High Speed Observation of Periodic Cavity Behavior in a Convergent-Divergent Nozzle for Cavitating Water Jet

Cloud cavitation shows an unsteady periodic tendency under a certain flow condition. In a cavitating water jet flow with cavitation clouds, the cavities or the clouds produce high impact at their collapse. In order to make clear a mechanism of the periodic cavity behavior, we experimentally examine the behavior in a transparent cylindrical convergent-divergent nozzle using a high-speed video camera. An effect of upstream pressure fluctuation due to a plunger pump is investigated from a viewpoint of unsteady behavior in a cavitating water jet. As a result, it is found that the cavitating flow has two kinds of oscillation patterns in the cavity length (cavitation cloud region). One is due to the upstream pressure fluctuation caused by the plunger pump. The other is much shorter periodic motion related to the characteristic oscillation of cavitation clouds accompanied with the shrinking (reentrant), growing and shedding motion of the clouds.

基于5 kHz平面激光诱导荧光的射流火焰局部熄火时空特性分析

基于高频光学测量手段研究射流火焰局部熄火的分布特性,对于分析燃烧场不稳定性机理有重要意义。建立5 kHz的平面激光诱导荧光测量系统,对高速射流火焰开展实验研究,并获得火焰结构的动态发展过程;将双边滤波、竖直滑窗局部自适应阈值等图像处理方法引入平面激光诱导荧光图像的预处理,在局部断裂结构数量特征的基础上,提取局部断裂结构长度和空间位置等特征;基于上述特征深入解析局部熄火的时空分布特性,进一步完善高频平面激光诱导荧光诊断与分析方法。研究表明:双边滤波算法处理后,图像峰值信噪比为34.3 dB,结构相似度为0.93,噪声水平显著降低,获得了较好的去噪效果;使用竖直滑窗局部自适应方法进行图像分割的F1分数达到93.30%;断裂结构累计数量随时间线性增加,当射流马赫数由0.5增至1.6时,单侧图像断裂结构的每秒累计数量从790.7增至9 217.2,并且局部熄火频率与射流马赫数呈指数关系;断裂结构主要分布区域为火焰臂及上侧中央燃料区。本研究进一步拓展了高频平面激光诱导荧光技术的应用能力,证明了高频平面激光诱导荧光技术用于局部熄火时空分布特性研究的可行性。

MILD粉体燃烧技术研究进展与关键问题分析

MILD燃烧是一种在中度或极度低氧环境下发生的温和燃烧模式,兼具高燃烧热利用率和极低NOx排放的优势,国际燃烧领域认为它是拥有巨大应用潜力的清洁燃烧技术之一。自1990年左右开展相关研究以来,对于实现气体燃料的MILD燃烧的相关技术已相对成熟,而关于煤粉和生物质等固体燃料的MILD燃烧机制和实现条件的研究仍相对缺乏。基于高动量氧化剂射流来实现内部再循环,不再需要外部高温预热来建立MILD燃烧,极大拓宽了MILD燃烧的应用范围。从颗粒弥散、受热、着火、燃烧、污染物等方面概述了MILD粉体燃料燃烧的基础特性,由于颗粒的不均匀弥散和反应,煤粉等碳基固体燃料的MILD燃烧进程较气体燃料更复杂。高速射流MILD燃烧在增加点火延迟的同时也扩展了点火区和反应区,需要对燃烧各阶段的特征和机理开展系统研究。介绍了固体燃料MILD燃烧理论设计和装备研发领域所取得的研究成果,建议通过高精度数值模拟,改进现有燃煤锅炉燃烧器、调节工艺参数以匹配MILD燃烧模式,增加焦炭颗粒的停留时间以提高燃烬率,提高燃烧稳定性并抑制包括细颗粒物在内的各类污染物排放。基于互联能源系统的整体方法,推进MILD燃烧与各类新型燃烧技术的耦合研究,尤其加强煤粉、生物质与氢、氨等可燃气体共燃特性研究,助力能源转型。探究粉体MILD燃烧中的湍流两相流特征、湍流相间传热作用以及湍流-化学耦合作用是加深对粉体MILD燃烧理解的关键,涉及多变量分析和高精度模拟,是未来研究的重点和难点。

