基于涡分析的旋涡泵内流动能量转换特性研究

为研究旋涡泵内复杂的旋涡特征,量化泵内旋涡体积和强度,分析旋涡结构对能量转换和能量损失的影响规律,采用非定常数值模拟和外特性实验相结合的方法对单级旋涡泵进行分析,综合使用Ω方法和Liutex方法对泵内旋涡进行识别和强度表征,提出平均旋涡强度进行量化研究,并结合动能方程的涡动力学分解式以及涡量分解理论进行分析。结果表明:泵内的旋涡充分发展区域存在螺旋形的管状旋涡结构,该旋涡从叶轮流道流出进入侧流道,并且随着流量的增大,涡管数量减少且旋涡强度降低;流量的增大使得叶轮内的旋涡体积和强度减小,而其在侧流道内相对变化较小,相同工况时叶轮内的平均旋涡强度远大于侧流道内;压力梯度对流体动能转换的贡献最大,旋涡结构引起的动量输运和耗散损失占比较小,但刚性涡量即旋涡结构的强度与动量输运呈正相关,变形涡量则与拟涡能损失相关性较强。

基于CFD的传感器体积对旋进旋涡流量计的影响

针对旋进旋涡流量计的精确测量,使用CFD数值模拟软件,以DN20口径的旋进旋涡流量计作为研究对象,得到了类似于钝体涡街旋涡脱落的现象,并对仿真的可行性进行了深入分析,验证了仿真工作的可靠性.分析比较低流量下不同取压点的压差,得到内流场压差变化规律,确定了DN20流体域的最佳取压点.将压电传感器置于最佳取压点后,使用音速喷嘴装置进行试验.将试验数据与仿真数据进行对比,发现两者之间存在一定的误差.分析其中原因,以小口径壳体内压电传感器自身体积较大为切入点,去除流体域内压电传感器体积,将去除压电传感器体积前后的流体域进行仿真,对结果比较分析,发现去除压电传感器体积后的流体域仿真得到的K值系数与试验值误差较小,说明压电传感器体积对内流场有一定影响,并且压电传感器的探针放置于流量计中会一定程度地增加旋进旋涡流量计的压力损失.

基于能量交换的在轨加注旋涡泵水力特性研究

传统的在轨加注容积泵因体积大、可靠性差等难以满足在轨加注对轻量化、强可靠性加注泵的迫切需求。为此,提出具有小流量、高扬程特点的旋涡泵结构,探究其处于在轨加注环境下性能的变化规律,并结合内部流场进一步揭示其能量交换机制。结果表明,纵向旋涡引导旋涡泵内流体的循环流动来完成能量交换过程,且在不同因素作用下使旋涡泵性能呈现不同的变化趋势。随着转速的增大、输送介质密度的减小、动力黏度的增大以及含气量的减小,旋涡泵的压力增长速度加快,泵壳流道和叶轮流域间交换流动更加剧烈,纵向旋涡的强度增大,泵的做功能力增强,旋涡泵的扬程增大。但同时由于耗散损失的存在,水力效率的变化趋势则与之相反。

旋涡空化水动力学特性研究进展与展望

涡空化作为一种在推进器叶顶涡心处产生的空化现象,在推进器原型上往往最早出现,其一旦发生将会严重影响舰艇的声隐身性能(噪声增加10 dB以上),在很大程度上限制了舰艇临界航速的进一步提升,因而长期以来一直是空化水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先简要介绍了旋涡空化流动相较于其他形式空化流动的特点,并以梢涡空化为主要对象,系统阐述了旋涡空化初生、发展的演变行为与流动机理研究,从空化三要素的角度深入讨论了其影响因素与作用机制.在此基础上,本文分别对旋涡空化流动中尺度效应、流动控制等关键问题的相关研究进展进行了回顾,较为系统地梳理了旋涡空化尺度效应的内在原因以及旋涡空化流动控制方法与控制思路.最后,本文针对目前旋涡空化研究领域关注的重点与难点问题,对旋涡空化流动研究中采用的实验测量及数值模拟技术进行了总结与展望.

基于旋涡漂移假设的流线型闭口箱梁竖向涡振机理研究

旋涡脱落和漂移是桥梁涡振发生的关键流场特征,有必要从涡动力学的角度揭示涡振机理。以典型流线型闭口箱梁为例,从气动力做功能量角度,构建简化涡模型,并结合基于风洞试验的断面表面气动力时频特征和基于数值模拟方法的断面周围流场特性,揭示流线型闭口箱梁多阶涡振机理,验证上述模型。研究表明:分离涡斯托罗哈数表征旋涡气动力做功能量特征,其可表达为旋涡漂移速度与来流风速比值的正整数倍,即同一分离点可对应多个涡振锁定区。流线型箱梁断面存在3阶竖向涡振锁定区,其中,第2阶和第3阶涡振锁定区均由来流经过断面前缘附属设施时产生的大尺度旋涡,在分离点至断面尾缘之间发生周期性漂移诱导与维系。在第2和第3阶涡振锁定区内分离涡分别耗费约2个和1个振动周期完成从分离点至截面尾缘的漂移,即二者分别由该分离点诱发的2阶和1阶简化涡模式主导。该研究验证了简化涡方法推演桥梁断面周围旋涡演变特性的合理性。

