几种特种测试技术在流体机械内流场测试中的应用

介绍了现代流动测试技术的特点、发展趋势及本课题组在流体动力设备研发方面的应用研究工作。主要工作有:热线风速仪技术(HWA)用于离心压缩机扩压器流场测试研究、用于湍流边界层的减阻控制研究;粒子图像速度场仪技术(PIV)用于叶轮机械动静相干非定常流场的研究、用于管道内横向射流的研究;激光多普勒测速仪技术(LDV)用于风机叶轮流场的测试研究等。

流体机械及压缩机技术的现状与发展

流体机械在国民经济、人民生活以及国防工业中有着十分重要的作用。20世纪下半叶,伴随着材料、机械加工、信息与控制、测试等工业和相关技术的进步,流体机械得到了快速发展。总结历史、放眼未来,探索21世纪流体机械技术的发展,用以促进流体机械及相关产业的技术进步。

离心叶轮机械内部流动的研究进展

随着测量技术及数值算法的不断进步,叶轮机械内部流动研究有了很多新的进展.本文就半个世纪以来离心叶轮机械内部流动的实验及数值模拟研究进行了评述,根据作者掌握的文献,着重在以下几方面展开综述:叶轮内部流动、叶顶间隙泄漏流动、扩压器内部流动及叶轮与扩压器相互作用的非稳态流动等等.文中分别阐述了国内外学者在上述流动研究方面的主要成果,指出了这些研究的特点及其不足,分析了我国在这些领域与国际水平的差距,并结合作者自己的研究工作对离心叶轮机械内流研究提出了建议.

RNG κ-ε模式在工程湍流数值计算中的应用

自Yakhot和Orszag提出RNG k-ε湍流模式以来,很多学者对其进行了修正和发展,并将其应用于某些实际湍流问题的数值模拟,取得了一些与实验近似一致的结果。本文主要从工程湍流计算的角度出发,结合作者的部分研究工作,对近年来RNG k-ε模式在湍流流动数值研究中的应用现状及进展情况进行了总结,指出了该模式存在的问题,并对其应用前景进行了展望。

粒子图像速度场仪用于叶轮机械内流测量的研究

介绍国内外利用粒子图像速度场仪（PIV）对叶轮机械内部复杂流动测量的研究进展,分析了针对叶轮机械内流测量的二维PIV系统的特点,并概括了目前在叶轮机械测量方面已取得的研究成果,最后预期了PIV技术未来的发展方向。

压缩机通用型线结构建模与动力学特性分析

涡旋制冷压缩机的结构建模与动力学特性分析是提高压缩机整机性能的有效途径。取泛函通用涡旋型线的特殊涡旋型线对其研究,利用MATLAB软件编程,得到关于切向角参数的相应空间坐标,接着利用PRO/ENGINEER软件对部件进行三维建模,然后在PRO/ENGINEER的ASSEMBLY模块下进行装配,在设定的变频与定频两种驱动模式下对机构模块进行动力学特性分析,得出压缩机在两种驱动模式下的特点以及对两种模式工况差异的原因,此研究对其提高制冷压缩机的整机性能有其重大意义。

近床面风沙流的颗粒拟流体大涡模拟分析

通过气相大涡模拟与基于颗粒动理学理论的颗粒相湍流拟流体模型进行耦合,对近床面风沙气固两相三维运动进行了数值计算。相同来流风速下,对跃移层内沙相速度、沙相浓度及沙粒脉动均方根速度沿近床面高度变化进行了统计分析,对比了模拟参数结果与相关实验值之间的差异。结果表明:所建计算模型能较好地揭示近床面风沙流特性,低沙相浓度运动模拟中2种曵力系数模型计算得到的各个宏观参数统计量趋于一致;跃移层内沙相平均流向速度随近床面高度的增加呈递增趋势,沙相浓度随近床面高度的增加呈递减趋势,沙相流向脉动均方根速度在跃移底层呈现单一峰值状。模拟结果获得了与相关实验结论相类似的变化规律,得出准确选取沙粒碰撞弹性恢复系数是准确揭示沙相速度脉动强弱的关键。

