压力及孔径对管道喷雾空心圆锥雾喷头雾滴参数的影响

雾滴参数是衡量喷雾效果的重要指标。为研究管道喷雾设施中喷雾压力与喷头孔径的改变对果园用空心圆锥雾喷头雾滴参数的影响,通过喷雾性能综合试验平台和激光粒度仪,测量3种孔径的空心圆锥雾喷头在8种压力下的雾滴颗粒群的散射谱,获得了雾滴参数随压力和孔径的变化规律,给出了各工况下的雾滴谱曲线,分析了雾滴粒径的大小、分布和均匀性,建立了基于压力和孔径的雾滴参数模型。结果表明:压力越大,孔径越小,雾滴越细小越均匀;数据拟合误差均小于0.012;雾滴均较细小且较均匀,主要以气溶胶的形式存在;主要是粒径小于40μm的雾滴(79.659%~93.374%);雾滴谱峰值均在30μm附近出现;压力大于0.80 MPa后喷雾效果更好,其中体积中值粒径(volume median diameter,VMD)为30.610~31.632μm,雾滴很细小,扩散比(diffusion ratio,DR)为0.901~0.916,雾滴很均匀,VMD和DR均随压力呈二次多项式变化规律(R~2均大于0.968),VMD和DR与孔径和压力均有良好的二元线性关系(R~2分别为0.928和0.937)。研究结果验证了研发管道恒压喷雾装置的重要性,为喷头选型,管道恒压喷雾装置的优化、喷雾压力的设定和喷雾效果的优化提供了参考。     

基于气液两相流的循环集热晒管传热特性分析

为提高太阳能集热管供热水平,研究不同流速对太阳能集热管效率的影响,解决传统集热管受光面小、热损率高等突出问题,该文设计了一种具有高效吸收光热和保温性能的循环集热晒管。循环集热晒管由真空石英直管、石英弯管和连接段组成,真空石英直管之间采用串联循环方式连接,以扩大受光面积,增加接收的太阳热能。通过微元分析法推导循环集热晒管内双流体的液相与气相的能量平衡方程,建立了循环集热晒管内两相流数学模型;对两相流模型求解区域进行离散化和迭代求解,获得不同入口质量流量下晒管内水蒸气产生的位置和质量分数;设计并开展试验以验证两相流模型,分析单相流、两相流条件下循环集热晒管的热性能。研究表明:在入口质量流量4.42 kg/h条件下,循环集热晒管内流体达到饱和温度,开始汽化;晒管内流体温度与入口质量流量呈反相关,最高温度可达120℃,而晒管集热效率与入口质量流量呈正相关,最高集热效率可达0.87。综合考虑流体温度和集热效率,最优入口质量流量为4.15kg/h;两相流模型(压力为0.1 MB)得到的晒管集热效率理论曲线与试验测定曲线基本相符,误差在±2%以内。该文成果是真空管内两相流动分析的有益补充,为南疆盐碱水淡化的工程应用提供参考。     

考虑颗粒动态尺度影响的泥沙扩散系数模型建立及应用

在欧拉两相流数值算法中,多采用类比水流涡黏性系数的半经验泥沙扩散系数模型来计算固相体积浓度分布。而在将这一模型用于悬移质固液两相流时,因忽略了颗粒动态尺度对流体湍流强度的影响导致计算精度较低。为了体现这一影响,该文针对悬移质固液两相流,基于类比水流涡黏性系数的半经验模型,以颗粒与含能涡相互作用理论判断颗粒动态尺度和固相体积浓度对流体湍流强度的作用,根据流体湍流平衡流动理论和变量间多元回归分析方法,结合现有试验数据,建立了流体湍流强度变化率与颗粒动态尺度、固相体积浓度的关系式,进而得到了新的泥沙扩散系数的计算模型。通过对圆管中悬移质固液两相流的计算表明,相比于现有泥沙扩散系数模型,该文提出的模型能够体现颗粒动态尺度对泥沙扩散系数的影响,在不同含沙工况下计算得到的固相体积浓度分布与试验结果吻合更好,计算值与试验值的最大相对误差在10%以下,远远小于现有泥沙扩散系数计算模型的最大误差。该文新发展的泥沙扩散系数模型得到的悬移质固液两相流流场的计算精度明显提高,可以用于准确预测悬移质固液两相流流场特性。     

