内孔式旋转空化器参数对空化效果的影响

通过控制变量法使用Fluent软件对内孔式旋转空化器进行数值模拟,得到结构参数(盲孔的孔径、孔深,单排盲孔个数)和操作参数(转速、入口压力)对空化效果的影响规律:转子盲孔孔径、孔深、单排盲孔个数增加,转速(2000~3000 r/min)增加,则盲孔中气体体积增加;入口压力(1 MPa~4 MPa)增加,则盲孔中气体体积减小。实验中以纯水水样空化过程中温升和电导率的变化为空化效果检验标准,在3000~9000 r/min随着转速的增加,温升和电导率显著增加,间接验证数值模拟的结果。本文为内孔式旋转空化器的结构参数优化提供参考。

改良楔形叶片旋转空化器水动力学特性数值模拟分析

[目的]旋转空化器是通过高速旋转的叶片在水中产生超空泡来满足不同工程实际应用需求,有必要对叶片形状进行改良设计以提高其工作性能,探究叶型改良对空化器水动力学特性的影响。[方法]首先,针对旋转空化器楔形叶片的原始叶型进行改良设计,建立叶片改型前、后旋转空化器的三维几何模型;然后,基于ANSYS Fluent软件对原始叶型和改良叶型空化器在不同转速下的自然空化流场开展数值仿真计算;最后,根据计算结果对二者的水动力学特性进行对比分析。[结果]结果显示,相比原始叶型,改良叶型产生的空泡除存在于叶片出口边外,还可以存在于副进口边,这两部分的空泡会随着转速的升高而逐渐连接成一个整体,因而改良叶型空化器产生的空泡尺寸更大,产生的自然空化更强;改良叶型在叶根处产生的空化效应较强,而原始叶型在叶尖处产生的空化效应更强;当转速较高时,改良叶型产生的空泡会与旋转空化器装置的四周壁面接触,导致空泡尾部形态沿半径呈直线型变化。[结论]所做研究可为旋转空化器的设计和应用提供重要参考。

旋转空化喷嘴结构优化设计及涡旋特性分析

为提升高压水射流破碎开采天然气水合物的效率,优化设计一种旋转空化射流喷嘴。利用计算流体力学方法探究不同叶轮数、叶轮加旋角度、入口速度和出口围压对旋转空化射流特性的影响规律,对比分析旋转空化射流和收缩-扩张型空化射流的流场分布规律、涡旋特性及天然气水合物沉积物的破碎特征。研究结果表明:叶轮加旋角度对旋转空化射流的影响明显比叶轮数的影响大,叶轮数及叶轮加旋角度的优化值分别为3个和360°;在喷嘴结构固定的情况下,提高入口速度能获得空蚀及射流冲蚀能力更强的旋转空化射流,而围压升高则会弱化流场中空化云的初生与发展;旋转空化射流因兼具正向冲击、径向张力及周向剪力和“梭形”空化云特点,较收缩-扩张型空化射流有更优的破岩效果;叶轮旋转效应所产生的中心涡使得旋转空化射流的涡结构更加复杂,流场中更易形成“负压”区以提升射流的空蚀能力。

液体火箭发动机高转速诱导轮旋转空化

诱导轮是提高液体火箭发动机泵抽吸性能的重要部件,而高速诱导轮中出现的旋转空化现象有时会严重影响涡轮泵的正常工作。利用基于Rayleigh-Plesset方程的混合流体模型对某诱导轮2D叶栅中的非定常空化流动进行了计算,模拟了迁移速度比约为1.0~1.4的旋转空化现象,并对其内在机理进行了分析。通过水力实验,利用非稳态信号时-频谱分析技术,捕捉到多种工况下旋转空化的动力学特征,同时观测得到该非定常现象的发生区间和其它特性。

楔形叶片旋转空化器叶型改进数值模拟研究

旋转空化器是一种通过叶片在水中高速旋转产生超空泡以实现不同工程实际应用的装置,本文对双叶片旋转空化器现有楔形叶片进行改型,建立了三种不同叶型的空化器三维几何模型,并采用ANSYS FLUENT软件对其产生的空化流场进行数值模拟,对比分析了其水动力学特性。结果表明,相同转速下,叶型2(改进叶型)产生的空泡尺寸最大,叶型1(原型叶片)次之,叶型3(改进叶型)最小,因而从空泡尺寸的角度来说,采用叶型2的旋转空化器的性能优于采用另外两种叶型的旋转空化器。此外,叶型2的阻力矩最大,但叶型3的阻力矩始终大于叶型1的阻力矩,因此采用叶型2的叶片改型更为合理。