气体射流冲击噪声的工程计算与仿真

气体射流冲击广泛存在于工业领域之中,气体射流冲击噪声不仅污染环境,还对身心健康产生影响。针对气体射流冲击噪声缺乏工程计算依据的问题,文章对气体射流冲击进行声压能分析,结合气体射流冲击噪声产生机理,对气体射流冲击噪声进行公式化推导,形成工程计算公式。在典型气速下,通过有限元仿真验证计算公式的有效性,结果可为气体射流冲击噪声仿真、工程应用提供依据。

矩形射流激波啸叫机理实验研究

为了解超声速欠膨胀射流激波啸叫噪声的产生机理,基于宽高比10∶1的矩形收缩喷管射流模拟实验装置,采用远场噪声测试及近场流动纹影测量相结合的方法,研究了超声速射流激波格栅结构的非定常运动规律,及其与大尺度旋涡相互作用产生啸叫噪声的过程。实验结果表明不同方位激波啸叫噪声的产生机制存在差异,射流上游和侧边方向的激波啸叫主要是由大尺度旋涡与激波格栅尖梢相互作用而形成的弧形脉冲声波,而下游方向的激波啸叫噪声主要由马赫波辐射引起。实验探究了超声速射流激波格栅结构的非定常运动激发激波啸叫弧形脉冲波的过程,并采用高斯调制的弧形脉冲序列对激波啸叫噪声进行模拟。结果表明,激波啸叫弧形脉冲声波的离散性质以及多声源机制会导致高阶激波啸叫噪声的产生。

分级空气高速射流对煤掺氨燃烧中氨预分解与NO_(x)生成影响

氨作为零碳清洁燃料,对碳减排有重要作用,但其燃烧过程中NO_(x)生成倾向大。针对煤掺氨燃烧NO_(x)生成控制问题,以某50 kW一维试验炉系统所用旋流燃烧器为原型,提出一种内置高速空气射流阵列结构的新型煤掺氨旋流燃烧器结构,以实现炉内氨预分解后燃烧和分级燃烧。进一步用CFD燃烧数值模拟探究空气分级比、过量空气系数及氨燃料喷口尺寸对氨煤掺烧火焰结构及NO_(x)排放影响,优化新型燃烧器结构及运行参数。结果表明,相比于原型燃烧器,采用空间分散高速三次风射流会导致燃烧区域滞后,加深空气分级,减小主燃烧区域局部过量空气系数,抑制氨过度氧化形成NO_(x),也降低火焰温度峰值,利于抑制热力型NO_(x)产生。同时通过调控总过量空气系数使氨热解发生区域沿炉膛轴向逐渐延伸,火焰前部高温欠氧区增大,促进氨受热预分解为N_(2)和H 2,进一步减少氨中燃料氮直接转化形成NO_(x)。空气分级比20∶22∶58时,NO_(x)生成体积分数由原燃烧器的3309×10^(-6)降至新型燃烧器的1069×10^(-6),降幅达67.69%。增大过量空气系数,或过量空气系数不变、控制一次风率不变而增大三次风率将促进上述效应,进一步减少NO生成。氨管内径变化范围仅考虑5~9 mm,氨喷射速度和分散高速三次风带来的协同效应有待进一步研究。

