球阀阀口气穴流场的模拟与可视化研究

将RNGκ-ε湍流模型与多相流技术相结合，应用于球阀阀口的气穴流场的数值模拟。计算了二维轴对称气穴流场的速度、压力及气体体积比分布。运用卤素灯与高速摄像机组成的流场可视化试验系统观察了球阀阀口附近的气穴现象，获得了气穴流场的分布信息，与仿真结果比较，吻合良好，表明RNGκ-ε湍流模型能有效地描述球阀等液压元件的阀口气穴流动。同时对球阀有无气穴现象分别进行了噪声测试和频谱分析，试验结果表明，气穴现象使球阀噪声级增加。     

温度效应对液压锥型节流阀内气穴形态的影响

液压锥型节流阀具有节流温升大的特点,在阀口部位极易产生气穴,而温度效应对气穴发展变化的影响不容忽略。为此,本文对锥型节流阀内气穴形态受温度效应的影响进行了实验研究。搭建了锥型节流阀气穴实验系统,设置了不同的温度条件和压力条件,采用有机玻璃制造实验锥型节流阀,利用高速摄像机采集气穴形态图像数据。实验表明,锥型节流阀产生的初生气穴气泡半径约为30μm;温度升高会使气穴发展更加充分,同时会降低液压油对微小气核的束缚,产生的气泡数量更多,气穴更加明显;在低强度时,锥型节流阀内气穴为片状气穴,随着气穴强度的增加,气穴会发展为云状气穴。     

离心泵内部流场试验研究与数值计

采用先进的流场测试仪器PIV在不干扰流场的情况下,对叶轮内部流场进行高精度测量,并利用流场计算软件Fluent对离心泵在不同工况下的流场进行模拟,获得了流道中相对速度以分布。结合数值计算与实验研究,对离心泵叶轮内部流场进行了初步分析。实验结果表明,计算所采用的 模型的修正方法基本符合此型泵内部流动的实际情况。     

梭式止回阀开启过程的数值模拟

为了研究梭式止回阀在高压差条件下启闭时阀瓣的运动特性以及阀内可能出现的气穴现象,采用计算流体力学(CFD)方法,建立梭式止回阀阀瓣运动方程和流场气穴模型,并通过动网格技术和用户自定义程序,对梭式止回阀开启过程中阀内速度场、压力场、气穴分布和阀瓣运动特性进行了数值仿真,仿真结果以可视的图形图像形式给出.数值模拟研究表明：梭式止回阀在开启过程中,流体主要沿阀壁流动,阀体中间部位则出现回流;在阀内有涡流存在,在涡流的涡心位置流体流速小、压力低,易产生气穴;气穴的产生和发展与进出口压力大小和阀瓣开度等密切相关,气穴易引起阀内流场的不稳定.阀瓣在压差作用下的运动特性为阀瓣首先开启到一极大开度,并逐渐以波动的形式回归到一稳定的开度,阀瓣在运动到稳定开度附近时速度最大.模拟研究结果可以为梭式止回阀结构参数的设计和优化等提供参考.     

自吸泵内部流场的数值模拟及性能预测

基于雷诺时均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,应用三维无结构四面体网格及SIMPLEC算法建立自吸泵内部流场的数值模型,利用计算流体力学软件Fluent对设计工况及多个非设计工况下自吸喷灌泵叶轮和蜗壳的三维不可压缩湍流流场进行了数值模拟,得到其内部流场的速度分布和压力分布情况,揭示了泵自吸过程中流体的运动规律,最后预估该泵的扬程及效率并与试验值进行对比分析.结果表明,在相同半径处,叶片工作面压力比背面压力大;在回流孔处存在较大的压力梯度和速度梯度,并且由于分离室边壁的影响形成了大小不同的旋涡;数值模拟性能曲线与试验曲线基本一致.     

转速对离心泵内部流动的影响

采用FLUENT,在双参考坐标系下,利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行数值离散,选用标准k-ε湍流模型,SIMPLEC方法求解,对6台不同转速下离心泵的内部流场进行了叶轮和蜗壳的耦合数值模拟并进行了能量性能预测.同时,分析了转速对离心泵内部流场的影响,指出不同转速下泵内部流场是比较相似的;性能预测发现比例定律的扬程计算结果具有比较高的精度,轴功率的计算精度则相对较低.     

离心泵全流场与非全流场数值计算

为研究不同计算域对离心泵数值计算结果的影响,采用虚拟分块网格划分技术和标准k-ε湍流模型,对5台不同比转数离心泵设计工况下的内部流动进行了三维定常全流场与非全流场数值模拟.基于全流场和非全流场数值计算结果分别进行了性能预测和内流场特征分析,并将性能预测结果与试验结果进行了对比分析.结果表明：不同计算域对数值计算结果影响显著;全流场数值模拟性能预测精度高于非全流场数值模拟,扬程预测精度平均高1.54%,效率预测精度平均高1.67%;流场分析发现两种计算方法得到叶轮内的静压分布基本一致,而蜗壳内静压分布存在着明显差异;全流场数值计算得到的叶轮与蜗壳的间隙速度分布呈现层状分布,而非全流场数值计算得到的结果呈三角形分布;由于全流场计算区域考虑叶轮进口口环、前后盖板间隙流的影响,其数值计算得到的蜗壳断面内二次流分布并不完全对称.     