三维流体诱发振动的理论模型与数值模拟

建立了三维流体诱发振动的理论及数值模型,采用任意拉格朗日-欧拉框架下的三维非定常Navier-Stokes方程组及波动方程组,分别描述了流体的流动及结构振动．流动及振动控制方程组分别采用基于非结构化运动网格上的有限体积法和有限差分法求解．对刚性、受限振动及自由振动的三维圆柱体进行了数值计算．结果表明:圆柱的自由振动基本上为Strouhal型涡诱发振动,即每个截面按“8”字型轨迹运动,且横向振幅远大于流向振幅,计算结果与现有的实验及数值解吻合较好．首次采用流体诱发振动模型对极限环振动模式进行了定量分析,发现在圆柱中间截面附近高频气动力对振动起阻尼作用,而在端面附近气动力与位移间的稳定相位差对振动起激励作用．

耗散粒子动力学在流动数值模拟中的应用

对耗散粒子动力学方法在流动问题中的应用进行了理论及数值研究,给出了耗散流体粒子运动的控制方程组、边界条件、数值方法及随机数据统计方法等.提出用固壁粒子层结合流体粒子反弹运动的方法来处理固壁边界有滑移流动边界条件,有效地消除了目前耗散粒子动力学及分子动力学模型在固壁附近的粒子密度波动问题.利用该方法编程计算了2类流动问题:方腔驱动流动与泊肃叶流动,计算结果与现有的理论及数值结果比较吻合,验证了所采用的数学模型、计算方法在流动数值模拟中的可行性及潜在优势.

等厚薄板翼型的气动力特性研究

本文从吹风实验及数据分析两方面来研究等厚薄板翼型的气动力特性。在实验中对单园弧、双圆弧、抛物线三种类型的薄板翼型进行了孤立翼型的吹风试验，得出了各翼型升力系数，阻力系数随冲角变化的结果。然后利用非交错网格下的ＳＩＭＰＬＥ方法，计算了等厚薄板翼型流场，计算结果和实验结果吻合较好。

金属丝网毛细特性的孔隙尺度数值分析

金属丝网多孔材料由于其孔隙可控、高比表面积、高强度和价格低廉的特点,在过滤、催化、高效换热以及防爆领域引起广泛关注。为表征其毛细特性,测量了四种不同规格的铜丝网几何尺寸,并建立了平纹方形编织金属丝网的单元孔隙结构模型。分析了丝径、孔径对孔隙率、比表面积、渗透率的影响。研究发现:Kozeny-Carman公式可以较好预测低流速(小于0.01 m/s)下的金属丝网渗透率关系,其中几何因子与丝网网径成对数关系。流速大于0.01 m/s时,惯性效应的影响不能忽略,通过Forchheimer公式得到Darcy渗透系数和非Darcy渗透系数,并根据类Kozeny模型修正了渗透系数与孔隙率和丝径的关系。研究得到了平纹编织丝网几何结构与毛细特性的拟合关系,为吸液蒸发用金属丝网提供了设计依据。

循环水泵叶轮腐蚀原因分析及处理建议

煤化工项目均配套有循环水系统,循环水水泵运行5年后对水泵叶轮进行检查,发现叶轮有腐蚀现象,严重的有腐蚀穿透现象。本文对叶轮腐蚀情况进行分析,认为腐蚀是由叶轮表面磨损、汽蚀、结垢腐蚀等共同作用下造成的。对叶轮进行处理后,泵电流明显下降,解决了循环水泵运行期间叶轮腐蚀问题,对保护设备起到了积极的作用。

垂直均匀射流下CPU散热器换热性能的数值分析

对垂直射流下CPU散热器的流场及温度场进行了数值模拟,得到了CPU散热器流场及温度场的分布规律,指出近底面肋片间存在回流区,明显影响传热。分析了CPU散热器在射流时不同情况下的散热性能,计算所得数据有助于CPU散热器的设计与改进。

散热对无油涡旋空气压缩机性能影响的实验研究

针对小型家用制氧机用无油涡旋空气压缩机,分析了散热对压缩机各方面性能的影响机理,对研制样机进行了3种不同冷却方式下的实验研究.研究结果表明:散热是影响无油涡旋空气压缩机性能的一个重要因素;随着排气压力的升高,排气温度升高,容积效率下降,电功率升高;自然冷却方式下压缩机的性能最差,额定排气压力下压缩机的容积效率仅为20%,而动盘强制冷却的效果最好,静盘强制冷却的效果介于两者之间,因此动盘背面的强制冷却是无油涡旋空气压缩机设计的首要考虑因素.

