双腔室自激振荡脉冲喷嘴空化射流的数值模拟

为研究自激振荡脉冲喷嘴结构参数对内部空化射流流场的影响,以单腔室自激振荡脉冲喷嘴结构为基础,对采用前后串联方式建立的双腔室自激振荡脉冲喷嘴进行Fluent数值模拟.选用RNG k-ε湍流模型,分析来流雷诺数、前后腔室腔长比、腔径比的改变对空化射流的影响,并以腔室内的液相体积分数及喷嘴出口处的流速作为流场变化的评价指标.数值研究结果表明:当双腔室内部来流雷诺数由2.98×105变到4.31×105时,喷嘴腔室内的空化程度先增大后减小,与之相对应的液相体积分数先减小后增大;前后腔室腔长比为0.67时,腔室内空化气囊形状规则同时具有对称分布的涡环结构,有利于脉冲空化射流的发生;当腔室腔径比为1.20时,腔室内涡环结构与空化气囊均具有一定的对称性,同样可促进脉冲空化射流的发生,同时在出口处速度分布均匀且流速较大.

扩展角对收缩-扩散型喷嘴空化效果的影响

喷嘴扩展角是影响收缩-扩散型喷嘴空化效果的重要参数之一。运用连续方程、动量方程和Rayleigh-Plesset方程,对流经不同扩展角的收缩-扩散型空化喷嘴的泡液流进行稳态求解。计算结果表明:扩展角的存在对液泡流的流动特性有强烈影响,随着扩展角的变化,喷嘴空隙率和气泡半径呈现"剧烈振荡"。空泡在临界值附近大幅值、高频率振荡导致的空泡多次溃灭过程,将有利于释放更大的空化能量。

双腔室自激振荡脉冲喷嘴空化射流外部流场的数值模拟

以单腔室自激振荡脉冲喷嘴为基础,采用串联方式建立双腔室自激振荡脉冲喷嘴,应用FLUENT软件对其外部流场进行数值模拟,分析入射压力、靶距、腔长比、腔径比的改变对外部流场的影响。结果表明:当入射压力在1.1 MPa～4.4 MPa间变化时,空化程度随着压力增大而减小,同时压力每增加一倍时,靶面处最大速度增长约20～76 m/s;当靶距在100 mm～400 mm范围内变化时,空化程度随靶距增大而增大,但当靶距达到400 mm时,会因靶距太远气泡在空中溃灭空化程度骤减;当腔长比为0.67时或腔径比为1.2时,腔室内的涡环结构对称性好,有利于脉冲和空化的产生;同时具有较高的动能,当腔长与腔径同时取最佳值时,脉冲性最佳具有较好的清洗效果。

Helmholtz型空化射流喷嘴结构优化数值模拟研究

目前Helmholtz型空化射流喷嘴结构尺寸偏大,不适用于空化射流洗井解堵作业,且与其相关研究缺乏对射流脉冲特性的评价。为此,利用CFD数值模拟方法探讨了结构参数对Helmholtz型空化射流喷嘴脉冲性能的影响规律,对该类型喷嘴的结构进行了优化。研究结果表明:在入口长度为5~15 mm时,空化射流脉冲特性和入口长度呈反比关系;在出口长度为5~10 mm时,空化射流的脉冲峰值和脉冲幅度与出口长度呈正比关系,脉冲频率基本不受影响;所得喷嘴最优结构尺寸为喷嘴入口直径2.5 mm,入口长度5.0 mm,谐振腔入口圆角1.0 mm,谐振腔直径10.0 mm,谐振腔长度2.0 mm,碰撞壁夹角60°,出口长度10.0 mm,出口直径3.0 mm。研究结果可为空化射流解堵技术中空化射流喷嘴结构优化设计提供理论参考。

船体清洗空化喷嘴设计与仿真

为提高空化射流技术在船舶清洗领域的应用范围,设计了一种适用于船体底部海洋附着物清洗的异形中心体空化喷嘴。通过FLUENT流场数值模拟方法,研究了中心体末端形状、中心体末端延伸长度、中心体末端直径、扩散段角度和扩散段长度等参数对空化效果的影响,得到相应参数下喷嘴流场的气相分布云图、中心轴线上的速度和压力分布曲线以及靶面压力曲线等结果。研究表明:空化现象主要产生于中心体末端和扩散段壁面;中心体直柱形末端相较于锥形末端有更好的空化效果;合适的直柱形中心体末端延伸距离会使气相分布范围更广;扩散段角度在60°~70°时空化效果较好,适当增加扩散段长度有利于扩大气相分布范围。

