荷电颗粒多相湍流数学模型的构建

随着静电喷雾技术的发展,对荷电多相湍流的研究也不断深入,由于这一流动现场极其复杂,模型构建的难度增大.在多相湍流模型建立的理论基础上,采用双流体模型,考虑湍流脉动与电场耦合作用,引入“体平均”概念,构建了荷电多相湍流数学模型.“双流体”多相湍流模型在工业领域模拟复杂湍流中的成功应用和不断发展,为荷电多相湍流提供了新的工程模拟模型和方法.在单相荷电流体湍流模型方程建立的基础上,根据“双流体”多相湍流模型建立的理论基础,把荷电颗粒当作拟流体处理,借用拟流体多相湍流描述方程建立的方法,推导了荷电颗粒拟流体多相湍流的描述方程,为进一步获得荷电颗粒拟流体多相湍流模型提供了基础.     

荷电流体k-ε双方程湍流模型的建立

由于电场和流场的脉动耦合，荷电流体的湍流运动十分复杂。在建立瞬态荷电流体微分方程的基础上，采用周培源的湍流模式理论，推导了荷电流体的单相k-ε模型方程，该模型方程考虑了电场和流场湍流脉动的耦合作用，为建立荷电颗粒拟流体的多相湍流模型奠定了基础。     

荷电两相湍流模型的建立

荷电两相湍流存在着非均匀的空间电场与流场的耦合作用,以及荷电颗粒相与连续相流体的相间作用,是非常复杂的两相湍流运动.本文采用颗粒拟流体假设得到了荷电两相流动瞬时状态的方程组.根据雷诺时均方法,建立了荷电两相湍流的时间平均雷诺方程组,并对其中的脉动关联项进行了模拟.     

流体机械旋转湍流计算模型研究进展

旋转湍流是泵、水轮机、风力机和压缩机等流体机械中的典型流动现象,其三维随机脉动特性很强,具有逆压梯度高、流线曲率大、壁面影响突出等特点。目前存在多种湍流模型,但都有各自的适用范围,尚不存在一个通用的湍流模型。现有湍流模型在物理和数值方面的预测性能还未达到流体机械实际需求。针对强旋转和大曲率流动,本文阐述了湍流模型的发展。从湍流核心区的高雷诺数流动、近壁区低雷诺数流动和层流到湍流的转捩流动等不同方面,分析了现有湍流模型在流体机械中的适用性。指出了典型湍流模型在求解旋转湍流时存在的问题,探索了针对不同求解目标引用不同湍流模型的有效途径和方法,对湍流模型的发展趋势及湍流模型在流体机械中的应用进行了展望。     

荷电两相流动颗粒运动微分方程的建立

荷电两相流动主要研究荷电颗粒的群体行为，从研究连续相中的荷电颗粒受力着手。选择Stokes阻力作为基准，确定了荷电两相流动中的主要受力，并对在荷电情况时颗粒群的粘性阻力系数进行了修正。根据牛顿运动定律，给出了一般形式的运动微分方程。这一方程的导出，对荷电两相流动的研究起到了一定的促进作用。     

荷电喷雾燃烧的研究

进行了燃油荷电喷雾的实验研究，设计了燃油荷电喷雾实验台，测量了荷质比、雾滴粒径等，并将PIV技术应用于荷电喷雾流场研究。实验结果表明：在相同条件下，燃油荷电后将使雾滴粒径有较大幅度的降低，喷雾流场变得均匀、松散，燃烧及排放得到明显改善。     

荷电改善喷雾均匀性的实验研究

荷电喷雾技术在许多领域都得到了广泛应用,但对荷电喷雾的理论研究尚不深入。该项实验研究中设计使用了普通压力雾化喷 头、采用环状尖电极,测量了荷电喷雾的粒径和用ＰＩＶ测量其速度场,并与非荷电情况进行了比较,结果表明,雾滴荷电在提高喷雾均匀性、细化雾滴粒径等方面有明显效果。作为荷电喷雾的基础实验研究,该项研究为荷电喷雾理论的研究提供一定的试验研究依据。     