静电喷粉植保机具两相流流场的分析计算

对静电喷粉植保机具中的荷电气固两相流流场进行了理论和实验研究,分析了荷电粉粒的受力状况,建立了荷电粉粒的运动方程,并对其求解、给出了具体算例。用激光多普勒技术测量了充电区域中粉粒的速度场,将计算结果和测量结果进行了对比,二者比较接近。此结果可用于指导喷粉机具的设计与计算。     

气液两相流流型影响喷嘴喷雾形态及液滴粒径分布

为了获得气泡雾化喷嘴内不同气液两相流流型对喷雾形态及液滴粒径分布的影响规律,该文建立了气泡雾化喷雾可视化试验系统,采用试验方法获得喷嘴内气液两相流流型及宏观喷雾形态;该文建立了喷嘴内和喷雾场中气液流动模型。研究结果表明,泡状流时喷孔出口含气率呈周期振荡衰减且含气率较低,搅拌流时喷孔出口截面含气率脉动幅度及其变化较小且含气率较高（较泡状流高1倍）;搅拌流时喷雾形态脉动不明显,喷雾半锥角分布比较集中,而泡状流时正好相反,搅拌流时喷雾半锥角在8°～14°范围内的占比超过70%,而泡状流不到40%。搅拌流时喷孔出口附近液滴粒径分布更加集中且随轴向距离增加分布范围变化更大,液滴平均粒径比泡状流小4%左右;在喷孔出口附近,搅拌流时液滴粒径标准差明显小于泡状流时液滴粒径标准差,较泡状流小30%以上;不同气液两相流流型时液滴粒径分布的差异随轴向距离的增加而减小。研究结果可为气泡雾化喷射技术的发展以及不同领域喷嘴内流型的合理选择提供一定的理论和试验依据。     

降尘、凋落物和生物接种对沙地土壤结皮形成的影响

土壤生物结皮广泛存在于干旱、半干旱地区,特别是沙漠地区。为了了解沙漠地区生物结皮的形成机制,2007年在科尔沁沙地对流沙进行了田间模拟降尘、添加凋落物和结皮生物接种的试验,研究了几种外界物质输入对沙漠结皮特性的影响。得到如下结果:降尘可以明显促进沙地土壤结皮的形成,但结皮盖度和厚度的增加与降尘量的多少并不存在线性关系,而是非线性关系。少量凋落物(100 g m-2)的存在可以增强降尘对结皮发育的促进作用,但输入较多的凋落物(250 g m-2)反而会抑制降尘的作用。结皮接种可以明显增强降尘对结皮形成的促进作用,其中干旱环境中接种地衣结皮的效果较好,在湿润环境中接种苔癣结皮的效果较好。结皮盖度对外来物质的输入较为敏感,结皮厚度随外来物质种类和数量的增加而变化较小。与光照、干旱环境相比,遮荫、湿润环境更有利于沙地结皮的形成和提高降尘等外来物质输入的效果。     