锥形叶片旋转空化器数值仿真研究

通过高速转动的叶片形空化器,可形成可控的超空泡。对于旋转超空泡的研究,非常重要而又十分复杂。本文采用数值仿真计算的方法,建立三维几何模型,采用Ansys Fluent软件进行模拟求解,对四叶片旋转空化器的工作特性进行分析。研究结果表明,旋转空化器形成的超空泡具有很强的规律性。在超空泡尾部具有明显的溃灭而形成向超空泡内部的射流,射流的产生使得超空泡尾部都具有内凹结构。在低转速下,旋转叶片尖端后部的回流使得超空泡无法覆盖叶片尖端,而随转速的增大超空泡逐渐覆盖叶片的尖端后部。旋转空化器转速的提升对超空泡的形成具有很明显的作用,形成的超空泡体积随转速呈指数增长。本文所得到的超空泡演变规律对旋转空化器的设计和应用都具有重要的参考意义。

诱导轮旋转空化-诱发不稳定现象的研究与进展

在大型先进火箭发动机的研制过程中都遇见了推进剂供应泵诱导轮中发生旋转空化。其诱发的流场脉动和转子振动会严重影响液体火箭发动机的性能、稳定性和寿命,引起世界航天大国的高度重视。本文综述国外通过理论分析、数值模拟和实验研究的方法针对各种模式旋转空化的特征开展的研究工作现状,并简要介绍成功用于抑制火箭发动机诱导轮中这种现象的技术。

旋转空化器中减速板作用的数值仿真研究

旋转空化器是通过在水中高速转动的叶片产生可控超空泡的装置,以此来实现超空泡的利用。前人对于超空泡的研究表明,产生超空泡所需的转速比较大。本文将减速板加入到旋转空化器中,并采用数值仿真的方法,对减速板的工作特性进行分析。研究结果表明,带减速板的旋转空化器产生超空泡的转速得到很明显的降低,产生超空泡的尺寸也明显增大。而减速板对超空泡形态的影响比较有限,超空泡形状特征与没有减速板时形成的超空泡一致,只是超空泡会稍微朝远离减速板方向产生偏移。带减速板的旋转空化器形成的超空泡体积随转速同样呈指数增长,但体积相比没有减速板的旋转空化器要更大。通过本文的研究,明确了减速板在旋转空化器中的作用,对旋转超空泡的产生与应用具有重要的指导意义。

内孔结构对旋转空化发生器水力特性的影响

空化普遍存在于工业生产、舰船推进、航空航天等领域.使用高速相机对闭式循环试验台的旋转空化发生器内部流动进行试验观测,然后基于RNG k-ε湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型开展了旋转空化发生器流场的数值模拟.结果表明数值模拟结果与试验观测数据吻合较好,验证了本文数值模拟方法的准确性和可靠性.受离心力作用,转子孔内的压力从内径到外径逐渐增大.内孔底部由于轴向旋涡的作用,产生较大旋涡并耗散能量.内孔顶部流体与腔体区主流相互作用,在内孔顶侧产生碰撞并形成较小漩涡.不同内孔结构对旋转空化发生器的空化效果具有重要影响,在相同工况下椭圆形内孔的空化率小于圆锥形和圆柱形,说明型线光滑的内孔结构局部损失小,产生的空化较弱.不同内孔结构下,旋转空化发生器内部压力脉动的主频为转频f_(i)或24 f_(i)(对应圆周方向开孔排数),压力脉动最大幅值出现在进口管侧和出口管侧,主要原因是受动静干涉作用影响.

旋转空化器降解苯酚的实验研究

采用旋转空化器降解苯酚,研究了苯酚溶液的初始质量浓度、流量、p H和H2O2质量浓度等参数对苯酚降解率的影响。实验结果表明,苯酚的降解率可高达90%以上。苯酚的降解率随着苯酚溶液初始质量浓度、流量﹑酸性和H2O2质量浓度的增大而增大。旋转空化器降解苯酚的最佳实验条件为转速1 500 r/min,p H为2.5,流量为2.0 m3/h,H2O2的质量浓度为450 mg/L。