150 t单水口钢包出钢过程汇流旋涡影响因素研究

钢包浇注末期,钢液在科氏力和自身初始状态的作用下会产生汇流旋涡,其成为控制钢包下渣和提高钢水收得率的瓶颈问题。以某钢厂150 t单水口钢包为原型,基于相似原理,制作了相似比为1∶3.5的钢包物理模型,首先探究了水口偏心率对浇注末期汇流旋涡的影响程度与机制,获得了适宜的水口位置后研究了钢包静置时间、阻旋装置、底搅拌工艺等控流措施对偏心率为0.83的钢包汇流旋涡的作用效果。结果表明,让钢包内形成非对称流场可以抑制旋涡的发展。当钢包静置时间小于45 min时,旋涡产生和贯通高度随静置时间的延长变化不明显;但当静置时间超过45 min时,旋涡起旋高度明显增加、贯通高度明显降低。另外,在此偏心率下,设置阻旋装置和增添底吹搅拌操作均不能抑制旋涡,但在旋涡起旋时短暂关闭水口会延缓旋涡的进一步发展。

旋进旋涡与V锥组合计量气液两相流实验研究

目的解决低渗透气田在井间串联、井口混输计量模式下,单井产气、产液量无法准确计量的技术难题。方法基于旋进旋涡流量计和V锥流量计的单相计量原理,通过开展空气-水两相流的室内实验,分析了不同运行压力、气液比以及表观气速下单相流量计的混相计量误差变化规律。借助量纲分析法,分别建立了进动频率和压降与相关无量纲准数的关联公式,并采用室内实验数据分别进行了混相条件下的参数修正,利用两种流量计串联组合的方式,提出了一种适用于低含液率的湿气双参数组合计量模型,并采用延安气田现场的实流数据对模型计算精度进行了验证。结果室内实验时,当湿气体积含液率小于1%时,旋进旋涡进动频率随体积含液率的升高而降低,出现“欠读”现象,而V锥流量计的计量压降随体积含液率的升高而增大,产生“过读”现象。当体积含液率大于1%时,由于气相含液量偏大,造成旋涡进动信号下降规律不明显,从而导致组合计量模型的结果可能出现失真,现场实流测试结果显示,组合计量模型的气相体积流量的平均相对误差为2.029%,液相体积流量的平均相对误差为15.066%,体积含液率的平均绝对误差为0.059%。结论旋进旋涡与V锥流量计的组合计量模型在气相含液量较低时,气相和液相的计量精度可满足现场生产需要,且加工设计成本较低,可以为延安气田排水采气井的气液混相计量提供技术支持。

基于旋涡传感的镁合金压铸件表面微观缺陷检测

针对镁合金铸件表面微观形态变化较小,砂眼和毛刺等缺陷视觉特征表现不明显,导致人工检测难度较高的问题,提出基于旋涡传感的镁合金压铸件表面微观缺陷检测方法。将长时间磨损和外力加持两种情况下引起镁金属能量强度变化作为下一步检测的参照,利用旋涡传感技术在被测铸件周围设置带有交流电的线圈磁场,根据铸件表面金属参数调节旋涡传感密度,识别到铸件表面出现与线圈磁场相反方向磁场力时,即完成精准检测。结果表明,所提方法不同提离距离下,砂眼铸件缺陷最大镁金属能量强度为363 MJ和360 MJ,毛刺铸件缺陷最大镁金属能量强度为270 MJ和300 MJ。验证了所提方法可以准确检测镁合金压铸件表面裂纹和凹陷缺陷。

叶轮叶片高度对旋涡泵水力性能的影响

为深入研究旋涡泵内部流体的流动机理,掌握叶轮叶片高度变化对旋涡泵性能的影响规律,通过实验测得一款闭式叶轮开式流道旋涡泵在不同叶轮叶片高度下的流量-扬程特性曲线,采用k-ε湍流模型和非结构网格对该旋涡泵进行数值模拟,通过ANSYS CFX后处理对其内部流场进行分析,研究了旋涡泵叶轮叶片高度变化对旋涡泵外特性的影响规律。结果表明:旋涡泵的模拟结果与实验数据趋势基本吻合,数值模拟方法的可靠性较高。在相同流量工况下,随着叶轮叶片高度的减小,旋涡泵内部的纵向旋涡强度逐渐减小,叶轮流道内的涡核心减少,导致旋涡泵的扬程与效率逐渐降低。研究结果可为后续旋涡泵的优化设计提供参考。

