喷油器控制阀微流道可视化试验与仿真研究

为了优化控制阀油路内空化导致燃油流动状态改变对喷油特性的偏差和局部结构的穴蚀破坏,对控制阀流道进行试验与数值模拟。试验通过提取喷油器控制阀流道的等效二维截面,在不同压差下开展了两个结构控制阀二维流道的流动可视化研究。结果表明,随着压差的增大,流道内流量变化趋势从线性的无空化段,逐步发展为流量稳定的强烈空化段。对于带有流道节流结构且球阀阀体圆柱边缘采用直角结构的A流道,空化初生压差范围为6.22~9.00MPa。对于无流道节流结构且球阀阀体圆柱边缘采用圆角结构的B流道,空化初生压差范围为5.63~8.17 MPa。空化最先出现在流道最窄处的球阀侧,随后出现在密封锥面侧。控制阀的密封面处的局部结构对空化的发展会产生显著影响。计算流体动力学的仿真结果表明,k-ω剪切应力运输(shear stress transport,SST)湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)空化模型的仿真结果与试验空化分布吻合更好,流道密封面处尺寸的微小改变及流道宽度对空化初生的位置影响显著。

柴油机喷嘴内空穴流动可视化试验与数值模拟

柴油机喷雾特性除了与气缸内气流运动有关外,也与喷嘴内空穴流动有密切的关系。设计了比例放大多孔喷嘴内空穴流动和喷雾的可视化试验装置,进行了不同燃油喷射压力下喷嘴内空穴现象和喷雾的可视化试验,对所建喷嘴内空穴流动的三维数值计算模型进行了试验验证。采用试验和数值模拟相结合的方法分析了喷嘴内部流动从单相湍流流动发展为空穴流动、超空穴流动的流动特性,得出了喷嘴流量系数与喷射压力及空穴参数之间的关系以及喷嘴内出现空穴现象的临界条件。

柴油机喷嘴内部流动可视化试验

柴油机喷雾特性除受空气动力作用影响外,更与喷嘴内空穴流动有关,因此弄清喷孔内空穴流动对研究喷雾特性有着至关重要的作用.在自行搭建的比例放大透明喷嘴内空穴流动可视化试验台上,采用高速数码摄影和长工作距离显微成像技术,获得了不同几何结构喷嘴内部空穴流动图像.试验结果表明,不同的几何结构对喷嘴内空穴流动有着强烈的影响,增大喷孔长度和减小喷孔与喷嘴轴线间夹角都能抑制喷孔内空化现象,而采用VCO类型喷嘴可使发生水力柱塞流的压力更高;试验还观察到了迟滞现象.

不同燃油温度喷嘴内部流动可视化试验

柴油机喷嘴内空穴流动对喷雾有着重要影响,而燃油物性又强烈影响着喷嘴内空穴流动,因而弄清不同燃油温度下的燃油物性对喷嘴内空穴流动影响有重要的意义.在自行搭建的透明喷嘴内空穴流动自循环可视化试验台上,采用高速数码摄影和长工作距离显微成像技术,获得了不同燃油温度下喷嘴内空穴流动图像及流动特性数据.结果表明:随着燃油温度升高,空穴初生压力减小;在同样边界条件下,燃油温度越高,其雷诺数越大.对流量系数与空穴数平方根线性关系进行了修正;试验观察到了迟滞现象,为对该现象进行分析,分别定义并获得了不同燃油温度下可视化临界空穴数与定量测量临界空穴数,并发现在不同燃油温度下可视化临界空穴数都大于定量测量临界空穴数.