诱导轮超同步旋转空化传播机理

为了揭示超同步旋转空化的传播机理,对二维平板叶栅内部非定常空化流动进行数值模拟研究,叶栅的几何参数和模拟工况均来自真实诱导轮试验结果。结果表明:仿真预测的叶栅空化断裂点与试验结果接近,随空化数下降空化区的演变规律与试验结果一致。在一定的空化数范围出现传播频率比为1.1~1.4的旋转空化现象,对流场细节的深入分析发现空化区与来流冲角的相互作用是空化区波动沿周向超同步传播的机理。空化区与叶片前缘的冲角是呈正相关的,同时空化区增大会在尾缘诱发顺时针涡扰动,空化区减小会在尾缘诱发逆时针涡扰动,当扰动达到叶片喉部位置时,会对相邻叶片产生影响,空化区增加会导致相邻叶片冲角减小,相应空化区也减小,空化区减小会导致相邻叶片前缘冲角增大,相应空化区增大,如此循环往复,形成空化区波动沿周向的超同步传播。

天然气水合物旋转空化射流冲蚀性能研究

为提升水射流破碎开采天然气水合物效率,设计一种旋转空化射流喷嘴。首先,基于ANSYS FLUENT 19.0计算流体力学软件建立收缩-扩张型空化射流及旋转空化射流三维数值模型,对比分析射流速度场、压力场及气相分布的发展规律。然后,通过水合物二次合成的方式,提出一种天然气水合物沉积物试样冲蚀孔深及孔径定量表征方法。最后,基于自主设计研制的天然气水合物生成及空化射流冲蚀可视化实验装置,进行收缩-扩张型空化射流及旋转空化射流冲蚀天然气水合物沉积物室内实验,测试旋转空化喷嘴性能。研究结果表明:旋转空化射流扩散性强,轴心线速度衰减快,径向与切向速度大,卷吸掺混能力强,破碎面积大;旋转空化射流的“负压”分布范围及极值较收缩-扩张型空化射流大幅度增加,具有更强的空化初生能力及空蚀效应;2种射流中气相分布具有相同的周期性,旋转空化射流本身具有旋转速度,在剪切层内形成了大量包含空化泡的旋涡和空泡群,空泡群产生联动效应提升了射流的空蚀能力;旋转空化射流冲蚀水合物沉积物形成的孔深及孔径分别是收缩-扩张型空化射流的2.5倍和2.0倍,在扩孔效应的基础上,空蚀效应伴生的高温、高压及微射流特性破坏水合物沉积物的骨架,降低了破坏门限压力,获得了更佳的冲蚀效果。该研究可为空化射流钻径向水平井+筛管完井一体化方法开采天然气水合物提供理论依据。

基于旋转空化原理的水力空化洗衣机

针对传统洗衣机洗涤剂使用量大造成环境污染、超声波洗衣机对柔性衣物洗涤效果不良的问题,结合旋转空化原理的特性设计了一款水力空化洗衣机。利用旋转空化原理产生大量气泡,气泡在溃灭时产生瞬时的高温高压物理场能够将水分解出活性羟基,对污物进行氧化分解,同时,结合高温高压物理场对衣物表面污物的剥离作用,从而提高洗涤效果,减少了洗涤剂的使用量和废水的排放量,达到节能减排的目的。

旋转式水力空化发生器的空化特性

为综合考虑水力空化发生器的空化强度和输送能力,基于一台比转数为117.3的单级单吸式离心泵,设计出一种能够兼顾空化和扬程的旋转式水力空化发生器.基于CFX软件对旋转式水力空化发生器内部空化形态变化和空泡演变规律进行研究.结果表明,随着进口压力的降低和流量的增加,旋转式空化发生器的空泡团体积增大;在转轮挡板和隔舌附近均有空泡产生,转轮内部空泡首先在挡板侧面产生,然后在其背面靠近隔舌处开始脱落,隔舌处空泡在隔舌下游初生,并与转轮空泡同时脱落,两者具有不同的溃灭周期.该旋转式水力空化发生器提高了空化发生装置的集成化程度,具有空化效果好、且能有效增加液体静压的特性,对其空化特性的研究可以为水力空化发生装置的设计提供参考.

