灌水器微细流道水沙两相流分析和微PIV及抗堵实验研究

为可视化研究灌水器微细迷宫流道内含有未过滤掉的沙粒的实际流动状况,进而探索迷宫流道的堵塞机理,针对灌水器复杂且微细的迷宫流道结构(1 mm左右),该文选取常用的矩形和锯齿形迷宫流道滴片结构,根据液固两相流理论,对其微细流道进行了水沙两相流计算流体力学数值模拟了CFD分析,得到了迷宫流道内流体的速度和流线分布及沙粒的运动轨迹和浓度的瞬时分布,分析认为流道内的低速区及涡旋区是造成堵塞的主要原因.并根据灌水器迷宫流道水沙两相流实验的需要,构建了微细流道中流动状态可视化测试的微粒子图像测速(Panicle Image Velocimetry PIV)实验台,尝试应用微PIV测速技术对流道内两相流流场进行了测定,而且配合短周期堵塞实验验证了CFD计算的正确性.通过短周期堵塞实验分析得到了流道单元的最佳结构参数.     

基于粒子图像测速技术的液力变矩器涡轮内流场测试与分析

液力变矩器是自动变速器的主要部件,其在乘用车、载重汽车、公共汽车和机车上的应用广泛。液力变矩器内部流动特性影响其外部性能,为了深入研究其内部流动特性,基于粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术对液力变矩器涡轮内流场进行试验研究。采用帧频为1 000帧/s的CCD高速相机,在不同工况下(输入与输出的转速比分别取0、0.3、0.5、0.7)采集不同粒子直径、不同粒子浓度下的流动图像,经过图像预处理,对连续两帧图像进行互相关计算,获得涡轮径向切面的速度场和涡量场。通过对流场分布结构和流动区域上复杂流动现象的对比分析,发现投入流场中粒子浓度越高(1 500mL蒸馏水中投入2.4 g粒子)、粒子直径越小(10μm)时,识别并提取流动区域上的流动参数越丰富,流速场和涡量场信息越可靠。液力变矩器内部高梯度流场分布结构和非均匀流速场分布导致出现多尺度涡旋和反向流等复杂流动现象,造成液力变矩器内部流动能量损耗,随转速比提高,涡轮流场结构趋于规律,能耗逐渐降低。该文试验测量与分析结果对于液力变矩器结构优化和性能提升提供了参考。     

制冷系统不同表面能微通道的流动沸腾传热特性试验

为了研究微通道壁面特性对流动沸腾传热的影响,该文以具有不同表面能的微通道为研究对象,制冷剂R141b为试验工质,在不同热流密度、质量流率下对微通道内的沸腾传热特性进行了试验探究。结果表明:在该试验工况下,质量流率的增加有利于沸腾传热,但微通道内过冷段长度也相应增加;在微通道饱和沸腾区传热系数较稳定,但沿工质流动方向有缓慢降低的趋势;相比于表面能为23.93 m N/m的3#的微通道,表面能为60.03和49.54 m N/m的1#和2#微通道沸腾传热系数分别提高18.42%和9.28%;根据试验值与关联式预测值的对比情况,对Lazarek关联式进行修正,拟合得到能很好预测该试验各工况下的传热关联式,平均绝对误差为9.76%。该研究为微通道换热器的设计提供了参考。     

基于多目标算法集热/蒸发器微通道结构优化

为提升微通道集热/蒸发器流动与传热性能,该研究通过多目标算法对集热/蒸发器微通道孔结构进行优化。首先,建立集热/蒸发器流动传热耦合模型,通过试验验证模型准确性;其次,采用响应曲面法拟合集热效率和压降的目标函数,建立以微通道集热/蒸发器结构参数为变量的双目标优化模型,并通过多目标粒子群优化算法得到集热效率和压降的Pareto优化解集,用K-means聚类算法对优化解集进行分类;最后,采用不同季节典型工况试验数据确定最佳微通道孔结构尺寸。研究结果表明：集热效率和压降目标函数的决定系数R2分别为0.995和0.999,拟合精度高;孔长、孔宽及孔间距对集热效率和压降影响显著;最终确定孔长1.27 mm、孔宽1.53 mm、孔间距0.39 mm为最佳微通道孔结构尺寸,与原结构相比,集热效率平均提高了8.29%,压降平均降低了11.05%。此方法提供了一定工况范围的优化解集,提升了微通道集热/蒸发器流动与传热性能。     