颗粒体积浓度对半开式叶轮离心泵泄漏涡和磨损的影响

固液两相流条件下半开式叶轮离心泵中颗粒冲击、泄漏涡发展和颗粒轨迹之间存在紧密交互作用,导致过流部件的磨损行为复杂多变。该研究结合双向耦合欧拉-拉格朗日方法和颗粒磨损Finnie模型,对不同颗粒体积浓度下半开式叶轮离心泵固液两相流场进行求解,分析了颗粒体积浓度对泄漏涡结构特征、颗粒运移轨迹和磨损特性的影响,揭示了颗粒体积浓度、叶顶间隙泄漏涡和过流部件表面磨损规律的关联机制。结果表明：随着颗粒体积浓度的增加,颗粒的频繁撞击加剧了叶片压力面进水边和后盖板磨损程度,叶片吸力面出水边的磨损范围向进水边方向延伸;颗粒体积浓度小于1%时,颗粒的轴向运动和叶顶间隙泄漏涡的阻碍作用导致颗粒易与叶片前缘靠近叶根处和吸力面出水边靠近叶顶的区域发生撞击,诱发严重磨损,且呈现点状磨损;当颗粒体积浓度大于3%时,叶轮后盖板的整体磨损强度大于叶片,颗粒体积浓度的增加造成流入叶顶间隙层的颗粒数增加,颗粒对叶顶间隙泄漏涡的冲击导致涡流的破碎、分离、再融合,加剧不稳定流动,泵的扬程和效率均明显下降。该研究可为固液两相半开式叶轮离心泵优化设计和安全稳定运行提供理论参考。     

滴头流道结构对悬浮颗粒分布影响的数值分析

迷宫滴头内部结构复杂尺寸微小,研究流道结构对悬浮颗粒浓度分布的影响对于流道优化有重要意义。该文采用正交试验方法设计齿形流道,根据两相流理论,利用计算流体动力学软件对设计滴头进行了液固两相流数值分析。模拟得到入流浓度及颗粒大小不同时滴头内的速度及颗粒浓度分布,分析了结构参数、颗粒大小及入流浓度对悬浮颗粒浓度分布的影响。研究结果表明：流道结构参数对颗粒分布均有影响,程度从大到小顺序为：齿角度－齿间距－流道深度－齿高;入流颗粒大小为流道最小尺寸的1/10～1/6时滴头不易堵塞;齿高与齿间距的比值小于0.5时有利于提高滴头的抗堵塞性。研究为滴头结构优化提供参考。     

猪粪对秸秆一体化两相厌氧产气的影响

为了研究秸秆与猪粪混合物在一体化两相厌氧消化工艺中的可行性,该文研究了中温条件下,在玉米秸秆原料中添加不同比例的猪粪,对秸秆一体化两相（combined two phase）厌氧消化工艺的影响,同时研究CTP反应器中上、中、下部发酵后物料的产气潜力,以解析CTP中不同部位物料的发酵情况。试验结果表明：添加猪粪可将以纯秸秆为原料的产气量从314 L显著提高至500 L左右,但会影响反应过程中的pH值、产气和产酸的稳定性,添加体积比为20%的猪粪更能促进发酵性能;CTP反应器不同部位产气潜力试验表明,中部产气量最低,以水解酸化过程为主,下部的产气量最高,以产甲烷过程,20%的猪粪体积添加量在满足CTP工艺要求的同时,更好地促进了两相分区,强化了CTP的优势。     

风水两相变化对黄河中游支流粗泥沙的影响

基于黄河中游河口-龙门区间实地考察和对1964—1989年的实测资料进行时空变化分析,结果发现:该区水力、风力变化对河流产出的粗泥沙的量和质的变化具有一定的分异控制作用,水力对河流的输沙量的变化起主导作用,而风力对粗泥沙占全沙的百分比变化起主导作用。随着降雨量的减少和风沙活动的减弱,黄河中游河流输沙量和粗沙比有不同程度的减少,输沙量减少明显,减沙比在50%～70%之间,而粗沙比的变化要小得多,减少量在10%～20%之间。     