煤层采动底板突水演变过程可视化试验平台研制与试验研究

物理模拟试验可以直观展现底板突水全过程,并可获取采动底板突水灾变演化的多元化信息,成为研究承压水上开采的有效研究手段。对早期研制的深部采动底板突水模拟试验系统的突水流量监测、覆岩柔性加载、水平分级加载和恒压稳流试验舱等4个模块进行了改造,实现了突水水量区域化定量监测、覆岩柔性均布加载、双侧分区域独立加载、大容量恒压供水和全方位的密封等功能。借助改造后的试验系统和研制的非亲水相似模拟材料,以受底板承压水威胁的山东某矿为工程背景,研究了突水通道形成、流量灾变演化、隔水层应力变化等过程。试验结果表明:依据底板可视裂隙的扩展特征,将底板突水划分为横纵向演化阶段、横向周期演化阶段和灾变突水阶段;在第Ⅰ阶段,承压水顶界面主渗区首先产生于开切眼下方且位置不随煤层开采发生变化,随着开采可视裂隙向承压水含水层方向和工作面推进方向扩展,主渗区范围变大且流量显著提高;在第Ⅱ阶段,随煤层开采煤壁下方产生新的裂隙,上一阶段回采产生的裂隙封闭,裂隙扩展呈现周期性变化特征,主渗区流量呈现降低—升高—降低—升高的周期性变化趋势;在第Ⅱ阶段,突水通道形成后,主渗区成为承压水突水的源头,其他区域流量不再发生突变,可将该阶段初期的流量急剧突变特征作为突水预警信息。试验结果不仅对中东部矿区承压水上开采底板突水溃砂过程中裂隙演化、突水流量特征研究提供实验指导,同时也对矿井安全性评价及灾害预测与防治提供参考。

不同燃料的喷嘴内流动与喷雾形态可视化试验

采用高速可控闪光摄影技术搭建了喷油器喷孔内流动及近场喷雾可视化试验装置,针对柴油、汽油、乙醇柴油、生物柴油4种燃料,对实际尺寸的透明喷油器喷孔内的流动及近场喷雾进行了对比试验研究。试验研究结果表明:所有试验燃料喷孔内均呈现空穴流动,低运动粘度、高饱和蒸气压的燃料空穴生成时刻更早、空穴强度更强;喷孔空穴强度较大的燃料具有更大的近场喷雾锥角;喷射结束后喷孔内会产生气体倒流现象并形成初始气泡,初始气泡体积随燃料表面张力的减小而增大。同时发现,针阀运动会对压力室和喷孔内的流动产生极大的扰动并影响其流动形态。

柴油机喷雾燃烧过程的动态可视化试验

基于柴油机喷雾燃烧可视化方法,在DLH1105型产品发动机的基础上进行了发动机的改装、光路系统的开发和数据采集及控制系统的开发,研制出喷雾燃烧多功能动态可视化试验装置.同时总结出试验装置建立过程中应该注意的一些关键问题.在该试验装置上,分别对25MPa和18MPa的喷油压力下以及62mm圆柱形、55mm圆柱形、55mm圆柱左偏斜形、55mm圆柱右偏斜形4种燃烧室形状下的喷雾燃烧过程进行了喷雾燃烧可视化试验,获得了喷雾燃烧照片,通过对比分析得出高喷油压力及偏斜形状燃烧室具有更优的喷雾燃烧特性.

叶片式混输泵入口段气液两相流场可视化试验

气液两相混合流体在叶片式混输泵内的流动与入口段气液混合程度有直接的关系,故在混输泵入口前端设置了自行设计的缓冲均化器,并通过可视化试验探索入口段气液两相流型及气泡直径随转速和入口含气率的变化规律。研究发现：经过缓冲均化器后,气液两相流体在混输泵入口段表现为均匀的泡状流,无大团气泡聚集现象,说明缓冲均化器结构及多孔管开孔方案合理,能够起到均匀混合气液两相流体的作用;在同一转速和液相流量下,混输泵入口段气泡直径变化规律呈正态分布,随着入口含气率的增加（0~50%）,气体总流量增加,在均化器中与水混合后形成的气泡初始直径逐渐增加,使得混输泵入口段气泡直径也逐渐增加;在同一液相流量和入口含气率工况下,气泡的初始直径相同,而随着混输泵转速的增加（1 800~2 700 r/min）,入口段流体旋转角速度增大,导致液相对气相的拖曳力也相应增大,最终导致气泡直径变小;绘制了泵入口气泡直径随入口含气率及转速的变化规律曲线,可以为混输泵内流场数值模拟中入口气液两相流型及平均气泡直径的设置提供参考。