双流体荷电雾化的PDA实验

液体荷电雾化技术能够有效降低雾化的粘滞阻力,提高雾化效果,在雾滴形成后电场能减小雾滴表面张力,使雾滴产生二次雾化,进一步减小雾滴粒径,同时可以提高雾滴粒径尺度的均匀性.以空气、水为介质对自行设计的双流体雾化喷嘴进行了实验研究,获得了不同荷电电压与液气比下的雾滴粒径、雾滴轴向射流速度及雾滴的轴向湍流脉动强度,利用相关技术实现了对气液两相速度和湍流脉动强度的测定,探讨了荷电电压对雾滴粒径、轴向射流速度及湍流脉动强度的影响.     

湍流发生器径比对剪切室内流体黏度的影响

为了了解湍流发生器径比对剪切室内流体黏度的影响,提出了一种新的湍流发生器设计方法,设计出5种不同径比的湍流发生器方案.在径比为0.5,0.6,0.7,0.8,0.9时,以浓度为12.5%的卫生纸浆作为介质进行数值模拟,引入黏度均值和黏度标准差的概念,对剪切室内黏度分布情况进行了分析.结果表明:在径比由0.5增加至0.9的过程中,剪切室内流体黏度的整体值逐渐降低,且径比为0.7时,剪切室内质点黏度分布最均匀.在剪切室内取不同轴向截面后发现,随着径比系数增大,剪切室进口出现明显的高低黏度流体分离现象,出口处流体黏度逐渐减小.同一截面内流体黏度在半径方向呈规律性变化,且在湍流发生器叶顶部位存在黏度极小值,径比增大过程中,其值逐渐减小,并沿半径增大方向移动.     

基于PANS模型的湍流Taylor-Couette流及其换热特性

以同轴圆筒环隙内流体为研究对象,通过多种湍流模型计算结果与PIV测试结果的对比分析,建立了基于局部时均化模型(PANS)的环隙内湍流流场的数值模拟方法,在此基础上重点研究了沟槽模型内湍流流场分布与换热特性,获得不同旋转雷诺数、内外壁面温度梯度对流场分布及其换热性能的影响规律,同时研究了沟槽内涡流的形成机理及沟槽区域流体速度、剪切力及热流密度分布.结果表明:当流场转捩为湍流Taylor-Couette流时,泰勒涡沿轴向呈现无规则波动运动,并且泰勒涡轴向尺寸随雷诺数及内外壁面温度梯度增加而增加,径向速度与内壁面热流密度沿轴向的变化趋势表明:径向速度引起的射流作用对内外壁面间热量交换有直接影响;环隙内流体经过沟槽区域时撞击沟槽壁面,在惯性力、黏性力及壁面剪切力相互影响下形成涡流;沟槽区域的速度与壁面剪切力的变化呈现一致性,热流密度的变化与之相反.     

荷电液滴蒸发破碎过程的数学模型

针对荷电液滴蒸发破碎过程伴随的电荷衰减、质量和热量的传递问题进行了理论分析,得出荷电液滴电荷衰减规律,建立荷电液滴蒸发破碎过程的数学模型.建立重力作用下作平抛运动液滴的轨道模型,得出了水平方向与竖直方向上的最大输运距离.研究表明,液滴所带电荷是随时间作指数规律衰减,液滴电导率越高,介电常数越小,电荷衰减越快;液滴完全蒸发所需时间基本上与液滴初始半径的平方成正比.荷电液滴在蒸发过程中,临界电量随液滴温度的增加而减小,当液滴带电量q大于等于临界电量qc时,蒸发过程中发生库仑分裂,并实现了对库仑分裂时刻的预测.     