基于Fluent的9R-40型揉碎机三维流场数值模拟

为了对揉碎机空气扰动噪声源的产生机理、噪声特性及其规律进行研究,该文运用计算流体力学软件Fluent对9R-40型揉碎机内部的流场进行了三维模拟,直观显示了揉碎机腔体内的流场特性和流动状态,并且对计算所得的风速曲线和试验测得的值进行对比,结果表明,二者最大相对误差小于8%,且得到了转速为2 800 r/min运动时揉碎机流场的压力分布和内部流场速度分布。通过气流流场模拟结果分析表明,低速气流从进气口经高速旋转的转子作用后,产生了旋转噪声和涡流噪声;另外,在出料直管内形成一个回流区,易造成出料口堵塞,也会产生噪声。     

迷宫流道滴头内流场和颗粒运动的不同湍流模型数值模拟

为更好研究迷宫流道滴头的内流场水力性能和颗粒运动特性,该文采用k-ε模型和Eulerian-Lagrangian两相流模型进行了一系列数值研究。首先,通过3种湍流模型(标准k-ε、RNG k-ε与Realizable k-ε)预测迷宫流道滴头水力特性并与喻黎明等(2009)的试验结果对比分析,标准k-ε模型更适合于模拟迷宫流道滴头的内流场,与PIV试验数据相比,水力性能曲线平均模拟误差仅为2.32%。然后,基于Lagrangian的颗粒离散相模型,数值研究了齿形迷宫流道内不同密度和直径的单个颗粒运动轨迹及运动特性,并与喻黎明等(2009)的相关试验数据比较,结果表明,考虑了重力、浮力、虚拟质量力和曳力的随机轨道模型能够更加准确地模拟颗粒在迷宫流道内的运动,与PIV试验数据相比,颗粒运动速度后平均模拟误差仅为2.34%。颗粒直径变化较密度变化对颗粒运动影响大,随着颗粒直径或密度增大,颗粒运动速度减小,颗粒速度变化幅值大小依次为:速度极小值、平均速度、速度极大值,随着颗粒粒径增大,流经漩涡区时颗粒速度减小较大,颗粒的运动跟随性变差,颗粒在惯性力的作用下沉积在流道拐角内侧的漩涡区,由此可能造成迷宫流道堵塞。同时,以上对比分析表明,相关两相流模型和数值方法可很好预测滴头内部固液两相流动,可为滴头抗堵塞设计提供参考。     

高扬程潜水排污泵叶轮和蜗壳的匹配优化与试验

为提高高扬程潜水排污泵的性能,该文基于数值模拟、粒子成像测速(particle image velocimetry,PIV)测量和外特性试验并重的研究方法,以比转速为60的高扬程排污泵为研究对象,针对具有超厚叶片的叶轮与3种不同基圆直径的蜗壳进行了匹配优化。数值计算结果表明,具有超厚叶片的高扬程潜污泵蜗壳基圆直径对泵性能影响较大,当其与叶轮直径比D3/D2=1.13时,泵额定点的效率和扬程下降值均小于1%,但当D3/D2增大至1.19时,泵最高效率下降了3.3%;超厚叶片与蜗壳的匹配将直接决定泵内部流场特征,当D3/D2=1.01时,泵内部压力脉动和非定常径向力的峰峰值为D3/D2=1.13时的3倍左右,当D3/D2大于1.13时,其峰峰值变化较小。试验结果表明,兼顾考虑泵的外特性和内流场,方案B(D3/D2=1.13)具有陡降的流量-扬程曲线和饱和轴功率特性,最大轴功率不超过45kW,比国标规定的55kW小10kW,降低了生产成本。泵的高效区范围宽,在设计点泵效率达到71.80%,比国家标准高10.8个百分点;3个超厚叶片形成的3个通道,最大可通过颗粒直径为40mm的固体颗粒。PIV测量结果表明,在较大的流量范围内,叶轮内流场稳定,未出现不良流动现象,且此时泵内的压力脉动和径向力较小。该研究可为"高效率、无过载、无堵塞"的高扬程潜水排污泵的设计研究提供新的思路和实践指导。     