介质黏度对旋涡泵内流场及外特性的影响机理分析

为分析介质黏度对旋涡泵不同工况下的内流场及外特性的影响,由数值模拟方法分别对不同介质黏度和不同流量工况下的旋涡泵内流场结构及其外特性进行对比分析。分析结果表明:叶轮及侧流道内流动沿叶轮旋转方向从泵的进口至出口逐渐趋于稳定,各纵向截面上存在明显的纵向旋涡和径向旋涡,随着流量的增大,叶轮及侧流道内的纵向旋涡及径向旋涡强度逐渐减弱,叶轮做功能力逐渐降低,泵的扬程逐渐下降,叶轮内湍动能耗散及叶轮内的涡量分布均随着流量的增大而减小。随着介质黏度的增大,各纵向截面上的纵向旋涡和径向旋涡强度均逐渐减弱,旋涡泵内湍动能耗散随粘性的变化更为显著,其随着介质黏度的增加而显著增大。在各流量工况下,旋涡泵的扬程及效率均随着介质黏度的增加呈下降趋势;在小流量时,扬程及效率随黏度的增大而下降的趋势较为平缓,但在大流量工况时,扬程及效率随着黏度的增大而急剧下降。

旋进旋涡湿气计量工艺现场适应性研究

为明确旋进旋涡湿气计量工艺在川西气田的适应性,以川西气田常规致密气井和含凝析油气井的生产特征为基础,通过分析不同工况下旋进旋涡流量计的误差范围,明确旋进旋涡湿气计量工艺在川西气田的应用界限为水气比<3 m3/104 m3.该工艺在川西气田常规致密气井和含凝析油气井的现场应用适应性较强,能满足现场湿气计量要求.初步形成了替代轮换计量和单井分离计量的湿气计量工艺推广方案,可省去分离器、轮换阀组等设备,大大简化站场流程,有利于站场建设降本增效,可在其他区块开展试验并推广应用.

旋涡泵定常流动特征及外特性分析

旋涡泵具有高扬程、扬程曲线陡降等典型的外特性以及易于加工的结构特征,因而被广泛用于化工、医药等行业。为了探究旋涡泵内部复杂流动特性以及对其外特性分析,采用标准k-ε两方程模型对旋涡泵全流道全流量工况进行了数值模拟分析。结果表明:该旋涡泵最高效率约为35%,且外特性曲线中扬程具有陡降特征;内流场分析发现,压力分布均匀并呈现一定的压力梯度,叶轮流道内有明显的环流运动,存在明显的纵向、径向旋涡;大流量工况下,当环流区域长度约为叶轮周向2/3长度时,为旋涡泵工作的最优工况。

强旋涡作用对环形旋涡流化床稀相区稻壳流动特性的影响

为了解强旋涡作用对环形旋涡流化床稀相区细小稻壳流动特性的影响,进行了二次风率、二次风分配以及旋流数对气体速度分布和颗粒相流场的分析。试验结果显示:环形旋涡流化床稀相区回流区域面积大小可以反映该区域回流强度,且回流强度随旋流数S的增大而增强,S<1时,其对切向速度的影响较小,而S在1.6~2.5之间则影响显著;采用二次风不均等分布的方式较二次风均匀分布对加强床内旋流更有利;颗粒在各层二次风喷嘴之间形成悬浮层;颗粒质量流率在不同h/R高度上沿径向随着r/R增大先减小后增大且在靠近外筒壁面达到最大值,在不同r/R处则随着高度h/R的增大而减小。在流化床锅炉燃烧细小颗粒时,可通过气固流动特性进行燃烧优化及污染物控制。

旋进旋涡流量计取压方式对测量结果的影响

本文采用负压法音速喷嘴气体流量标准装置,分析研究了旋进旋涡流量计不同取压方式对测量结果的影响。研究结果表明,表体取压压损最小且表体取压方式的线性度优于表前取压和表后取压。

基于CFX的旋进旋涡流量计取压位置的数值模拟

针对旋进旋涡流量计的精确测量,使用CFX数值模拟软件对旋进旋涡流量计内部流场进行数值模拟,确定了旋进旋涡流量计的最佳取压点.分析了旋进旋涡流量计的工作原理;建立了旋进旋涡流量计的三维数字化模型,使用基于有限元的有限体积法对旋进旋涡流量计内部流场的流动特性进行数值模拟研究,得到了明显的类似于钝体涡街旋涡脱落现象,并根据稳定状态下取压点压力变化曲线使用傅里叶变换得到傅里叶级数以确定流量计的脉动频率;使用音速喷嘴装置进行试验并将试验结果与数值模拟数据进行对比分析,验证了使用CFX对旋进旋涡流量计进行数值模拟的可靠性;分析不同流量下不同取压点的压差,得到了旋进旋涡流量计内流场压力变化的一般性规律,确定了旋进旋涡流量计在喉部与扩张段连接处的压差为最大,此处可以作为压电传感器的最佳取压位置.