基于烟线法的直线翼垂直轴风力机静态流场可视化试验

为探明直线翼垂直轴风力机自起动性能与风力机叶片迎风角度的关系,设计制作了一台具有3枚NACA0018翼型叶片的直线翼垂直轴风力机模型。通过风洞试验测试了直线翼垂直轴风力机在不同风速下自起动性与叶片迎风角度的关系;利用烟线法对风力机的静态流场进行了可视化试验,获得了不同叶片迎风角度下风力机周围流场的流迹线图像;分析了风力机自起动性与叶片翼型、叶片个数、叶片受力情况和周围流场的关系。

液氢/固氢混合物(氢浆)制备可视化试验研究

针对氢浆混合物中颗粒均匀制备技术,提出了微正压常温氢气直接液化和抽空减压降温的冷却方案,研制了集氢气液化、液氢转注、氢浆制备、氢浆可视化、氢浆含固量测量等为一体的一套综合性氢浆制备可视化试验平台。通过该试验平台,国内首次成功制备出了氢浆产品,充分表明氢浆制备可视化试验测试平台的方案设计是可行且有效的。通过可视化手段,清晰地观测到了液氢变为固氢、再由固氢转变为氢浆的演化过程,最终形成微小固体颗粒在液氢内悬浮的固液混合物状态,对氢浆的研究有了一定的认识。该氢浆试验平台研制可为低温推进剂的致密化研究提供技术支持,对氢浆作为推进燃料发展具有一定的推动和促进意义。

浆液在透明复制裂隙中驱替行为的可视化试验研究

在地下工程中,注浆技术是修复裂隙岩体和封堵地下水的重要手段。了解浆液在岩石裂隙中的流动行为对优化注浆方案有重要意义。通过可视化试验研究了粗糙裂隙中浆液性质对注浆过程的影响规律,提出了驱替模式试验相图,并阐明了其细观机制。试验结果表明,浆液的驱替行为与传统牛顿流体不同,注浆速度和浆液质量分数显著影响粗糙裂隙中浆液的驱替模式;在浆液的驱替过程中,浆液流变性质和裂隙开度变异性的共同作用及其相互反馈影响引起的黏度变化是形成不同驱替模式的重要原因;注浆流速越小,浆液质量分数越大,两相界面越稳定,浆液最终填充率越高;驱替过程中浆液难以完全填充裂隙的较小开度区域,且随着注浆流量的增加,浆液最终填充率呈现明显的非单调性;浆液最终填充率受驱替形态的影响显著,基于界面稳定分析理论,推导了浆液在粗糙裂隙中驱替形态转变的临界条件。该研究成果揭示了粗糙裂隙中浆液扩散的机制,可为评价与控制岩体注浆效果提供参考依据与技术思路。

喷油器控制阀空化现象可视化试验与模拟分析

为了获得喷油器控制阀空化现象的直观流动图像,搭建了喷油器控制阀比例放大可视化试验台。采用高速摄像和长工作距离显微成像技术,研究了不同球阀升程和进口压力下控制阀区域空穴两相流动的特性。通过数值模拟的方法对试验得到的流动图像进行了双向验证。研究结果表明:控制阀区域的空化现象主要发生在球体表面、阀座锥面和进油孔处;空化数可以反映控制阀区域空化的强度;控制阀疲劳试验中气蚀环大于密封环的原因是球体表面发生强烈空化的区域比落座撞击区域靠上。

基于MFC的AES可视化试验平台的设计与实现

为了解高级加密标准AES的加/解密操作过程,基于MFC设计并实现了AES算法的可视化试验平台.该平台动态显示AES加密过程中每一阶段密文和密钥的变换情况,通过再现AES加/解密的工作方式,使复杂的迭代过程更容易理解,同时实现了对文件的加/解密操作.