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。     

基于准稳态假设的混流泵启动特性分析

为了研究混流泵启动过程的准稳态性能,该文以瞬态外特性试验性能参数为依据,获得了混流泵准稳态计算的外特性曲线和无量纲扬程瞬态性能曲线,通过对3种转速下的压力场、速度矢量分析,总结出准稳态计算混流泵内部流动的一般性规律并与粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)测量的瞬态内部流场进行对比。研究发现,准稳态计算扬程呈现直线上升趋势,并随着体积流量的增大逐步偏离试验扬程;3种转速下泵内压力具有相同的分布趋势,叶轮进口截面相对速度矢量近似满足相似定律,并在低转速下出现大尺度的叶顶泄漏涡。与无量纲瞬态性能一致,瞬态PIV测量结果呈现出明显不同于准稳态工况的瞬态效应:在0.75 s时准稳态计算中叶顶泄漏明显,在外缘形成泄漏涡和进口边回流,而瞬态PIV测量中端壁区边界层正从层流向湍流发展;在1.07 s时准稳态计算中叶轮进口速度分布较为均匀,而瞬态PIV测量中流体在惯性力作用下呈现从轮毂向轮缘运动的趋势,卷吸效应较为明显;在1.35 s时准稳态计算结果与1.07 s时的速度场分布较为相似,而瞬态PIV测量中加速的卷吸效应更为显著,外缘高速流动区域随着转速的增加不断增大。该研究可为考证准稳态假设方法的准确度和揭示混流泵启动过程瞬态内部流动特性提供参考。     

换热器铝基微细通道微纳结构表面制备及其传热特性

在农业工程中,微细通道传热技术在储粮仓温度控制、农产品干燥系统和太阳能热水系统有着广泛的应用。该文使用CuCl2溶液刻蚀铝基微细通道表面并采用超声波清洗的方式得到微纳结构表面,呈现出超亲水性;在微纳结构表面的基础上用氟硅烷溶液修饰后得到超疏水表面,只经过砂纸打磨处理的为普通光滑表面。使用3种不同表面的微细通道进行流动沸腾试验,试验工质为R141b,操作压力为142 kPa,在不同质量流率、热流密度下研究不同润湿性表面对传热特性的影响。试验结果表明,在低热流密度下,超疏水表面有着最佳的传热特性,相对于普通光滑表面传热系数最大提高31.6%;当热流密度升高到一定值后,超亲水表面的传热系数最大,相对于普通光滑表面传热系数最大提高20.6%。继续提高加热功率,超疏水表面的传热系数开始下降,甚至低于普通光滑表面。该文通过改变微通道的表面特性,研究微纳结构表面对微通道流动沸腾传热特性的影响,为制造出更高换热特性的微细通道换热器提供了新的思路,从而实现节能与高效传热。     

导叶式混流泵多工况内部流场的PIV测量

为研究不同流量工况下混流泵内部流动特性,该文基于粒子图像测速技术(particle image velocimetry)对0.8、1.0、1.2倍流量工况下混流泵的内部流场进行试验研究,测量获得了混流泵叶轮进口轴截面、叶轮与导叶间隙和导叶内部流场的速度场分布,分析了流量变化对混流泵内部流动的影响。研究结果表明,外特性试验重复性较好,试验结果较为可靠。3个工况下混流泵叶轮进口流场的速度分布趋势基本一致,进口的来流基本沿着轴线方向;随着流量增加,叶轮进口速度不断增大,最大速度达到7.49 m/s,从轮毂到轮缘高速区域速度梯度更为明显,速度等值线分布逐渐形成以左上角为圆心,不断向周围递减的趋势。受动静干涉作用影响,叶轮与导叶间隙流场速度分布较为紊乱,在导叶进口边轮毂附近形成逆时针方向旋涡,诱使叶轮出口流体向外缘侧偏转;随着流量增加,逆向旋涡明显减小,内部流动更趋于平稳。动静干涉效应进一步影响导叶进口流场并形成明显的旋涡结构,造成流道堵塞;在导叶出口由于环形蜗室的影响形成大尺度旋涡结构;随着流量增大,导叶外缘高速区向下游移动,导叶进出口的旋涡结构逐渐消失,流动损失减小。研究成果为揭示混流泵内部流动特性和优化混流泵设计提供参考。     

流道截面形状对旋涡泵内部流动影响的数值模拟

该文在国内外首次通过对不同流道截面形状的旋涡泵内部流场的数值模拟,分析了旋涡泵的内部流动状况,验证了流道截面形状对旋涡泵内部流动的影响,数值模拟结果与实验结果相符,从而为旋涡泵设计理论的完善和后续研究工作提供了重要的理论依据。     