高速催泪射流轨迹分析及抗风性能实验研究

目的探究高速催泪射流轨迹和外界风环境对催泪剂着靶性能的影响。方法通过搭建高速射流瞬态采集和抗风性能测试平台,系统研究射流动态特征及抗风性能,并与现行单警催泪喷射器进行对比。结果高速催泪喷射器射流初始直径达5.5mm,呈较为规整的柱状,初始速度达138.9m/s。在1m处,射流中心仍有明显的集束状,周围出现空泡现象,速度降为88.3 m/s。在3 m处,射流轨迹呈发散的胶丝状,速度降为42.9 m/s。单警催泪喷射器射流在0.2、1、3 m处的速度分别为7.9、20.7、7.5 m/s,射流在前进过程中逐渐分散成小颗粒状的液珠,并在3 m处出现整体轨迹向下偏移。在抗风性能上,使用模拟人体上躯干600mm×900mm靶标(瞄准脸部),在0~4级侧向风作用下,高速催泪喷射器射流的着靶率为85.2%~57.4%,中心侧向偏移小于10cm,而单警催泪喷射器射流着靶率为78.8%~4.2%,中心侧向偏移超过20cm。结论相比单警催泪喷射器,高速催泪喷射器的射流轨迹具有良好的集束性和定向性,射流速度整体更高,同时在抗风性能方面也具有明显优势。另外,射流轨迹特征对其抗风稳定性起到了关键作用。

液体射流撞壁液膜表面波形成演变机理及其影响

为揭示液体火箭发动机推力室内撞壁液膜形成演变机理,并优化液膜冷却设计,采用高速摄像技术实验研究了液体射流撞壁液膜表面波特征,考察了射流雷诺数(1255<Re<14116,1.6 m/s<u<18 m/s)和撞击距离L/d=30,60和90(d为喷嘴直径)对表面波频率、波间距及液滴飞溅的影响。结果表明,撞击点附近主要存在由射流动能引起的撞击波,高Re下液膜表面波前缘横向弯曲变形,呈现不规则锯齿状。当1960<Re<3920时,随Re的增加液膜表面波主频增大,频谱分布范围变宽。自撞击点向下游运动过程中波的主频、波速和波间距均不断减小。当撞击距离大于射流破碎长度,射流撞壁转变成连续液滴撞壁。对于连续液滴撞壁和高Re射流撞壁,表面波边缘沿壁面法线方向形成冠状薄膜,由于惯性力和表面张力的作用,薄膜破碎拉丝形成液滴,液滴溅射率随撞击距离的增加而增大。本文揭示了液膜撞击点附近大尺度波主要由射流表面扰动引起,并阐明了大部分飞溅液滴由表面波边缘薄液膜的破碎产生。

应用Fluent软件对高速催泪弹射流仿真研究

当在公共场所一线执法或者执勤人员周边6~10 m内发生暴力袭击时,亟需一种可以直接作用在单体目标又不会产生过度伤害的“非致命性”武器弹药高速催泪弹。为达到刺激性液体喷射6~10 m的距离,通过Fluent软件对高速催泪弹喷嘴喷射刺激性液体射流的外弹道特征进行数值模拟仿真研究,制备高速催泪弹进行喷射性能试验。试验结果表明高速催泪弹喷射距离达到使用要求,与数值模拟仿真结果一致。高速催泪弹仿真研究与试验达到了近距离拒止、抓捕、制伏暴乱分子的目的,也为该类型的非致命液体射流定向能弹药的研发提供依据。

高速铁路动车组主断路器转换阀射流噪声模拟分析及其降噪措施

[目的]高速铁路动车组主断路器转换阀的射流噪声非常高,严重影响了旅客的乘坐舒适性,因此有必要研究有效的降噪措施。[方法]进行了转换阀射流噪声的现场试验,测得其噪声高达96 dB,且呈现明显的间歇性与脉冲性。采用大涡模拟方法建立了转换阀射流噪声仿真数学模型,选取四种不同形状的喷口,计算得到了这四种喷口的流场速度云图。将射流流场计算结果导入LMS.Virtual.Lab软件,采用声学边界元方法模拟计算这四种喷口的射流声场,并将计算得到的四种喷口1/3倍频程频谱的模拟值与试验实测值进行对比。选取了既有的四种工业消声器,以及研发的新型结构复合材料消声器,对转换阀的降噪效果进行测试。[结果及结论]转换阀因断开主断路器而产生射流噪声。转换阀射流噪声与排气口形状密切相关,射流噪声为中高频噪声。五种消声器均能显著降低转换阀射流噪声,新型结构复合材料消声器的降噪效果最好,其降噪量可达20 dB。

