的理论依据。     

喷雾接种生物颗粒两相流及其对菌种活性的影响

纯种固态发酵喷雾接种的喷雾系统可能会直接影响微生物的活性,造成微生物的死亡。该文利用固-液两相流理论分析了喷雾接种两相流体中微生物的受力状况,并对该两相流流态特征进行了定性,分析了流体微元体对微生物损伤程度综合衡量参数——黏性能量耗散率公式的理论依据,为后续喷头内部流场仿真奠定了基础。在FLUENT里创建了一个通过流场信息来计算黏性能量耗散率的用户自定义函数,在合理设置边界条件和初始条件的基础上,对在不同孔口尺寸、入口压力条件下空心锥雾喷头的黏性能量耗散率等内部流场进行了数值模拟;设计并制造了一套喷雾接种试验系统,确定了相应的测试试验酵母菌活性的方法。采用CFD仿真和试验验证的方法量化分析了喷头孔口尺寸、喷雾参数等因素对喷雾后生物活性的影响。结果表明,用喷雾接种实现纯种固态发酵过程的自动化、保证接种的均匀性是可行的;接种时喷雾压力越大、喷头孔口尺寸越大,喷头内部流场内能量耗散率极值也越大,菌种死亡率越高,据此可以找到保证接种后微生物存活率的最佳喷雾特性参数。该文的研究为固态发酵喷雾接种或病虫害防治喷施生物农药的应用提供了基础,并可为进一步研究其他喷头对微生物活性的影响提供借鉴。     

渣浆泵叶轮磨损的数值模拟及试验

为研究渣浆泵运行过程中叶轮的磨损情况,该文以一台离心式工程塑料渣浆泵为研究对象,对其全流场进行了结构化网格划分,首先对包括设计工况点在内的5个工况进行了清水条件下的数值模拟,并与试验数据进行对比,发现最大误差不超过5%,设计工况点误差不超过3%,说明所用数值模拟方法得到的结果是可信的。随后基于ANSYS CFX商用软件中的Particle欧拉多相流模型,对模型泵内流场进行了固液两相数值模拟并进行了快速磨损试验,模拟与试验结果表明:叶轮磨损较严重的部位位于叶片进口边、流道中前段靠近叶片压力面的后盖板内侧、叶片压力面与后盖板交界处及叶片压力面端面;背叶片的磨损主要发生在叶片压力面外缘,并由此处开始往轮毂处发展,磨损形状大致呈抛物线型,分析认为隔舌处的高压引起流道中颗粒相回流撞击背叶片外缘是造成背叶片磨损的主要原因。通过模拟结果与试验结果的对比,证明所采用的数值模拟方法可以有效地预测渣浆泵运行时叶轮的磨损,其结果可较好地解释磨损产生的原因,该研究可为今后渣浆泵叶轮抗磨损性能的优化设计提供参考。     

旋转式射流喷头结构参数及组合间距对喷洒均匀性的影响

为了深入探索国内原创旋转式射流喷头结构参数与喷洒均匀性之间的关系,选用10型喷头为研究对象,在工作压力为300kPa下测量出9种不同位差H、作用区长度L、收缩角θ的喷嘴的径向水量分布。采用Matlab语言编制程序绘制出正方形布置其组合间距为8,9,10,11,12和13m喷嘴的三维水量分布图,并对组合均匀性系数进行了仿真计算。结果表明:旋转式射流喷头的水量分布同时受到位差×作用区长度(H×L)、收缩角θ等结构参数的影响,当位差×作用区长度(H×L)、收缩角θ增大时,距喷头近处水会更多,远处水会更少;当位差×作用区长度(H×L)=2.4mm×20mm和2.6mm×24mm时,组合喷洒均匀性系数的数值以及它随组合间距的变化趋势都很接近,位差×作用区长度(H×L)=2.8mm×28mm喷嘴的组合均匀性系数变化趋势更加平稳;组合间距为8～10m时,不同θ的组合均匀性系数相差在2%以内;组合间距为10m以上时,组合均匀性系数随着θ的增大而增加。对于9种试验喷嘴,组合均匀性系数均随着组合间距的增加而降低,初步提出了旋转式射流喷头在正方形布置时最佳组合间距为10～12m,为其在工程应用中提供理论数据。     

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。     

夏季肉牛舍湿帘风机纵向通风系统的环境CFD模拟

为了研究湿帘风机纵向通风系统应用于肉牛舍的夏季降温效果,该试验在现场环境指标实测的基础上,采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的方法对湿帘风机纵向通风肉牛舍的气流场与温度场进行模拟,并对系统进行改进与优化.模拟时将牛只按与实物原型等比例引入到模型中,结果表明:舍内温度分布均匀,但受牛体挡风的影响,气流分布不均,高风速区主要集中在屋顶及饲喂走道,可达0.9～1.2 m/s;牛活动区域风速较小,均小于0.6 m/s,不能满足饲养标准.在75个风速测定点剔除异常值后,气流场的相对误差范围为0.16％～94.41％,平均相对误差为34.53％,45个温度测点的相对误差范围为0.09％～10.74％,平均相对误差4.71％.通过温度场吻合性结果确定模拟与实测有较好的吻合度.在不改变牛舍围护结构及舍内构造的前提下,对牛舍进行优化,舍内安装导流板,使得温度与气流场的分布均匀性显著提高,降温效果更为显著.该研究可为湿帘风机牛舍的优化设计和环境调控提供参考.