基于LES方法的壁面旋转旋流分离器内流特性的研究

针对旋流器在井下油水分离的应用过程中,壁面随螺杆泵旋转这一问题,本文基于大涡模拟(LES)方法对壁面旋转旋流分离器内部流场进行数值模拟,并通过LDV测试结果验证了模型的可靠性,得到了壁面旋转旋流分离器内部流场的分布规律。结果表明,正转时,外涡流区的切向速度逐渐增加,内涡流区切向速度增加不明显,轴向速度的变化梯度增大,反转时,影响趋势则正好相反。且旋转效应对不同轴向位置截面的影响并不相同,轴向速度有较明显的差异。

针对壁面旋转变径管内螺旋流的压力应变项研究

通过壁面旋转变径圆管内螺旋湍流流动特征的分析,确定其切向速度场内涡流区为微团旋转主导的椭圆形流动,外涡流区为微团变形主导且受壁面旋转影响的双曲形流动.进而利用张量的不变量理论,引入旋转率张量与应变率张量的综合不变量作为模型系数,将适用于微团旋转主导的旋转湍流Reynolds应力压力应变项修正模型拓展到了非旋转效应主导的双曲形流动中.将修正压力应变项应用于壁面旋转变径圆管流场的模拟,并将结果与实测结果进行了对比,验证了修正模型的改进效果.

黏性对液滴偏心撞击旋转壁面铺展特性的影响

液滴撞击旋转壁面广泛存在于工程实践中,如在航空领域发生的发动机吸雨吸冰现象,这些现象会导致发动机性能下降甚至引发安全问题,因此研究液滴撞击旋转壁面具有重要意义。搭建并开展液滴撞击旋转圆盘实验并用高速相机采集图像,在保持液滴尺寸、撞击速度、表面张力和撞击位置不变的情况下,研究了转速和黏性对液滴偏心撞击后铺展规律的影响。通过后处理液滴铺展动态图片,定量获取液滴沿径向和切向铺展数据。实验结果表明,液滴径向-切向铺展动态模式在旋转邦德数和旋转雷诺数下划分出4个区域:撞击惯性力-黏附力、撞击惯性力-黏附力/黏滞力过渡、撞击惯性力/离心力过渡-黏附力、撞击惯性力-黏滞力。径向上撞击惯性力主导模式下,最大径向铺展因子随奥内佐格数和旋转邦德数增大而减小,且在回缩阶段径向铺展因子与无量纲时间t/(Oh·T)满足−1/3幂次标度律。切向上黏附力主导模式下,液滴切向铺展速率与无量纲时间t/(Oh·T)满足2/3幂次标度律;切向上黏滞力主导模式下,切向铺展存在最大铺展因子。

旋转变径管内螺旋流相干结构的大涡模拟研究

旋转管式分离设备的主分离段一般为变径管结构,针对其内部螺旋流的研究主要集中在平均统计量的分布规律上,缺乏从流动结构角度的描述。本文采用大涡模拟方法对不同旋转条件下变径管内螺旋流开展数值模拟研究,分别以Q准则与基于SVD方法的POD分解法,对数值计算的速度场进行了分析。Q准则等值面显示,螺旋涡从大锥段开始发生破碎,旋转效应能够减弱外涡流区的漩涡强度;POD分解重构后脉动速度场显示,脉动速度场的1阶模态为主模态,包含了湍流的大部分能量,5阶模态之后的流动为由小尺度涡构成的复杂湍动结构。旋转效应抑制了径向涡,促进了轴向涡。从流场结构的角度而言,旋转效应对分离起到了积极的作用。

旋转变径圆管内螺旋流的LDV流速测量

针对旋转变径圆管内螺旋流场激光多普勒测速(laser Doppler velocimetry,LDV)存在的窗口振动、光束难聚焦与旋转多普勒效应等问题,设计了同轴双带驱动LDV实验装置。采用折射率匹配和光路计算相结合的方法,实现了其速度场的二维LDV测量,得到了不同壁面旋转率下变径圆管内螺旋流的切向、轴向速度分布。实验结果表明:旋转与螺旋流同向时,切向速度明显增加,最大切向速度随旋转率的增加率约为10%/N,最大切向速度点向边壁移动;当旋转率与螺旋流自身旋转率接近时,外涡流区几乎消失;旋转与螺旋流反向时,切向速度随之减小,最大切向速度随旋转率的减小率约为8%/N,最大切向速度点向轴心移动;不论壁面正反旋转,近壁区轴向速度都产生了层流化的趋势。

汽车车轮周围气流场的数值模拟研究

运动车轮周围气流场对地面扬尘及轮胎磨损颗粒物的运动有很大影响。使用旋转壁面技术模拟车轮滚动,建立了车辆-轮胎空气动力学模型并进行了试验验证,对车轮周围气流场进行了三维数值模拟。结果表明:气流在轮胎-轮罩间隙中存在相汇区并形成涡流,气流主要从相汇处溢出。扬尘及颗粒物主要围绕涡流动并获得动能脱出。气流在前、后轮的泵吸效应显著,但前轮气流倾向于向外侧发散,后轮附近气流场倾向于向上发散。气流在车尾会形成马蹄涡和拖拽涡。

简化间隙泄漏结构对离心压缩机性能影响研究

针对流量系数为0.196的大流量系数离心压缩机模型级,采用CFD方法,研究其在简化动静间隙泄漏结构时替换壁面旋转区域大小对离心压缩机流场及性能的影响。计算结果表明:叶轮出口替换间隙壁面的旋转长度小于23.33%间隙高度时预报结果相差较小,与实验值较为吻合,超过该值计算得到的多变效率与旋转壁面长度呈线性增长趋势。这主要由于旋转壁面长度小于23.33%间隙高度时,静止壁面的粘性阻力作用强行将叶轮出口盖侧高速区减速,产生了较大损失,而超过该高度时,该高速区域的形态基本发展完整,从而使得额外旋转壁面对流体做功直接增加了轮盖侧流体的总压值,增加了轮盖侧流体气流角,提高了整级性能。设计工况下,当叶轮出口旋转壁面长度等于6.67%间隙高度时,计算得到的扩压器进口周向平均气流角与考虑间隙结构时结果基本一致,得到的多变效率比考虑间隙泄漏结构时高1.56%,总压比高1.82%。由此说明不考虑动静间隙泄漏时,合理选取叶轮出口替换间隙物面的旋转长度能够保证计算结果的可靠性。