高速射流的瞬态速度及冲击力采集研究

高速催泪射流作为新型武器装备在反恐、治安以及个人防护等公共安全领域具有广阔的应用前景,然而针对高速射流装备的瞬态评估的研究还不足。因此,本文搭建了高速射流的瞬态采集系统,其主要由高速摄像系统和动态力采集系统构成,在此基础上,探究了高速射流近距离的瞬态速度和冲击力,实验结果表明,高速射流在发射装置口处呈圆柱形集束传递,轨迹直径递增,出口速度可达98 m/s,瞬态冲击力持续4 ms,发射口处的冲击力峰值达到460 N,本研究为高速射流装备的效能评估奠定了基础。

湖南衡阳“4.04”强下击暴流预警关键点及环境条件分析

2023年4月4日下午湖南衡阳出现一次强下击暴流过程(简称“4.04”强下击暴流),造成严重灾害。利用常规气象观测、多普勒天气雷达、NCEP1°×1°再分析等资料对该过程极端大风的预警关键点与环境条件进行分析。结果表明:(1)“4.04”强下击暴流发生在“斜压锋生类”天气系统配置下,地面冷锋提供了触发条件。探空曲线上干下湿特征明显、大气对流参数及订正后的对流有效位能表现出明显的不稳定特征,垂直风切变强,利于极端大风发生。(2)中尺度对流系统(MCSs)弓状回波扫过衡阳,造成区域性下击暴流;极端大风发生在对应风暴单体快速移动时,最大反射率因子达60 dBz,垂直积分液态水含量及质心高度快速下降;反射率因子具有明显倾斜结构,弓状回波、后侧入流急流、径向速度模糊特征明显;低仰角“非对称速度大值区”和“速度对纯辐散”是极端大风预警关键点。(3)强下击暴流发生在斜压锋生类天气系统配置下,地面冷锋提供了触发条件。探空曲线上干下湿特征明显、大气对流参数及订正后的对流有效位能表现出明显的不稳定特征,垂直风切变强,利于极端大风发生。(4)强下击暴流对流潜势明显,低层水汽通量辐合强、比湿大;具备一定的热力不稳定及垂直上升运动条件,且有低层辐合、高层辐散与之配合;冷空气对本次过程发生发展起到了重要作用。

煤矿综采面降尘装置的设计及对比应用研究

为降低采煤机周围的粉尘浓度,提高综采面粉尘治理效果,通过分析降尘机理,优化设计一种高速水射流负压降尘除尘装置,现场安装该装置后,在采煤机采煤中,采煤机周围的全尘土、吸尘降尘率在60%~80%间,且对采煤机滚筒处的扬尘有很大的抑制效果,明显降低滚筒前方的粉尘浓度,隔离刮板输送机和采煤机摇臂间的粉尘向人行道扩散,降低综采面粉尘浓度。

高压喷射注浆技术用于高铁桥梁纠偏的可行性分析

我国高铁在长期运营过程中,受周边环境变化及人类工程活动等多种因素影响,部分线路桥梁地段出现了较大的横向偏移,严重影响列车正常安全运营,亟需进行纠偏整治。在分析高压喷射注浆桥梁纠偏原理基础上,建立桥梁纠偏理论计算模型,基于弹性地基梁理论,推导高压喷射注浆纠偏情况下,基桩挠度、转角、弯矩和剪力的微分方程,以及桥墩顶部位移计算解析式;通过对比桥墩顶部位移计算值与线路实际偏移量,分析高压喷射注浆技术用于桥梁纠偏的可行性,并以现场典型工程案例纠偏效果进行验证。研究结果表明:桥墩顶部位移与地层土体地基系数和高压喷射注浆产生的超孔隙水压力有关,当土体地基系数和超孔隙水压力分别取1 MPa/m和80.3 kPa时,桥墩顶部的理论计算位移为81.8 mm,远大于常见运营高铁无砟轨道线路实际偏移量;采用某高铁松江特大桥桥梁纠偏工程中,现场实测超孔隙水压力均值30.4 kPa计算的桥墩顶部位移为6.4~31.0 mm,其均值也大于线路最大偏移量18.2 mm,表明高压喷射注浆技术用于桥梁纠偏理论上可行;纠偏完成后桥梁及轨道结构状态稳定,线路线形平顺,恢复常速运营多年未见异常,理论和实践证明采用高压喷射注浆方式进行桥梁纠偏是一项切实可行的技术措施。