斜螺旋式旋转空化喷嘴性能仿真研究

针对旋转空化喷嘴(Spin Cavitation Nozzle,SCN)开采天然气水合物时能耗高、效率低的问题,设计了一种斜螺旋式旋转空化喷嘴(Oblique Spiral type Spin Cavitation Nozzle,OSSCN)。基于CFD方法,对OSSCN、SCN以及收缩-扩张型喷嘴(Contraction-Dilatation Cavitation Nozzle,CDCN)进行性能对比分析。仿真分析结果表明:与CDCN相比,OSSCN和SCN流场中空化泡的分布更广泛、空化性能更优,且对水合物碎片有着更强的卷吸能力;与SCN相比,OSSCN在水合物壁面处产生的液压冲击能量更大,其径向流速更高,对水合物壁面产生的冲蚀效果更佳;OSSCN的斜螺旋叶轮结构极大地降低了喷嘴液阻、减小了能耗,在与SCN性能相差不大的情况下,OSSCN较SCN降低了约39%的能耗,展现出高效节能的优势。该设计可为空化射流钻水平井+衬管完井技术的商业化应用提供技术支持。

中心体空化喷嘴数值模拟和参数优化

基于滤波器的密度校正模型(FBDCM)对RNGk-ε模型的湍流黏度进行修正,考虑剪切应力对空泡的影响对空化模型进行修正,在此基础上求解空化射流流场,并将所得结果与试验结果进行对比,验证仿真模型的准确性。建立中心体空化喷嘴几何模型,研究扩张角、收缩段长度、喉管段长度、扩张段长度和中心体缩进距离对喷嘴空化性能的影响。研究结果表明:扩张角、扩张段长度和中心体缩进距离对喷嘴空化性能的影响较大;结构参数引起的射流速度变化导致射流剪切层厚度发生变化,从而影响流场低压区域的分布,使得射流流场空化云出现大小不一的情况;当收缩段长度为4mm、喉管段长度为4 mm、扩张段长度为5 mm、扩张角为60°、中心体缩进距离为1 mm时,喷嘴的空化效果最佳。

几种空化喷嘴流场的数值模拟

为研究锥形喷嘴、角形喷嘴等喷嘴的出口流道形状对空化射流空化效果的影响,建立了喷嘴的物理模型和数学模型。采用Fluent软件对锥形、角形、收缩形、收缩-扩张形四种喷嘴的空化射流实验装置中的流场进行了数值模拟,通过对流场的压力、速度和空化情况的分析,认为具有扩散形出口流道的空化喷嘴的空化效果最好。计算结果可以为空化喷嘴的设计提供指导。

空化喷嘴出口形状的研究

对收缩—扩散型出口空化喷嘴的出口段泡液流稳态解的分析表明 :泡液流中很小的空隙率亦强烈地影响着其流动特性。试验证明具有收缩—扩散形出口流道的空化喷嘴的空化效果更好。

风琴管空化清洗喷嘴结构改进及数值分析

空化水射流是一种运用水机械"汽蚀"的原理来增强射流冲蚀效果的高效水射流技术,风琴管喷嘴由于具有良好的空化初生和空化打击效果而在该领域广泛使用。该喷嘴流场中收缩段入口壁面附近会由于压力的降低而产生较强空化现象,如果将喷嘴收缩段壁面边界向外部扩展,增大低压产生区域的作用范围,设计了圆弧段扩张口径的空化喷嘴,同时引入脉冲结构进行改进。采用CFD软件对相同参数下普通风琴管喷嘴和新型喷嘴进行流场分析。结果表明,新型喷嘴圆弧段内部的大漩涡流场更有利于空化产生,具有脉冲结构的新型喷嘴中漩涡区域的空化气泡能够较容易地随脉动水体喷出,且水射流具有较强的瞬时冲击力,因而喷嘴的空化清洗效果将会更显著提升。

空化喷嘴内部流场的数值模拟

根据喷嘴的结构特点,建立了角形空化喷嘴和风琴管形空化喷嘴的三维结构模型和数值模型,选用RNGk-ε湍流模型,采用SIMPEC算法进行数值计算。结果表明,在空化喷嘴的圆柱段存在速度最大值,射流进入圆柱段后产生明显的负压,与周围介质发生强烈的空化作用,有利于空化气泡的产生。在特定参数下(圆柱段直径d=1mm、圆柱段长度S=3mm、扩散段长度L=8mm、出口扩散角=30°),角形喷嘴的空化效果优于风琴管形喷嘴。

基于Fluent自振空化喷嘴内流场的数值模拟

根据Fluent流体仿真软件和风琴管形空化喷嘴内流场的特点,基于流体力学基本理论,对不同结构的风琴管形空化喷嘴进行了仿真研究。通过数值模拟计算,得到了各个风琴管形空化喷嘴的出口速度值、压力分布图和速度分布图等。模拟结果表明,在空化喷嘴的圆柱段存在速度最大值,射流进入圆柱段后产生了明显的负压区,当压力低于液体的饱和蒸气压力时,空化气泡产生。在特定的参数下(喷嘴入口直径Ds=8 mm,谐振腔直径D=4 mm,圆柱段直径d=1.5mm,扩展段长度s1=8 mm),谐振腔长度L=5.2 mm,扩展角α=60°,圆柱段长度s=3 mm时,喷嘴内部有较强的漩涡,有利于射流形成大结构的涡环流,增强空化作用。