压力补偿灌水器流固耦合数值模拟及可视化试验研究

压力补偿灌水器结构复杂,工作机理不明确,进一步的研发受到阻碍,对压力补偿腔的数值模拟及可视化试验研究是揭示其工作原理的重要途径。采用流固耦合数值方法模拟不同压力下压力补偿灌水器的工作状况,并制作等比例有机玻璃透明试验件进行可视化试验,测量膜片变形和压力补偿腔内部速度分布,对计算结果进行验证。结果表明,流固耦合数值模拟结果与试验结果吻合较好,并发现在流量稳定阶段,随压力增大,弹性膜片的变形增长率越来越小,在75 k Pa以后膜片出现振动,并在195 k Pa之后完全贴于压力补偿腔顶部,压力补偿灌水器通过弹性膜片的微小变形变化调节出水断面来保持流量稳定,因此弹性膜片的硬度、压力补偿腔出水口和小槽尺寸是决定压力补偿灌水器稳定工作阶段流量以及流态指数的主要因素。该方法为压力补偿灌水器的设计和开发提供了有效途径。

花岗岩裂隙岩体油水两相渗流可视化试验及数值模拟研究

地下水封油库利用“隙存水封”的原理通过地下洞室进行石油地下存储,并多建于结晶岩体中,岩体裂隙渗流特性直接影响地下油库储油安全。地下洞库水封机理可简化为围岩裂隙中的油水两相渗流问题,需同时考虑油驱水和水驱油过程。基于分形理论定量刻画了天然花岗岩裂隙面的粗糙度,通过3D打印技术制备了不同粗糙度的透明裂隙,利用研制的单裂隙多相渗流可视化试验装置开展了模型试验,并结合数值模拟对花岗岩粗糙裂隙中的油水驱替规律进行了研究。研究表明:水油流度比的差异导致花岗岩裂隙两相驱替呈现出不同效果,油驱水前缘呈活塞式整体推进,而水驱油前缘呈指进式推进;压力差或隙宽的增加更加显著地提升油驱水效果,但裂隙粗糙度的增加则对裂隙中流体的流动起到了阻碍作用,使得驱替难以进行;在考虑裂隙粗糙度和油相黏度的情况下,仅通过围岩裂隙水压力大于洞库内部油压来判别水封性能的“水封准则”存在缺陷;由于“贾敏效应”的作用,水驱油时裂隙中的油将难以被完全驱替,当油库发生油品泄漏时,难以将油品完全驱回洞库内部。研究成果可为粗糙裂隙岩体两相渗流规律及地下洞库水封机理的研究提供参考依据。

混流泵瞬态启动性能及空化流场可视化试验研究

为解决泵喷系统以及潜艇武器大型化和稳定化发展中的混流泵瞬态启动特性和诱导空化问题,结合混流泵外特性试验和高速摄影可视化技术,研究泵瞬态启动性能和空化流场特性.结果表明:在无空化启动时,启动时间和启动流量不影响混流泵的稳态性能,泵流量、转速和扬程同时刻达到稳态峰值,具有较好的同步性,泵扬程在启动初期具有明显的滞后性,设计流量下,启动扬程滞后时间约为启动时间的50%;在空化启动条件下,混流泵叶顶间隙最先出现空化,随着启动时间的增加,空泡云发展出“长条状”形状,随着进口压力的降低或进口流量的增大,空泡云逐渐呈现出“三角状”,最终发展到堵塞流道.通过高速摄影试验捕捉不同启动条件下混流泵流道内的空化形态演变,发现缩短启动时间、减小启动流量、增加泵进口启动压力是抑制启动空化发生的有效途径.