流线型两叶片XCK搅拌器内部流动

采用三维建模软件Pro／E建立三维实体模型,利用FLUENT6．0大型计算流体力学软件,采用非结构化四面体网格,利用动坐标系技术,采用κ-ε湍流模型和SIMPLE算法,对新型流线型两叶片XCK搅拌器进行了流场模拟,分析了全罐的速度矢量图,并对该新型搅拌叶片处于不同安装高度的搅拌流场进行了对比,发现轴流式叶轮比径流式叶轮的搅拌效果要好．计算结果表明,该新型搅拌器流场为轴对称,属于轴流式搅拌器;该新型搅拌叶片安装在搅拌罐中部时,轴向流最突出,搅拌循环最明显．     

基于数值模拟的V形管压电泵优化设计

分析了V形管内的流动损失,并初步优化V形管无阀压电泵结构,利用CFD软件对改进前后的V形管内流场进行了数值模拟,结果表明：直角汇流管口改为圆角后的V形管流阻系数有了明显提高.通过对比改进前后两种V形管流场速度矢量图,发现圆角V形管可抑制正向流动时管内回流和漩涡的发生,减小流动损失.对不同圆角半径的V形管内流场进行数值模拟,得到不同圆角半径V形流管的流阻系数,表明较大的圆角半径可有效地提高V形管流阻系数,即提高了V形管无阀压电泵的效率.此优化设计可为V形管压电泵的进一步改进提供思路.     

小锥度环形密封转子动特性

为求解小锥度下液体环形密封动特性系数和转子所受激振力的大小,建立了小锥度环形密封全三维模型,利用CFDFluent软件及其气穴模型计算得到了转子表面压力分布和气穴存在的位置.研究了进出口压差、ω/Ω和不同转速下小锥度环形密封转子表面压力变化规律,并得到了不同转速下气相分布情况.最后依据转子动力学模型和激振力方程,分析了压差分别为1.38,2.41,3.45MPa和转速分别为1.02×104,1.74×104,2.46×104r/min情况下密封动特性系数和涡动比.将计算值同Childs的理论值和Lindsey的试验值进行了对比.结果表明:增加进出口压差、增大ω/Ω和提高转速均能增大小锥度环形间隙压力,有效减小气穴范围,提高环形间隙密封性.模拟结果同试验值和理论值基本吻合,并且整体上更接近于试验值,这为具有小角度液体环形密封的工程研究提供了理论依据.     

热力学效应对水翼云空化非定常特性的影响

为了探究热力学效应对绕翼型云状空化非定常特性的影响,应用数值模拟的方法,分别从翼型周围温度场、空泡半径、当地空化数的角度分析了不同水温下热力学效应对空化发展的影响.依据模型试验使用的物理模型建模,采用考虑热力学效应的空化模型和基于密度修正的湍流模型(DCM)对攻角α₀=8°的水翼进行非定常云状空泡的数值求解,计算得到的空泡形态与试验结果吻合度较高.空化发生时,蒸发吸热使空泡内部温度降低,水体饱和蒸汽压力下降,空化的发展被抑制,最终附着空泡区域变小、变薄.同时,随着水温的升高,空泡半径减小,空泡扩散加剧,空化区域更加模糊.由于流场温度变化会导致流体物理性质的改变,因此采用考虑温度变化的当地空化数σ(T)可以更直观地反映流场温度变化对空化发展阶段的影响.     

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.     

Numerical simulation of cavitation around a Clark-Y hydrofoil with different LES models in OpenFOAM

A finite volume, multiphase solver in the framework of OpenFOAM is used to calculate the flow field of the cavitating flow over the Clark-Y hydrofoil. This solver uses Transport Based Equation Model (TEM) to solve the liquid volume fraction, and utilizes volume of fluid (VOF) technique to predict the interface between liquid and vapor phases. The simulation is designed to study the cavitation shedding and different fluid characteristics in the cloud cavitation regime when adopting two different Large Eddy Simulation (LES) models, namely, one equation eddy viscosity (oneEqEddy) model and Smagorinsky model. It is shown that these two models can be used to study the cavitation shedding dynamics and predict the velocity profiles.     

诱导轮内部液氢空化流动特性

为了研究以液氢作为流动介质的诱导轮的空化特性,采用数值模拟方法分别计算了诱导轮内部液氢和水的空化流动.计算中采用一种基于Kubota模型自开发的且考虑热力学效应影响的空化模型,湍流模型采用SST k-ω双方程模型,计算模型和方法通过试验进行了验证.通过对比计算,获得了2种介质在不同空化条件下诱导轮内部的空化流场,分析了2种介质下诱导轮的能量性能和空化性能.结果表明:修正的Kubota空化模型能够很好地模拟考虑空化热力学效应的诱导轮内部液氢的空化特性;相比水体而言,液氢为流动介质时诱导轮扬程有所提高,临界空化数变小,空化区域减小,这是由于介质特性特别是热力学效应的影响;以液氢为介质时,诱导轮的空化性能相对于水介质将有明显的改善,初生空化数将减小.     