环形狭缝型旋转式水力空化器的空化特性与降解能力

为了开发新型高效的有机污水处理方式,探究新型旋转式水力空化器的空化特性,该研究综合高速摄影技术和压力脉动测试技术对环形狭缝型旋转式水力空化器在不同流量工况下的内部空化特性进行试验研究,并选取亚甲基蓝作为降解试剂,分析该空化器对难降解有机物的降解能力。试验结果表明,空化器内部存在4种空化形式:环形狭缝结构前缘空化、盲孔内空化、盲孔后缘空化以及环形狭缝结构后缘空化,且盲孔内空化和环形狭缝结构后缘空化占据主导;环形狭缝结构后缘空化存在明显的准周期性生长、脱落和溃灭过程,其演变准周期约为1.78 ms,导致蜗壳出口压力脉动离散特征明显;空化器在各流量工况下具有良好的输送性能,且随着流量的增大,经历了初生空化到云状空化的转变,当流量增大至36 m^(3)/h时,空泡团在周向的最大长度约为26 mm,在径向的最大宽度约为14 mm,当流量增大至37.5 m^(3)/h时,狭缝前缘空化沿着周向展开,形成“V”型空化覆盖部分盲孔,空化器内部空化程度明显加剧,蜗壳出口压力脉动主频(叶频)幅值增大,宽频脉动增强;空化器对亚甲基蓝的有效降解存在最佳流量工况和最佳溶液初始浓度,即当流量工况为36 m^(3)/h,溶液初始浓度1.5 mg/L时,在该条件下,空化器对亚甲基蓝的降解能力最强。该研究对于难降解农业有机污水处理具有一定的参考意义。

转子-径隙式水力空化反应器的空化诱导噪声脉动特性研究

旋转式水力空化反应器作为一种高效产生空化气泡的设备被广泛应用于工业领域,其空化诱导噪声是其性能评估和目标优化的重中之重。研究了一种转子-径隙水力空化反应器的空化及其诱导噪声特性,对不同转子转速下的非定常空化流场进行了数值模拟;研究了空化与其诱导噪声脉动特性的相互作用机制,分析了空化诱导噪声的时频分布特性。结果表明,转速3300~3900 r/min,转子吸力面涡度由5960 s-1上升至7155 s-1,转子入口圆周涡度由6142 s-1上升至7597 s-1,这种提升表现为高涡度区沿压力面方向和入口圆周方向扩张;转速为3300 r/min下反应器噪声沿反应器内部环形流动方向,其噪声叶频脉动幅值经历了增长—稳定—降低3个阶段,其中,在蜗舌和流体出口位置,P8至P1的噪声叶频及其多阶谐频幅值均有不同程度降低;剧烈的空化致使出口位置空化诱导噪声的幅值不增反降,最终表现为出口位置噪声叶频及其多阶谐频幅值的降低,这是由于强空化状态下超空泡周期性溃灭量小于弱空化状态,空化气泡长期存在而非周期性溃灭。

基于水力空化技术实现杀菌的实验研究

为了验证水力空化杀菌的可行性,本文搭建了基于旋转空化器的水力空化实验系统,研究入口压力和空化发生温度对大肠杆菌的杀菌效果。研究结果表明,当入口压力在-0.02 MPa至-0.05 MPa之间变化时,其对杀菌效果影响并不大;但空化发生温度却显著影响杀菌效果,当空化发生温度为60℃时,大肠杆菌全部灭活。

旋转式水力空化发生器空化特性的试验研究

为了分析新型旋转式水力空化发生器的运行特性,采用试验测试的方法研究了其在不同工况下的输送性能、压力脉动、空泡分布及空化产热等特性.结果表明:旋转式水力空化发生器在设计工况附近具有较好的输送能力;随着流量的增大,压力脉动主频由叶频向孔口频率移动,空化区域扩大,空泡含气率和空化产热逐渐增加;随着进口压力的降低,压力脉动主频由孔口频率向低频段移动,且宽频特性增强,空泡含气率基本不变,空化产热先增加后保持不变;随着转速的增大,压力脉动主频由孔口频率向低频段移动,且离散脉动特性增强,空化区域扩大,空泡含气率和空化产热逐渐增加;在转轮外缘直叶片周期性地诱导产生大空泡团,在一个周期内空泡团发生两次明显脱落,期间伴随着小空泡团连续性脱落;旋转式水力空化发生器可以降解亚甲基蓝,具有良好的空化能力.

离心泵内空泡演化与其对振动的影响

对不同流量下离心泵内稳态及旋转空化进行了可视化研究,获得了不同汽蚀余量下空泡团形态,同时对泵体振动进行了测量,分析了泵体振动与空泡团形态之间的关系。试验结果表明:压力面上发生空化将加剧振动,尤其是发生超空化后更加显著。多数情况下吸力面上空泡团较薄,且吸力面发生空化对振动影响相对压力面较小。旋转空化发生后振动减弱,处于正对位置的流道内空泡团形态基本相同,空泡团脱落频率约为27 Hz,压力面出现稳定空化后振动开始回升。