高速射流煤粉MILD燃烧的研究进展

开发清洁高效的煤粉燃烧技术是应对我国乃至世界范围内日益严峻的环境污染问题的重要途径,煤粉低氧稀释(MILD)燃烧技术凭借其降低NOx排放、提高热流密度均匀性等优势而被视为颇具潜力的新型燃烧方式。同时,煤粉MILD技术结合富氧燃烧技术将是未来煤炭利用过程中减少碳排放的重要方向。综述了国内外煤粉MILD燃烧的发展历程、技术特点、研究现状等,并重点针对低温预热条件下的高速射流煤粉MILD燃烧技术探讨了研究中的关键问题和研究挑战等。煤粉MILD燃烧起源于气体燃料MILD燃烧,通过增强流场对高温烟气的卷吸并稀释反应物,使高温的火焰锋面模糊甚至消失,降低燃烧峰值温度并提升温度分布的均匀性,进而显著抑制了热力型NOx和燃料型NOx的生成。煤粉MILD燃烧可通过高温预热空气或提高射流速度实现,其中后者以其在经济性和可行性上的优势而更具发展前景,然而在速度达到100 m/s左右的高速射流的强烈剪切、湍流混合条件下的煤粉MILD燃烧机理及特性研究仍有待深入开展。在高速射流强烈剪切及卷吸作用下,煤粉弥散行为与常规射流燃烧相比有明显差异,而煤粉的弥散程度又直接关系到能否实现MILD燃烧。此外,强湍流混合会改变煤粉的升温、脱挥发分、焦炭燃烧等过程,进而影响着火延迟、火焰结构和污染物生成等煤粉燃烧过程中的关键问题。基于对上述关键问题的深入了解并结合气体燃料MILD燃烧的相关研究基础,可进一步发展针对煤粉MILD燃烧的系统、准确的定义,以更好地指导煤粉MILD燃烧技术的研究与应用。

近刚性壁面异相双气泡耦合及射流增强效应研究

气泡广泛存在于自然界和工程应用中,由于其往往不是孤立存在的,在多气泡耦合作用下会出现更为复杂有趣的气泡动力学现象和射流行为.近刚性边界水下脉动气泡在坍塌过程中会产生朝向结构的高速射流,严重威胁结构的局部强度安全.通过多气泡耦合作用能够调控气泡的坍塌模式、射流方向和砰击速度,其中异相双气泡耦合作用下形成的射流增强效应有着广阔的应用前景.本文联合气泡动力学理论和边界积分法,建立了近刚性壁面异相双气泡非线性耦合数值模型,能够准确模拟气泡的初生、膨胀、坍塌和射流等动力学行为,并预报双气泡的耦合方式和坍塌模式,数值计算结果很好地再现了实验中的气泡动力学行为,验证了模型的有效性.然后,系统研究了较大参数空间内的双气泡耦合动力学行为,着重分析了射流增强效应,并借助压力场、速度场等信息揭示了其中的力学机理.研究发现,气泡延迟生成时间τ极大地影响了双气泡耦合射流增强程度,近壁面气泡的射流砰击速度随τ的增大先增大再减小,在τ=2附近达到极大值,并得到了有效的射流增强参数区间.旨在为多发水下爆炸武器的攻击策略及其它多气泡相关领域提供理论支撑.