荷电气固两相流动管内输运流场的试验研究

基于输运段对荷电颗粒凝并效率的影响，建立了荷电颗粒输运试验系统，以研究管内颗粒输运流场随电压的变化情况．利用网状目标法测定颗粒群平均荷电量，应用流场测量技术PIV系统研究外加电场对颗粒运动的作用，运用二值化互相关图像处理算法，获得输运断面上的荷电颗粒速度、涡量以及湍动能分布图．试验发现：当充电电压低于-10kV时，颗粒的荷质比随充电电压的降低而增加，在-60kV时基本达到饱和荷电量；输运段中颗粒速度、涡量的分布值随电压的降低而增加；湍动能的分布呈现单峰特性，在-50kV时出现最大值．     

基于大涡模拟的水轮机内瞬态湍流场特性分析

基于三维瞬态N-S方程,采用大涡模拟方法中的Smargorinsky模型,应用模拟动静干扰效果较好的滑移网格技术,以标准k-ε模型稳态计算的结果作为初始条件,对某混流式水轮机全流道进行了的三维瞬态湍流数值模拟.用Fluent 6.3,采用非结构化的混合网格和压力速度耦合的PISO算法,成功地模拟了水轮机在运行中的各种瞬态细节过程,如涡旋的卷起、增长、合并、破碎和脱落.模拟结果给出了偏工况下水轮机导水机构和转轮流道内大尺度涡结构的瞬态发展演变过程.计算结果表明大涡模拟方法能较好地模拟水轮机内水流的瞬态流动特性和瞬时涡的发展演化过程,该方法可为探索研究水力机械复杂流道湍流运动状态下涡旋的形成机理提供有价值的参考.     

添加剂湍流减阻流动的传热特性数值计算

采用雷诺应力模型和Cross粘度方程,对二维轴对称圆管内湍流流动的聚丙烯酰胺稀溶液（PAM）的流场和温度场进行了数值模拟.在数值计算结果的基础上,系统研究了流速对减阻流体的减阻性能和传热特性的影响.结果表明,减阻流体的减阻率和传热降低率随流速的增大逐渐增大到渐进值,而且传热降低率恒大于减阻率.减阻流体柯尔本（Colburn）因子与摩擦系数的对比结果表明柯尔本比拟,特别是在较低流动雷诺数下有较大偏差.     

立式轴流泵装置的三维湍流流动数值模拟

采用三维湍流数值模拟方法对南水北调东线工程某泵站立式轴流泵装置进行了优化水力设计研究工作;分别建立了轴流泵模型和立式轴流泵装置几何型体数学模型,并分别对轴流泵模型和立式轴流泵装置的内部流动进行了三维湍流数值模拟,计算所得的轴流泵模型的水力性能与模型试验的结果一致;轴流泵装置数值计算所得的水力性能与装置模型试验结果的基本规律相符。计算结果表明:采用数值计算的方法研究立式轴流泵装置内部的三维湍流流动及其水力性能是可行的,在此基础上对立式轴流泵装置进行深入的优化水力设计,可以最大限度地提高泵装置的水力性能。     

基于动网格的活动导叶流道内湍流场数值模拟

基于任意拉格朗日欧拉框架下的二维时均N-S方程,应用非结构动网格技术,对某型号混流式水轮机活动导叶单流道内的导水机构关闭过程,进行了动态湍流数值模拟.利用CFD软件Fluent 6.3,采用非结构化三角形网格,标准k-ε湍流模型和压力速度耦合的PISO算法,真实地模拟了导水机构关闭的动态过程中,活动导叶流道内的压力场和速度场的瞬态变化过程.数值计算结果表明,导水机构两段折线关闭过程中,随着活动导叶开度的减小,流场发展呈现明显的非定常特性,水流绕过活动导叶后出现强的旋涡,对过渡过程的动态特性产生了影响.该方法能有效地模拟由于活动导叶动作诱发的流场脉动.     

核主泵模型泵导叶进口边相对位置对泵性能的影响

采用雷诺时均N-S方程和标准k-ε湍流模型,应用三维非结构四面体网格建模,选用旋转流体机械模型中的多重参考坐标系模型（MRF）,对设计工况下两种不同导叶形式核主泵模型泵的三维湍流流场进行了数值模拟,模拟结果较好地揭示了内部流场的特征.对内部流场的静压分布特征进行了研究,发现静压从叶轮进口到球壳呈持续增加的趋势,且导叶流道的静压分布具有非对称性的特征,比较分析了两种模型泵的流线图,得到了球壳与出口管相交位置处的回流特征.研究结果可用来了解核主泵模型泵的内部流场特征,并为其水力优化设计提供有益参考.