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。

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。

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。

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。

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。

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。

基于Fluent亥姆霍兹自振空化喷嘴流场的数值模拟

根据Fluent流体计算软件和亥姆霍兹自振空化喷嘴内流场的特点,基于流体力学的基本理论,对不同结构尺寸的亥姆霍兹型自振空化喷嘴进行了模拟研究。通过数值模拟计算,得到了各个亥姆霍兹型自振空化喷嘴流场内速度与压力分布云图及轴线的速度压力分布曲线等。模拟结果表明,在射流进入振荡腔后产生了明显的负压区,当压力低于液体的饱和蒸气压时,空化气泡产生;在自振空化喷嘴的扩张段处存在速度的最大值,并且随着腔长的增加,扩张段处速度最大值减小。在特定的参数下(入口直径d_1=3.4mm,振荡腔直径D_c=15mm,扩张段扩张角α_2=60°),振荡腔长度L_c=3mm,撞击角α_1=180°,出口直径d_2=4mm时,喷嘴内部产生较强的空化作用。

中心体空化喷嘴全尺寸结构优化研究

为提高油罐清洗除锈效率和安全性,拓展空化水射流技术的应用场合,设计了一种用锥形喷嘴与90°锥形柱体镶嵌而成的新型中心体空化喷嘴。通过Fluent软件,采用无量纲量,针对不同喷嘴出口段圆柱长度、外喷嘴直径、中心体直径以及内嵌深度参数组合的多种工况进行数值模拟,重点对射流流场的压力分布和气含率分布进行了对比分析,研究表明:所设计的喷嘴射流绕流能够有效产生空化,空化区域主要存在于90°锥形柱体末端附近;含90°锥形柱体中心体空化喷嘴结构的四大参数(L、D、d、l)必须相互配合,在l/d=1附近、L/D=1.5~2.5、D/l=2~2.5能够产生较好的空化效果。

基于正交试验的角形空化喷嘴优化设计

空化射流应用逐渐广泛,空化喷嘴作为空化射流最重要的元件,对空化喷嘴的空化性能的优化至关重要.采用正交试验方法对角型空化喷嘴结构参数进行优化.基于L_(16)(4^(5))的正交表,选取喷嘴入口直径,圆柱段直径,圆柱段长度,扩散段长度和扩散角5个参数制定出16组试验方案.通过数值模拟分析每组试验方案的流场情况,以最大速度为参考标准,通过极差分析得到这5个参数对角形喷嘴产生空化的影响顺序,且得到一组最优的喷嘴结构参数.通过Fluent模拟入口压力对最优喷嘴的空化性能的影响.结果表明入口压力越大,则空化程度越显著.

人工淹没空化喷嘴的性能研究

利用FLUENT软件对角形喷嘴在淹没环境下的流场进行数值模拟,以含气率和气相体积作为判断喷嘴产生空化效果的依据,通过分析入口压力、扩张角大小、喉管直径设计了最优角形喷嘴结构,并在角形喷嘴基础上设计了一种人工淹没空化喷嘴。研究表明,高压水射流在人工营造的淹没环境下,射流边界产生显著的空化效应,并能维持到大气环境中。

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。

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.

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。

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。

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.

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。

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。