“旋涡与分离流控制”专刊简介

随着航空航天技术的飞速发展,人们对战斗机、运输机、直升机等飞行器的综合性能也提出了更高要求,尤其在山地、高原等复杂地形,暴雨、风沙、低温等极端天气下实现稳定飞行的迫切需求给飞行器设计带来了巨大挑战。旋涡与分离流控制技术作为流体力学研究的热点与前沿。

平板液相横流中气体射流的多尺度旋涡结构分析

为了研究平板液相横流中气体射流形态非稳态演化及流场中旋涡结构的多尺度演化过程,基于两步投影法和VOF界面捕捉方法,结合高分辨率网格策略,建立了平板液相横流中气体射流的高精度数值模拟方法.研究结果表明:平板液相横流中气体射流的演化过程可以分为射流气泡初步形成、射流气液界面失稳和射流气泡充分发展3个典型阶段.在Kelvin-Helmholtz不稳定性的诱导下,气液界面发生形变并逐渐失稳产生破碎,导致射流形态由大尺度连续气泡逐渐转变为小尺度离散气泡.平板液相横流中气体射流的涡系结构主要包括射流内部和气液界面的反旋转涡对、近壁面和射流界面的剪切层涡以及通气孔前缘的马蹄涡.各种旋涡结构在流场不同发展阶段扮演不同的作用,并相互作用导致了射流气泡演变过程的复杂多尺度流动.

旋涡泵进口含气量和叶片数对泵内流场和性能的影响分析

为分析旋涡泵气液混输时进口含气量和叶片数对泵内流场和外特性的影响机理,通过数值计算,对不同进口含气量(5%、10%、15%)和不同叶片数(20、22、24、28)时旋涡泵内流场和外特性进行对比分析.结果表明:旋涡泵的扬程和效率随着进口含气量的增大而减小,扬程从48.98 m减小到36.19 m,效率从34.8%减小到32.4%;在各纵向截面上侧流道内压力大于叶轮流道内压力,从叶轮进口到出口沿圆周方向,各纵向截面内叶轮与壳体的最大压差逐渐增大;纵向截面上气液分离现象越来越严重,叶轮内气体体积分数逐渐增大,而侧流道内气体体积分数逐渐减小,叶轮轮毂处气相聚集越来越严重;随着叶片数的增加,旋涡泵的扬程和效率均呈先增后减的趋势;随着进口含气量的增大,旋涡泵的性能随叶片数变化的敏感度先增后减.

自由汇流旋涡多相耦合输运演变机理

含自由液面的汇流旋涡抽吸演变中存在多相耦合、物质传输、能量剧烈交换等物理过程,其中所涉及的多相流体耦合输运机理是具有高度非线性特征的复杂动力学问题,多相黏滞耦合输运动力学建模与数值求解具有较高难度.针对上述问题,提出一种含自由液面的汇流旋涡多相耦合输运建模与求解方法.基于水平集-流体体积耦合(CLSVOF)计算方法,结合连续表面张力模型和可实现(k-ε)湍流模型,建立含自由液面的汇流旋涡多相耦合输运动力学模型;利用一种有效的体积修正方案来计算高速旋转多相流,保证流场质量守恒和无散度的速度场;结合相间耦合求解策略对多相流体分布与多相界面进行精确追踪.基于旋流场多特征物理变量,得到多相耦合界面动态演变与跨尺度涡团输运规律,揭示了多相耦合输运过程与压力脉动特性之间的相互作用机理.研究结果表明:多相耦合输运过程是流体介质过渡的关键状态,旋涡微团受到不同时空扰动模式在界面处形成层层螺纹波形;旋涡多相耦合输运过程随着水口尺度增大而增强,且耦合能量激波引起非线性压力脉动现象.研究结果可为旋涡输运机理、涡团跨尺度求解、流型追踪等方面的研究提供有益借鉴.

旋涡气流场的形成与分析

旋涡气流光整加工是以旋涡气流为载体 ,带动磨粒紧贴工件内孔表面作高速、强劲的“龙卷风”式的螺旋运动 ,实现内孔表面的光整加工。这种新工艺的关键技术是如何形成旋涡气流及研究气流速度和压力对加工效果的影响关系。为此 ,应用流体力学理论分析形成旋涡气流场的条件 ,研制了模拟实验用的旋涡头 ,研究气流速度和压力沿径向的分布规律 ,建立了相关的数学模型 ,为进一步研究和应用提供了理论依据。