液力偶合器气液两相流动的数值模拟与粒子图像测速

为了更加真实地反映偶合器内部的气液两相流动机理,该文应用计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）对其内部流动的速度和压力等流场特征进行数值模拟,并应用粒子图像测速（particle image velocimetry,PIV）技术对其流场进行了测试,试验结果表明：泵轮内的气泡小而均匀,速度分布较规律,由内环向外环递增;涡轮内气泡较多,并出现了涡流、回流、二次流等不规则流动现象。PIV测试的流场流动趋势与数值模拟的流场流动趋势基本一致。CFD数值模拟方法和PIV技术为揭示液力偶合器内部流场的复杂流动提供有效的解决途径。     

二相流喷雾测试试验台的研制

为了研究开发气液二相流喷雾技术、常温烟雾施药技术及其机具,解决设施农业病虫害防治的新问题,进行了二相流喷雾测试技术的研究,并研制了二相流喷雾试验台。对气液二相流喷雾过程中的主要技术参数的测试方法,在仪表指示读数、人工记录、人工数据处理的基础上研究开发了由计算机控制的同步测量、记录、数据处理、绘制曲线图表的自动测试系统。该试验台功能较全、精度较高,单项测试误差＜2.5%,并可对测试仪表现场标定。利用试验台能进行二相流喷雾技术研究和常温烟雾型机具性能试验、产品质量检测。     

基于多喷头组合的变量喷药系统的设计与试验

为了克服传统压力式和脉宽调制（pulse width modulation）调节控制方式的缺点,以及目前变量喷药系统的“较复杂,实现成本较高”的不足,该文设计了基于多喷头组合的变量喷药系统,建立了变量喷药影响因素模型,设计了变量喷药系统的管路、上位机处理系统及变量喷药控制器,运用流体网络理论建立喷药网络的数学模型,分析了系统的流阻。在喷雾试验台上搭建了变量喷药系统,试验数据分析表明多喷头组合的变量喷药系统是可行的,每种方式下喷药量与理论值误差均小于10%,可调节喷药量范围宽,农药的施用量大幅度减少。     

颗粒参数对螺旋离心泵流场及过流部件磨损特性的影响

为了研究颗粒参数与螺旋离心泵过流部件表面磨损特性的影响,该文结合数值计算与试验方法,分别引入Mclaury和OKA 2种磨损预测模型对螺旋离心泵内固液两相流场进行求解,并将2种模型中所包含的关联因子函数进行了推导和分析,建立了颗粒参数与过流部件表面磨损的内在关联。结果表明:所采用的数值计算模型准确性较好,相对误差在可接受范围内;叶片工作面的磨损主要集中在叶片头部和螺旋段轮缘附近,叶片背面磨损主要发生在叶轮离心段,蜗壳内壁主要磨损区域为隔舌和靠近出口断面附近;颗粒粒径在0.05~0.16 mm范围内,粒径的增加促进磨损,而当粒径大于0.16 mm后,磨损增长放缓;颗粒体积分数在3%~6%范围内,颗粒体积分数的增加会加剧磨损,而从6%增加到7%时,隔舌处磨损持续增加,在周向角度为101°~326°的截面范围内,颗粒体积分数的增加会抑制蜗壳内壁磨损;颗粒速度与磨损呈正相关,且对磨损的影响较大,不同速度下蜗壳内壁各部位的磨损率变化趋势相近。在此基础上,给出了固液两相流泵水力设计和结构设计的优化方向,该文为提高两相流泵抗磨损性能提供了参考。     

通用小型汽油机油气混合两相流动分析与低排放研究

为降低通用小型汽油机尾气排放,满足美国EPA法规限值,研发低排放通用小型汽油机产品,该文以168F汽油机为例应用Fluent工程软件建立了汽油机进气系统油气混合的两相流动模型,模拟计算化油器结构参数变化对汽油机不同工况油气混合浓度的变化规律,依据欧美现行排放法规的试验方法,分析通用小型汽油机排放生成机理,得出了低排放汽油机油气混合浓度的变化特性,即随着汽油机负荷的减少,混合气浓度值需逐渐变稀,据此计算得出化油器参数匹配方案。用168F汽油机对优化的化油器匹配方案进行了试验,NOX的排放较原机下降了35.4%;HC的排放下降了20.3%,样机的排放达到了美国2012年计划执行的排放限值。     