埙型结构喷嘴自激振荡脉冲空化射流的数值模拟

为研究自激振荡脉冲空化喷嘴空化性能,采用流体仿真分析平台Fluent,以Helmholtz喷嘴原型构建一种具有埙型结构的喷嘴模型,同时基于自激振荡脉冲空化喷嘴的空化效应与多相流模型,数值模拟其在100ms振荡时间内的空化情况,并与Helmholtz喷嘴空化效果进行对比。并分别改变埙型结构喷嘴上下流道的直径比和弧线角度,通过数值模拟考察直径比和弧线角度对喷嘴空化效果的影响。结果表明:上、下流道直径比在0.5～0.6空化效果最好;弧线角度θ=50°时的埙型结构喷嘴,出口处速度呈现均匀性,同时出口更易形成均匀负压区域,喷嘴腔室内空化呈对称分布,空化效果最佳。

空化水射流喷嘴设计与模拟分析

结合相关资料设计一款空化喷嘴,并运用有限元分析软件,对空化喷嘴进行流体分析,最终通过试验检测空化喷嘴和普通喷嘴之间清洗能力的不同。

自激振动空化射流喷嘴的设计与实验研究

以自激振动空化射流喷嘴为研究对象,以其在工业清洗中的应用为研究背景,通过设计具有不同结构参数的喷嘴,着重探讨了谐振腔长与出口孔长之比,谐振腔长径比等结构参数对射流特性的影响规律,并通过打击力和清洗力实验来对喷嘴射流特性进行评价.实验表明:谐振腔长与出口孔长之比在0.2～0.3区间时的打击力较高、清洗效果最好;同时还得出在操作压力一定的情况下,当谐振腔长径比为0.33时测得的打击力最大.

喷嘴结构对空化水射流冲蚀能力的影响

为研究喷嘴出口流道形状对空化水射流冲蚀效果的影响,在自行研制的淹没射流冲蚀实验装置上,对自行设计的普通喷嘴、渐收-突扩喷嘴和渐收-渐扩喷嘴进行了空化水射流冲蚀陶砖试件的实验研究,得到不同喷嘴的射流冲蚀陶砖的冲蚀深度、冲蚀破坏面积和冲蚀填充铁粉质量随靶距和背压变化的规律。结果表明:渐收-突扩喷嘴和渐收-渐扩喷嘴的射流冲蚀能力显著优于普通喷嘴的;渐收-突扩喷嘴和渐收-渐扩喷嘴的空化水射流冲蚀能力具有较佳的背压值;渐收-渐扩喷嘴具有更长的最佳靶距;渐收-突扩喷嘴具有更好的抗背压能力。

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。

空化喷嘴混沌特性的辨识

通过实验,使用高频水听器采集3种常用不同结构空化喷嘴产生的空化噪声信号,选取其中的信号,以Takens定理为基础,进行相空间重构,并分别计算其最大Lyapunov指数值。实验对空化喷嘴的混沌特性进行辨识以及比较分析,为空化喷嘴的设计、检测提供了一种新的途径。在采用的实验条件下,选取的空化噪声信号的最大Lyapunov指数值大于零,即这些信号都是混沌信号。实验显示,具有自激振荡腔结构喷嘴的最大Lyapunov指数值最大。

喷嘴压力对非淹没空化流场影响的研究

为了了解非淹没射流对大型工件的处理效果,课题组提出并设计了一种新型的非淹没人工射流,该方式可以适应各种场合工件的处理。在理论基础上,由淹没状态下的汽、液两相流变为非淹没状态下的气、汽、液三相流,采用外围低压水与内喷嘴高压水的结合,形成了人工淹没环境结构;通过该结构,使用FLUENT软件,实现了非淹没喷嘴空化效果的判断与预测;并通过模拟结果,分析了不同压力对空化流场的影响。结果表明:随着压力的升高,流场的轴向速度、轴向动压强以及汽相体积分数有着明显的提高。该非淹没喷嘴可产生较强的空化效果,且对入口压力较为敏感。

基于CFD的空化喷嘴结构参数研究

利用空化特性使喷嘴显著提高射流的清洗效果。利用CFD工具对空化喷嘴内外流场进行了两相流的数值模拟。比较分析了不同进气压力、水和空气进入空化腔的角度和空气进入空化腔的位置对流场的影响,并对仿真结果进行了分析研究。结果表明,随着进气压力的增加,经喷嘴射流的流体速度增加,出口含水量减少。水进入空化腔角度为10°,空气进入空化腔角度为135°,且入射位置距空化腔左侧壁8 mm处时喷嘴具有较好的冲洗能力,并且射程较远。计算结果为喷嘴的进一步设计和研究提供了有益的参考。