CFD-DEM方法研究下降管结构对颗粒流动的影响

为了明确不同下降管结构内陶瓷球和生物质颗粒的流动规律,对比研究了方形和圆形下降管对颗粒轴向速度、颗粒碰撞率和生物质停留时间的影响,同时考察了管径对颗粒轴向速度和生物质停留时间的影响。搭建了CFD-DEM耦合框架,并利用粒子图像测速技术对模拟进行了速度验证。试验结果表明,模拟结果与试验结果吻合良好;混合颗粒在圆管中的时均轴向速度高于方管,圆管中陶瓷球的最大轴向速度比方管大10%左右;不同管径大小下降管中的颗粒轴向速度差异主要体现在下降管的转弯处,管径60、70和80mm下降管转弯处的陶瓷球速度依次损失了37%、40%、45%左右,生物质的速度依次损失了49%、52%、54%左右;方管中生物质与壁面的接触碰撞频率更高,圆管中生物质与陶瓷球的接触碰撞频率更高,两种管中分别约为23%和39%的生物质颗粒与陶瓷球接触;陶瓷球的加入后方管和圆管中的生物质停留时间分布离散程度分别增加了10%和17%。研究结果为下降管热解装置中的颗粒流动状态分析及结构设计和优化提供了依据。     

制动工况下液力偶合器涡轮轴向漩涡流场试验分析

轴向漩涡流动是研究液力偶合器能量损耗的重要基础。该文基于粒子图像测速技术采集制动工况下液力偶合器轴向漩涡流场图像,通过图像处理技术识别并提取液力偶合器外壁面上特殊几何结构所呈现的光学特征,完成流动图像动态标定。利用霍夫变化直线检测算法识别泵轮轴向流场流速方向,通过图像互相关算法并采用查询窗口偏移技术提取涡轮轴向漩涡流场结构,应用误矢量识别算法检测错误流速矢量并予以剔除,获得优化的流动图谱。研究结果表明:泵轮轴向流场中液流是一种复合加速运动;涡轮轴向流场中液流是一种多尺度漩涡流动,主流区域上流速值为0.2~0.4 m/s,叶片与壁面组成的角隅区域上形成小尺度涡旋,角隅区域上流速值为0.6~1.1 m/s。上侧叶片与泵轮、涡轮交界面处的角隅区域上存在与主流循环流动方向相同的小尺度涡旋,涡量数值为?8 s?1,此处涡旋将促进液力能量的传递与转换,其他3个角隅区域上的涡旋方向与此相反,涡量数值分别为13、15和20 s?1,由于该局部区域小尺度涡与主循环涡的相互混合作用,引起流动迟缓,造成能量损耗。试验研究结果将为液力偶合器轴向漩涡流动现象提供有价值的参考依据。     

侧流道泵叶轮轴径向间隙内流动特性数值模拟与验证

为了研究侧流道泵叶轮周围间隙质量流量交换规律,该文利用数值计算方法研究了侧流道泵在最高效率工况点下叶轮间隙处的流动规律,具体分析了其脉动扬程、交换质量流量、间隙处压力脉动情况、轴向速度变化等。结果表明,每旋转一个叶轮流道(18°),扬程出现一次完整的波动周期,每个周期内扬程最大值与最小值相差0.07 m左右;间隙外缘监测点的瞬时压力值明显大于其他4个监测点,顶部监测点压力值最大,在整个周期内的平均压力值大约是最小压力监测点的2.8倍;右侧间隙靠近外缘处的流体交换最激烈,该处速度绝对值最大;流体主要是在右侧间隙外缘大约0.8~1倍间隙半径处向侧流道流入,在0.53~0.8倍间隙半径处从侧流道流出至叶轮中;净交换流曲线近似呈三角函数图像变化,交替出现减小增大反复趋势,并且净交换流的波动导致侧流道泵扬程曲线的波动。该研究可为进一步提高侧流道泵的水力性能提供理论依据。     

滴灌用水力旋流器中颗粒分离的数值模拟

针对滴灌用水力旋流器,采用高浓度混合多相流模型并结合雷诺应力模型和颗粒动力学理论对其内部颗粒体积浓度分布和分离效率进行了数值模拟。模拟首先得到了水力旋流器内不同粒径颗粒浓度分布情况和分离效果,对于小粒径颗粒主要集中在内旋流区域,分离效率较差,而大粒径颗粒集中在外旋流区域,分离效率较高;对于颗粒分离效率,混合多相流模型和欧拉多相流模型的计算结果基本一致;最后分析了旋流器进口速度和浓度变化对颗粒分离效率的影响。计算结果表明,混合多相流模型可用于水力旋流器内高浓度多相流的数值模拟,对滴灌用水力旋流器的选择和结构优化设计具有重要的指导意义。     

