二维活塞/缸体副微间隙流场的剪切空化实验研究

二维液压元件能充分利用二维活塞的面密封以及周向旋转配流等特点以获得更好的工作性能,但面临二维活塞与缸体配合微间隙中油液强剪切可能诱发空化的问题。为探究该处微间隙内油液的一维运动工况,利用自制的外筒旋转同心圆筒装置开展纯剪切流动实验研究,分别就不同转速、流场压力、油液上方空气占比、内筒外壁面配流槽结构以及微间隙厚度进行可视化研究。实验结果表明:流场压力与发生剪切空化的临界剪切应力成线性增大关系,压力越大油液空化所需剪切应力越大;若油液上方空间内留有空气,则上方空气含量越高对剪切空化的抑制作用越强;而二维活塞的配流槽结构一方面会减小油液的剪切扭矩,另一方面会改变纯剪切流场,从而抑制剪切空化的发生;微间隙厚度的减小将使发生剪切空化的临界剪切应力减小,从而降低剪切空化发生的难度。

齿盘剪切空化器内空化过程数值模拟研究

齿盘剪切空化器通过高速旋转能产生强烈的空化现象。齿盘剪切空化器内的流场及空化过程复杂,对齿间的空化行为及空化特性是该领域的难点和重点。采用Zwart空化模型对齿盘剪切空化器内空化过程进行数值模拟。结果显示,剪切盘齿间空化现象是离心力与机械剪切力的交替作用的结果。齿盘剪切空化器内的空化在整个盘间呈多点分布,且分布均匀,空化强度高,累积空化体积大。空化泡产生区域面积占比随齿盘旋转时间变化呈正弦曲线变化的规律。这对就齿盘剪切空化机理的探索、开发设计和应用具有重要意义。

齿筒式齿侧剪切空化器空化性能数值模拟

通过CFD Fluent对齿筒式齿侧剪切空化器进行数值模拟,分析了空化器的齿间涡、空化泡体积分数、湍动能的变化,获得转速、处理量等操作参数对空化器空化性能的影响。结果表明:空化器内的涡是生成空化泡的主要方式。定齿间和动齿间的涡是由于流体冲击壁面,与注入的流体发生回旋而产生的。而齿侧间的涡则是由于双齿侧的机械剪切形成的。充分的机械剪切和剪切面积使得齿侧间的涡分布最广,这表明增加机械剪切可有效诱导空化泡的形成。空化泡溃灭导致齿顶前缘面锐缘处的湍动能增加,并且湍动能随着转速的增加而增加,意味着该空化器既可提高空化泡含量,也可提高空化泡的溃灭率,有效提高了空化性能。但空化泡体积分数随着处理量的增加而减少,空化性能也随之降低。

高压水射流喷水推进装置空化流动及推力特性仿真分析

高压水射流喷水推进器是一种新型推进装置,其高速射流具有强剪切作用并将引起剧烈的剪切空化,从而对推力性能会产生重要影响。利用大涡模拟对推进装置的强剪切空化射流特性进行了仿真研究,探究了空化射流的流动机理及空化云演变规律,分析了空化现象对反推力特性的影响。结果表明:高速射流射入自由水域时将产生大量低压旋涡从而诱导剪切空化,并对反推力具有一定的增强作用,反推力增幅随空化程度的增强而增大;但受空化云形态变化影响,反推力将呈现脉动特性,其脉动幅值随着空化程度加剧逐渐增大,脉动主频随空化程度加剧而逐渐减小。

齿的倾角对齿盘空化器的性能影响

齿盘剪切空化器内的流场及空化过程复杂,齿间的空化行为及空化特性研究一直是该领域的难点和重点。采用Zwart空化模型对齿盘剪切空化器内空化过程进行数值模拟。结果显示,动齿后缘局部区域的空化现象是离心力与机械剪切力的交替作用的结果。齿倾角对齿间空化效果的影响较大,且改变空化泡产生位置。齿盘剪切空化器内的空化在整个盘间呈多点分布,且分布均匀,空化强度高,累积空化体积大。高速旋转的齿盘间“点阵式”空化泡的产生具有连续、稳定特性,这对人们就齿盘剪切空化机理的探索、开发设计和应用具有重要意义。

网衣清洗空化射流喷嘴仿真试验

空化射流作为新型水射流技术,具有能量密度高、冲击力强等特点,在网箱清洗装置上具有良好的应用前景。为探究空化射流的形成机理与冲蚀性能,为其在网箱清洗装置上的设计应用提供依据,参考现有商业化清洗机器人工作参数,选取压力15 MPa,流量27 L/min设计剪切型空化喷嘴,通过Fluent软件的Mixture多相流模型研究喷嘴内部流场与空化性能,采用水槽试验测试淹没环境下空化射流的冲蚀性能以及工作靶距。结果显示,数值仿真得到的喷嘴出口处的速度与理论计算结果非常吻合,差异小于0.5%;剪切型空化喷嘴的空化泡形成在喷嘴的扩散段并在射流中发展及溃灭,由于空化射流冲击力是高速射流和空化泡综合作用的结果,淹没射流试验中空化射流的冲蚀性能随靶距的增加先增加后降低,且射流倾斜冲击靶件表面时的冲蚀性能显著高于垂直冲击时的冲蚀性能。相比于高压射流,空化射流具有更强的冲击力,更适合应用于网衣清洗,其存在最佳工作靶距使射流的冲蚀性能达到能佳。

水布垭水利枢纽放空洞突扩跌坎水力学问题研究

水布垭放空洞具有工作水头高、流速大、上游水位变幅大等特点。针对其工作门区的突扩跌坎掺气体型,通过1∶25局部模型和1∶40减压模型,对该体型的水力特性及空化特性进行了试验研究,结果表明：放空洞在工作水头H0=0-110 m范围内运行,工作门区突扩跌坎体型可免于空蚀破坏;工作门区侧扩跌坎体型设计参数相对应的临界工作水头Hk为35-50 m;工作水头H0=20 m时,侧空腔浅小,底空腔基本消失,水流不能有效掺气,而侧冲击区有初生状态的蒸汽型空化发生,为安全计,宜采用抗蚀材料对边墙水流冲击予以防护。分析评估了该体型的抗空蚀破坏能力,研究成果为设计决策提供了科学依据。

一种新的Couette流变仪的精度校核

利用新研制的外筒旋转可调压可视化Couette流变仪,开展了强剪切流的空化试验,发现剪切力矩及瞬态温度对剪切空化的影响非常明显。通过传感器温度阶跃响应试验数据,求得温度传感器在静止液体内受阶跃温度变化时的表面传热系数。采用柱坐标系,基于试验获得的纯剪切力矩和瞬态传热微分方程,由数值计算方法求出不同时刻强剪切Couette流的瞬态温度,理论计算值与试验结果较为吻合,表明新的外筒旋转可调压可视Couette流变仪获得的纯剪切力矩和瞬态温度的准确性,以及间隙的均匀性。利用文献[9]的初步估算方法,也可求出强剪切Couette流的温度变化值。对比分析结果表明,所提方法校核精度高且适用范围广。