基于CFD的潜水轴流泵性能分析及其特性试验

为了研究高转速轴流泵性能预测问题,采用圆弧法和流线法完成550比转速QY90-4.4-1.5轴流式潜水泵叶轮和导叶水力设计。采用计算流体动力学(CFD)对泵性能进行预测,运用Pro/E软件完成泵流道三维实体造型和非结构网格划分,基于标准k-ε湍流模型进行泵内部流场数值模拟,得到模型泵性能预测数据和曲线。在样机型式试验及综合分析基础上,发现实测与预测性能参数吻合程度较高,由于对回流及二次流等的模拟还存在欠缺,在偏离额定工况较大时泵流量-扬程、流量-轴功率和流量-效率曲线产生一定的误差。通过分析最优工况叶片表面压力和相对速度分布,揭示叶片头部因液流撞击形成较大压降梯度,背面进口边稍后是较宽的低压汽蚀危险区。叶片表面速度沿半径逐渐增大,基本上没有径向分速度。总体符合速度环量沿半径均匀分布的假设。     

基于CFD离散相模型雾滴沉积特性的模拟分析

为分析三维空间中气流对雾滴飘移的影响,该文基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)离散相模型的粒子跟踪技术,研究了不同喷雾条件下的雾滴特性。该文在条件为3m×2m×2m的长方体计算区域,喷嘴置于长方体顶端(上表面的几何中心),在合适的边界条件参数下,对喷雾高度为0.25～2m,风速为0～3m/s变化范围内的雾滴沉积特性进行了分析。结果显示,雾滴的分布趋势(偏移量)随风速和喷雾高度大小而变化:雾滴的沉积量随喷雾高度和风速的增加逐渐减小,其最大值为100%(喷雾高度为0.25m,风速为0),最小值为7.2%(喷雾高度为2m,风速为3m/s),其沉积率最大值和最小值分别为79.07%和3.98%,并基于该方法建立了雾滴沉积量和沉积率的预测模型。该研究为精量施药提供参考。     

离心泵叶轮全流道非定常数值计算及粒子图像测速试验

为揭示离心泵叶轮旋转流道内的流动特性,设计了便于粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)的测试系统,并对离心泵进行了水力性能测试及叶轮全流道流场PIV测试,获得了不同工况下叶轮内的绝对速度和相对速度分布。基于标准k-ε湍流模型和滑移网格技术进行了非定常数值计算,并将数值计算结果与PIV实测结果进行了比较。结果表明,数值计算能够较为准确地预测离心泵的外特性,扬程误差最大仅为4.62%;PIV测量揭示了叶轮隔舌附近2个流道及其他流道的不同流动状态;数值计算得到的内部流动与PIV测试结果基本一致,在数值上仍存在一定的差异。研究结果为离心泵内部流动特性研究提供了借鉴。     

背负式喷雾器雾滴分布特性的CFD模拟与试验

为了解决不同喷雾条件对背负式喷雾器雾滴分布的影响问题,采用CFD离散相粒子跟踪模拟方法,研究了距喷嘴垂直高度分别为0.4、0.55和0.7m,喷雾压力分别为0.15、0.2、0.3和0.35MPa,风速分别为0、1、2、3m/s情况下,雾滴沉积分布和粒径分布特性,并进行试验验证。结果表明:沉积率受风速影响显著,随风速增大而降低,但沉积率受喷雾压力影响不显著。模拟与试验结果回归决定系数R2和标准误差SE分别为0.9424、0.039,表明CFD离散相粒子跟踪模拟法可用于评估雾滴沉积分布。雾滴粒径分布模拟结果与试验结果相关性差,CFD模拟法不宜用于评估雾滴粒径分布情况。该研究为后续各类喷雾器数据测量提供参考。