基于奇点分布法的轴流泵叶片翼型设计与计算

为将奇点分布法这一有优势的流体机械叶片翼型设计方法应用于轴流泵叶轮叶片设计,以平面势流理论及数值计算为基础,推导了基于适合轴流泵叶片翼型边界条件的漩涡密度函数的系统应用性计算公式,所获结果将准确确定各翼型骨线关键节点位置,它们形成的翼型骨线在满足给定设计点泵的性能参数的同时,还能形成要求的流动奇点与驻点,由此产生流动损失最小的叶片翼型。以该方法改型设计的一台轴流泵的型式试验表明,设计泵在设计点的效率由原来的78%提升到85%,特性曲线符合要求。该研究深化了轴流泵叶轮叶栅流动理论,将奇点分布理论转化为轴流泵叶轮翼型的实用设计方法,为设计技术人员提供了开发新产品的工具。     

旋风集尘器外旋流区与内旋流区的流场分布

研究了内旋流加速旋风集尘器外旋流区和内旋流区的流场分布,测量出各旋流区的速度,推导出流场分布的空间向量。实验表明,流场切向速度的分布形式为沿半径方向递减的准自由涡,准自由涡指数为０．５,外旋流区的最小切向速度１５ｍ／ｓ,内旋流区的最小切向速度３２ｍ／ｓ,外旋流区和内旋流区上端轴向速度的分布形式为指数分布,最大轴向速度分别为４．９２ｍ／ｓ和５．５７ｍ／ｓ;内旋流区下端的轴向速度在与中心旋流的交汇处为０,并沿径向以指数递增;各旋流区的径向速度较小,方向向心。     

轴流泵内部流场的二维粒子成像测速试验

为研究0.8Qopt工况下,叶轮及导叶进出口的流场分布情况,选择比转速ns=700的轴流泵进行模型缩放,并对其进行结构改造,以得到能够适合于2D-PIV 内部流场测试的试验台。结构改造包括：采用透明的有机玻璃材料代替传统金属材料,达到内部可视化的目的;将传统的锥形扩散式导叶体设计成圆柱状,以减小光学折射的复杂程度;合并转轮室及导叶外筒壁,使之成为一个整体,以消除叶轮区域与导叶区域之间法兰对内部流场的遮挡;将导叶内轴承后移,并加装筋板,使得载荷能够顺利传递到基础中。综合以上手段,成功改造了试验泵段。在PIV试验过程中,利用轴编码器及同步装置,取得了很好的同步效果。同时,以有机玻璃空心球作为示踪粒子,配合新的标定方式,取得了理想的试验效果。从试验结果分析可知：在0.8Qopt流量下,叶轮进口边外缘处受叶顶泄漏影响,使得该处来流向轮毂侧偏转,但叶轮进口前端截面上的流场整体分布较为均匀;叶轮轮毂与导叶轮毂之间存在的顺时针方向漩涡,对叶轮出口边根部附近的流场造成较大的影响,且叶轮出口边与导叶进口边轴向间隙内的流场具有整体向外缘偏转的趋势;导叶出口以后的流线方向则向轮毂侧偏转,且在出口边外缘处出现局部高速区域。     

隔舌安放角对旋流泵内非稳态流动特性的影响

为明确舌安放角对旋流泵性能及非定常流动特性的影响,该研究设计了不同隔舌安放角的蜗壳模型,基于Navier-Stokes方程和RNG k-?湍流模型对旋流泵进行了全流场数值模拟,并通过能量性能和压力脉动试验对数值模拟方法进行了验证。能量性能预测结果表明,存在最优隔舌安放角使泵扬程和效率均达到极大值。流场分析结果表明,隔舌安放角对蜗壳隔舌及扩散段的流态具有较大的影响：较小的隔舌安放角会减小蜗壳喉部的过流面积,使无叶腔内流体的旋转运动受阻,致使循环流与隔舌的动静干涉作用增强;过大的隔舌安放角会造成扩散段产生大尺度的漩涡和回流。压力脉动分析表明,隔舌处压力脉动分布特征受安放角和测点位置共同影响：随隔舌安放角的增大,隔舌处的压力脉动先降低后增大,安放角由30°增大至45°时,2倍轴频（fn）的脉动最大降幅约47%,安放角继续增大至50°时,（0.25～0.5）fn的低频脉动最大增幅约86%;随着测点与叶轮轴向距离增大,隔舌处的压力脉动逐渐减小,叶轮一侧的脉动幅值约为泵体进口一侧的2倍。涡量场分析表明：蜗壳隔舌处频率为2fn的压力脉动由入口螺旋状入流发展扩散产生;隔舌处涡核分布的不对称性是导致蜗壳隔舌处压力分布不对称的原因。适当增大隔舌安放角能有效改善旋流泵隔舌处内流的稳定性,并一定程度提升旋流泵扬程和效率。综合各项性能表明该模型泵隔舌安放角45°时性能最优。研究结果可为旋流泵优化设计提供理论参考。