制动工况下液力变矩器大涡模拟流场仿真及可视化试验验证

为了准确地揭示液力变矩器流场时空演化机理,基于计算流体动力学理论,采用5种不同的大涡模拟(LES)亚格子湍流模型(SL、WALE、WMLES、WMLES S-Omega、KET)精细仿真制动工况下液力变矩器三维流场,识别并提取涡轮内部非定常多尺度三维涡结构,籍此分析时空多尺度涡演化特征及其对流场结构演变的影响规律。基于粒子图像测速(PIV)技术,采用动态实时标定方法,试验测量液力变矩器涡轮内部流场,依托试验后处理所提取的流速场和涡量场信息,对比验证大涡模拟仿真结果,并对5种亚格子湍流模型的仿真适用性进行分析。结果表明:制动工况下,SL和WMLES模型针对涡轮流道主流区域多尺度涡仿真结果相近,流速为0.32~0.85 m/s,涡量为250.77~792.95 s^(-1);针对涡轮叶片压力面近壁高流速区域,WMLES模型仿真结果与PIV试验结果相吻合,流速为3.7~4.4 m/s,而WMLES S-Omega模型对该区域内涡量场的仿真结果较好,涡量为526.47 s^(-1);从三维涡仿真角度来看,WMLES和WMLES S-Omega模型对叶片吸力面附近三维涡数值模拟结果更加丰富,针对叶片近壁面小尺度涡旋结构捕捉较为准确,KET模型仿真结果重现了涡轮叶片出口处明显的涡脱落现象,其他模型对于三维涡结构识别不够准确。研究结果可为液力变矩器高精度数值模拟提供理论指导。

喷孔内空穴流动与孔外喷雾形态的可视化试验研究

为研究影响喷孔内空穴及孔外雾化的因素,采用高压共轨试验台搭建了1套可视化试验台架,用有机玻璃加工透明喷嘴,与实际喷油器粘连,通过改变喷射压力、喷孔的几何尺寸以及喷射燃料,对喷孔内空穴流动与孔外喷雾形态进行了对比试验。试验结果表明:提高喷射压力和减小喷孔的长径比可有效促进喷孔内空穴的发展,进而更好地促进燃料喷雾的扩散与发展,使喷雾分布到更广的空间;燃料饱和蒸汽压越高、运动黏度越小,喷孔内越早出现空穴,空穴流动越早达到稳定状态,雾化效果越好。

低温贮箱大热流下两相流态可视化试验

为研究大热流下低温推进剂贮箱箱内流体温度分层与沸腾气泡特征,以液氮为试验流体,搭建了低温贮箱变热流可视化相态观测平台,通过改变吹风温度与吹风速度,实现了1~16 kW·m-2热流边界调节,与火箭升空过程中承受气动热流冲击基本一致。试验结果表明:低温贮箱壁面受大热流作用,并不一定产生沸腾气泡;当壁面热流密度小于2 kW·m-2,直至液体主体过冷度降至1 K时,近壁区才有气泡产生;壁面热流密度达到16 kW·m-2以上后,即使液体主体区过冷度超过10 K,近壁区也可能产生沸腾气泡;当液体主体存在较大过冷度时,火箭升空过程的气动加热仅会造成近壁区出现气泡;在对低温贮箱增压时,提高增压气体注入速率,加快增压进程有利于延缓近壁区液体温升与沸腾发生。此外,建立了一种预测沸腾气泡发生边界的经验模型,可对裸壁贮箱在大热流下是否发生推进剂沸腾提供初步预测,从而为火箭贮箱绝热方案设计提供支撑。

叶片数对泵自吸特性影响的可视化试验研究

为研究自吸泵不同叶片数的自吸特性,本文探讨在不同叶片数下自吸泵的内部流动状态和自吸时间的差异和规律。搭建了可视化试验平台,从试验的角度出发,直观地研究自吸泵的自吸过程,通过对比和分析研究了双叶片、三叶片和四叶片的自吸泵在不同阶段的气液两相分布与气液混合流在自吸过程中随时间的演化,进一步揭示叶片数对自吸泵自吸时间的影响机制。试验还使用高速摄像机对自吸泵内部流动情况进行了拍摄,更加深入研究了不同叶片数下的自吸泵泵内气液混合、气液分离及气液回流等过程,揭示叶片数对自吸泵自吸过程各个阶段的气液两相流态的影响规律,为自吸泵叶轮设计提供参考和依据。