荷电PLGA溶液稳定多股射流模式的破碎行为研究

基于高时空分辨率的高速摄像技术,通过精确记录聚乳酸-羟基乙酸共聚物(poly lactic-co-glycolic acid,PLGA)溶液静电雾化多股射流模式下射流破碎的显微形貌特征,研究了电导率、粘度、电场强度及无量纲体积流量对稳定多股射流破碎形态的影响及作用规律。研究结果表明:通过调节聚合物溶液的电导率,发现了曲张模式、鞭状射流模式及分枝射流模式这3种破碎形态的稳定多股射流,而粘度主要影响射流液丝的破碎。随着电场强度的上升,稳定多股射流的射流倾斜角增大,射流单锥液面向喷嘴尖端收缩,且液面的轮廓形状为凹面,而射流的破碎模式保持稳定。此外,无量纲体积流量的增加会增强射流径向扰动,射流直径也随之增大,且在稳定极限流量内,射流破碎长度随无量纲体积流量的增加而增大。

近场水下爆炸气泡与混凝土组合板相互作用的试验研究

混凝土组合板(作为水工结构中的基本构件)在水下近场爆炸作用下的响应特征及对气泡运动的影响规律,是评估水下爆炸对工程结构毁伤的关键科学问题。通过开展一系列钢筋混凝土板、钢-混凝土-钢组合板的水下爆炸试验,研究了不同爆距下气泡与两种类型板构件相互作用的动态过程。获得以下规律:长径比为1的柱形装药最大半径同经验公式计算结果一致;在相同壁面条件下,随着爆距的减小,气泡脉动周期增大,气泡逐渐被壁面吸附,脉动及高速射流造成的毁伤效果增强;在相同工况条件下,钢筋混凝土板对气泡脉动过程的影响弱于钢-混凝土-钢组合板,壁面刚度越大,高速射流方向性越显著、作用效果越强。

高速列车受电弓射流降噪仿真分析与风洞试验研究

针对高速列车行驶过程中受电弓区域产生的气动噪声问题,提出一种基于射流的主动降噪新方法。通过建立1∶30缩比受电弓空腔射流降噪装置模型,探究不同射流速度对空腔噪声的抑制效果。采用LES湍流模型和FW-H声学模型对受电弓空腔流场和声场进行求解,分析不同射流速度对湍动能、涡量、表面声功率级及远场噪声值的影响,得出来流马赫数M=0.117时的最优射流速度为40 m/s;在最优射速下,受电弓空腔表面最大声功率级降低了4.503 dB,远场噪声值在2.5 m接收点处降低1.43 dB,在8.333 m接收点处降低1.16 dB,达到降噪设计目标。在此基础上,进行1∶30缩比模型的风洞试验,测试受电弓空腔后壁面监测点的脉动压力,并对其进行傅里叶变换(FFT),得到300~5000 Hz范围内噪声频谱特性;在射速40 m/s下,后壁面中间、边缘监测点处总声压级分别减小0.53、0.49 dB。将仿真与试验数据进行对比,得出总声压级最大误差为3.54 dB,误差值占总声压级的2.4%,验证了气动噪声计算方法的准确性。

基于多目标优化的高速列车受电弓空腔射流降噪研究

为降低高速列车受电弓部位的气动噪声,对受电弓底部空腔采用射流降噪的主动控制方法。建立高速列车纯空腔射流参数化模型,选用合适的数值模拟方法对参数模型进行流场和声场的对比分析计算,在保证空腔后壁面阻力系数尽量小的情况下,得到使空腔远场降噪效果最佳的射流方式。根据射流设计变量与相关力系数、远场噪声等优化目标之间的非线性关系,选用支持向量回归-多目标遗传优化设计算法,对已有的数值计算样本进行多目标寻优设计,获得一系列Pareto最优射流方式。结果表明:空腔射流流量与流场、声场变化无明显线性关系,射流位置在空腔壁面偏上位置时降噪效果更好;受电弓空腔固有频率与声场峰值频率范围不同,避免了声腔共振的问题。研究空腔射流对受电弓的影响,发现受电弓弓头升力系数不受射流影响,并且降噪效果优于纯空腔射流,整体最多可降噪6.2 dB。