基于数据约束的植物叶柄三维形态交互建模方法

提出了一种基于真实数据并保持原始参数不变的植物叶柄器官建模方法。首先通过叶柄长度、叶柄半径参数建立柄的三维模型,并加入表面绒毛的模拟以增强真实感;为了丰富模型的形态,提出了基于交互的形态调整方法,该方法以关节链及逆向运动学为基础,辅以误差补偿算法,使交互调整过程中模型的原始参数(长度、半径)保持不变。试验结果表明,该方法可以快速、灵活地构建出叶柄器官的三维形态,具有较好的真实感效果,且变形过程中参数的变化很小。     

蜗壳式混流泵空化特性分析

基于Rayleigh－Plesset空化模型和剪切应力输运湍流模型(SST),应用计算流体动力学(CFD)技术,对比转速ns=449的蜗壳式混流泵设计工况下的流场进行数值模拟．根据模拟结果获取了该泵的空化特性曲线,捕捉到混流泵内空化的发生和发展过程,对开始发生空化、临界空化和空化严重3种工况下叶轮内的空化现象进行分析．分析结果表明:该泵空化性能满足设计要求; 混流泵叶轮内的空化现象最初发生在叶轮流道内,随着净正吸头的降低,叶片背面靠近轮缘处开始出现空泡,该空化区域从轮缘向轮毂方向延伸．在空化严重时会造成叶轮流道的严重堵塞,导致混流泵扬程的下降.     

喷嘴内空穴现象对柴油机喷雾特性的影响

基于Nurick的一维模型对柴油机喷嘴内空穴现象的产生进行了描述并运用不可压缩流体的伯努利方程对喷嘴内流体进行了理论分析.研究表明,空穴数是影响空穴最为重要的参数,雷诺数与空穴无关,任何影响空穴数的因素也就意味着影响空穴.空穴现象对喷孔内部液流特性有着很大的影响,随着空穴形态的演变,喷嘴的流量系数以及喷孔出口速度都呈现出不同的变化趋势.空穴现象增大了流体喷束的喷雾锥角,是影响液体喷束雾化的重要因素.     

端面规则凹坑造型机械密封综合性能的数值分析

考虑密封端面间液膜的空化现象和流体动、静压效应的相互影响,建立了端面规则凹坑造型机械密封的理论分析模型,利用多重网格法分析了在不同的密封系数下,球缺面凹坑的几何结构参数对端面间液膜开启力、摩擦转矩和液膜刚度的影响.结果表明,密封系数和微凹坑的深径比对密封性能的影响较大,密封系数越大,液膜开启力和刚度越大,存在最优的深径比使液膜开启力和刚度达到最大,且最优的深径比随着密封系数的增大而减小;面积密度对密封性能的影响不明显,存在最优的面积密度使液膜开启力和刚度达到最大,且最优的面积密度不受密封系数的影响.     

三维ALE15翼型空化流动数值模拟

在均相流假设下,考虑流体压力和速度湍流脉动、不可凝结性气体的影响,采用完全空化模型计算空化流场的相变,引入密度函数对RNG k-ε湍流模型的湍流粘性系数进行修正,提出了一种空化流动的数值模型和计算方法。根据试验条件给定的参数,采用提出的数值模型和计算方法,数值模拟了空化数为2.3时ALE15翼型定常空化流动。计算得到的不同剖面速度分布与试验数据吻合较好,验证了该数值模型和计算方法的一致性。不同剖面上,远离翼型表面的速度与主流区速度接近,沿着流动方向,远离翼型表面的速度逐渐减小,这与空泡形成的阻碍有关。空泡尾部出现较大的漩涡区,靠近翼型表面的速度为负值,这与反向射流的作用有关。     

超超临界电站锅炉储水罐用调节阀及管配系统流场特性分析

针对超超临界电站锅炉储水罐用调节阀国产化研制中流场结构设计面临的问题,结合前期配置于某电站储水罐用调节阀及管配系统底板汽蚀击穿故障现象,基于两相空化流动控制方程和Fluent流场数值模拟手段,采用RNG k-ε湍流模型及耦合算法,对该调节阀流场结构及管配系统流场特性进行数值模拟分析计算,并进行流场结构及特性验证,结构改进优化设计.重点分析了压锥式调节阀及管配系统流场特性,结果表明:压锥式调节阀在设计工况下,由于阀门开度较小,高温介质在喉口处发生严重的汽化现象,气化率达90%以上,介质速度较高达到143 m/s,以至于管配系统底板被冲击至击穿.针对失效原因,提出了一种新型笼罩式调节阀,优化结构流场模拟结果表明,在阀门喉口含汽量减少了21.6%,盲板附近的速度降低了80%,表明汽化现象得到了抑制,管配系统能够安全运行.模拟结果较好展示了阀门流场的分布规律,为该类调节阀结构设计与优化提供可借鉴的理论依据,对电站锅炉调节阀国产化推进具有一定促进作用.