低温余热回收用涡旋膨胀机性能模拟研究

采用R123为循环工质,建立了应用于低温余热回收系统中涡旋膨胀机工作过程的数学模型,分析了吸、排气损失和泄漏、传热对涡旋膨胀机工作过程的影响.结果表明:涡旋膨胀机实际工作过程与理论过程存在偏差,吸气和排气过程存在压力损失,整个过程中伴随着泄漏与热传递;膨胀腔内工质的质量在吸气结束时低于理论值,膨胀过程中工质的质量先减小再增大;实际输气量和输出功率随转速的增加而增大,但增加量随转速的增加而减小;容积效率随转速的增加而增大;降低径向和轴向间隙可以提高膨胀机的容积效率.

谱元法和高阶时间分裂法求解方腔顶盖驱动流

详细推导了谱元方法的具体计算公式和时间分裂法的具体计算过程 ;对一般的时间分裂法进行了改进 ,即对非线性步分别用 3阶 Adams-Bashforth方法和 4阶显式 Runge-Kutta法 ,粘性步采用 3阶隐式 Adams-Moulton形式 ,提高了时间方向的离散精度 ,同时还改进了压力边界条件 ,采用 3阶的压力边界条件 ;利用改进的时间分裂方法分解不可压缩 Navier-Stokes方程 ,并结合谱元法计算了移动顶盖方腔驱动流 ,提高了方法可以计算的 Re数 ,缩短了达到收敛的时间 ,并将结果与基准解进行比较 ;分析了移动顶盖方腔驱动流中 Re数对流场分布的影响。

小型低温余热发电系统膨胀机输出特性试验研究

依据有机朗肯循环原理,采用R123作为循环工质、涡旋膨胀机作为能量回收机械,建立了小型低温余热发电试验系统,分析了相同热源入口温度和流量、不同工质流量的两种工况下膨胀机转速对系统性能的影响.结果表明:涡旋膨胀机的吸气压力和吸气温度随转速的增加而降低,排气压力和排气温度随转速的增加而增加;系统发电功率和系统热电效率随着转速的增加而降低;涡旋膨胀机的容积效率随着转速的增加而增加.两种工况下系统最大发电功率分别为0.66kW和0.62kW,最大系统热电效率均为2.1%,容积效率变化范围分别为38.5%～56.5%和39.7%～60.0%.

离心风机气动声学分析的一个理论模型和计算方法

通过求解具有延迟时间、包含三维流速影响的非齐次波动方程,得到了离心叶轮气动声学的基本方程.对气动声源的分析表明,在离心风机的气动噪声中,起主要影响作用的是偶极子和四极子声源,而流动过程中产生的涡是最主要的四极子源.提出了一种用于分析离心风机气动噪声的声学模型,即忽略蜗壳进、出口声学软边界的影响,将蜗壳简化为一个封闭的声学硬边界柱壳,并推出了柱壳腔体内的格林函数.利用该函数对离心风机内部由旋转叶轮产生的气动声场进行了时域求解并给出了理论解方程.在计算出离心风机内部的三维非稳定流场之后,利用本文模型和理论解方程就可求出与该流场相对应的气动声场.

圆柱绕流涡系演变的DPIV测试

利用数字式PIV技术在阵风环境风洞中对Re=500时的圆柱绕流进行测量,给出了圆柱后2.2倍直径、圆柱两侧各一倍直径的区域内一系列瞬态的速度矢量场、涡量场和流线图。根据可视化图像和量化结果,着重分析了该区域的涡系结构和一个拟周期内旋涡的发展演化过程。

湍流冲击射流流动与传热的数值研究进展

湍流冲击射流由于其冲击表面时具有很高的局部传热率和冲击力，被广泛应用于如表面的加热、电子元件的冷却、纸张的干燥和材料的切割等工程应用和工业过程中．由于其流动的复杂性，也常被作为一种理想的测试实例来评价湍流模型的性能．此外，湍升力射流与地面之间的空气动力作用对Ｖ／ＳＴＯＬ（垂直或短距离起落）飞机的性能具有很大的影响．长期以来，人们从理论分析、实验测量和数值模拟方面对冲击射流进行了广泛而系统的研究，积累了丰富的资料．本文在分析了湍流冲击射流的数值研究现状的基础上，对近年来有关湍流冲击射流流动与传热的数值研究方面的文献有选择地进行了综述，重点评述了不同湍流模型对冲击射流流动与传热的预测能力，讨论了存在的问题并对该领域今后的研究方向进行了展望．