正置同轴旋转圆台环隙流场动力特性
发布时间：2021-12-11 05:38
实施色流显示试验和粒子图像测速（PIV）流场测速试验对环隙流场动力特性进行定性及定量分析,揭示内圆台转速和环隙宽度对环隙流动特性的影响.通过解析速度场获取环隙径向速度及涡量分布、时均流场、雷诺应力等关键流场信息,在泰勒涡演变周期性规律的定性认知基础上研究泰勒涡动力机制.试验结果表明:当环隙宽度不变时,随着内圆台转速增大泰勒涡演变周期缩短;当转速为9.38 r/min时,涡B1出现先分裂后又融合的特征,体现为环隙流场稳定性减弱;当转速为9.38～20.68 r/min时,静压力主导流动状态形成弧形向内流动趋势;当转速≥24.44 r/min时,环隙内形成弧形外向流动趋势,说明离心力主导当前流态;雷诺应力随转速增大而增大,且雷诺径向正应力>雷诺轴向正应力>雷诺切应力.当内圆台转速不变时,随着环隙宽度增大泰勒涡稳定性先增后减;各工况下环隙流态主要呈现弧形内向流动趋势,说明环隙流场中的静压力总是大于离心力.
【文章来源】：华中科技大学学报(自然科学版). 2020,48(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
试验方案
·90·华中科技大学学报(自然科学版)第48卷体会出现二次流动，形成等距排列对转的泰勒涡，而圆柱间的流态是由内外圆柱转速决定[1-2]．同轴旋转圆台环隙流动为同轴旋转圆柱环隙流动的扩展，同轴旋转圆台和圆柱在环隙流动特性上有很大不同[3]．同轴旋转圆柱的离心力沿着轴向方向均匀分布，而同轴旋转圆台的离心力则是沿着轴向线性变化，从而使得环隙内流动复杂多变[4-5]．同轴旋转圆台内外圆台间隙小而转速高时，具有反应空间小和高剪切力的特点，可以应用于旋转液膜反应器的设计[6]．此外，同轴旋转圆台环隙流动特性研究揭示的旋转流体湍流控制的有效途径，对于提升惯性约束核聚变成功率及旋转液膜反应器中纳米材料反应物掺混效率具有显著的工程意义[7-8]．就该领域而言，文献[9]指出内外圆台之间的环隙大小对装置内流动具有很大的影响，相同条件下环隙的尺寸影响最终形成的泰勒涡对数，环隙尺寸增加时泰勒涡对数减少．文献[10]指出自由液面会显著影响流场，环隙内流体是自由液面的情况与完全充满液体的情况相比，出现环形涡流的临界雷诺数较小．文献[11]对圆台环隙内流动进行了数值模拟和理论分析，计算了泰勒涡的雷诺数理论估算值．文献[12]采用粒子图像测速(PIV)技术对TC流场进行测量，获得各转速下流场信息，给出TC流中层流涡、波状涡、调制波状涡和湍流涡的旋转雷诺数范围．本研究提出通过色流显示及PIV流场测速试验以获取环隙流动细腻流场信息，研究不同内圆台转速及环隙宽度条件下的同轴旋转圆台环隙流动不稳定性触发条件、影响因素及控制途径，揭示环隙内泰勒涡运动的周期性规律，分析环隙流场特性并探明涡动力机制．1试验装置及方案试验设备主要包括铝框?
处理获得子午面流动速度矢量场及涡量分布．图3为环隙宽度14mm，内圆台转速5.63r/min工况下，环隙中轴线径向速度(U)在0～14s内的分布特征，h为水位高度．在环隙高度(0～1)d位置，随着时间变化其径向速度基本不变．在高度(1.0～2.5)d位置，0～4s时径向速度只有一个零点，代表该位置只存在一个反涡；在6s时刻，径向速度出现3个零点，说明该位置产生一对新涡；在8～14s内，该新涡对不断增长并向上移动．在高度2.5d以上位置，随着时间发展径向图30～14s内环隙中轴线径向速度分布特征速度变化曲线向上移动．以高度为4d位置的正极值点为例，可见0～6s内高度上移了约0.5d；由于在6s时刻产生新涡对，因此在8～14s内上移速度明显加快，高度上移了约0.8d．图4为d=14mm，5.63r/min工况下，子午面中轴线涡量(V)的分布特征(0～14s)．涡量分布与径向速度分布协调一致，在高度(0～1)d位置形成一个稳定的正涡，其涡量基本不变．在高度(1.0～2.5)d位置，6s时刻生成一个新涡对，因此出现两个涡量极值点；在8～14s内，涡量极值点不断上移，说明新涡对涡心不断向上移动．在高度2.5d以上位置，随着时间发展涡量变化曲线向上移动，且在新涡对产生以后其移动速度会加快．图4子午面中轴线涡量分布特征3子午面时均流场3.1内圆台转速对时均流场的影响通过对环隙内流场进行时均化处理得到时均流场()，从而分析环隙子午面流动趋势．图5为当环隙宽度为14.0mm时，不同内圆台转速下环隙子午图5不同内圆台转速下子午面时均流场(d=14mm)
【参考文献】：
期刊论文
[1]New development in near-wall PIV measurements[J]. Hui Hu,BoHua Sun. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2018(09)
[2]同轴旋转圆台环隙流动机制及实验研究[J]. 鲍锋,曾华轮,邹赫,刘锦生,刘志荣,朱睿. 北京航空航天大学学报. 2018(08)
[3]高雷诺数下多柱绕流特性研究[J]. 李聪洲,张新曙,胡晓峰,李巍,尤云祥. 力学学报. 2018(02)
[4]Taylor-Couette流场特性的PIV测量及数值模拟[J]. 冯俊杰,毛玉红,叶强,刘任泓,常青. 实验流体力学. 2016(02)
[5]Research on the underwater echo characteristics by hollow coaxial cylinder-cone assembled elastic shell[J]. WANG Zhen,WANG Zhongqiu,YU Yanting,XIANG Xu,YANG Qun. Instrumentation. 2015(02)
[6]不同半径比Taylor-Couette湍流的直接数值模拟研究[J]. 杜珩,阙夏,刘难生. 中国科学技术大学学报. 2014(09)
本文编号：3534104
【文章来源】：华中科技大学学报(自然科学版). 2020,48(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
试验方案
·90·华中科技大学学报(自然科学版)第48卷体会出现二次流动，形成等距排列对转的泰勒涡，而圆柱间的流态是由内外圆柱转速决定[1-2]．同轴旋转圆台环隙流动为同轴旋转圆柱环隙流动的扩展，同轴旋转圆台和圆柱在环隙流动特性上有很大不同[3]．同轴旋转圆柱的离心力沿着轴向方向均匀分布，而同轴旋转圆台的离心力则是沿着轴向线性变化，从而使得环隙内流动复杂多变[4-5]．同轴旋转圆台内外圆台间隙小而转速高时，具有反应空间小和高剪切力的特点，可以应用于旋转液膜反应器的设计[6]．此外，同轴旋转圆台环隙流动特性研究揭示的旋转流体湍流控制的有效途径，对于提升惯性约束核聚变成功率及旋转液膜反应器中纳米材料反应物掺混效率具有显著的工程意义[7-8]．就该领域而言，文献[9]指出内外圆台之间的环隙大小对装置内流动具有很大的影响，相同条件下环隙的尺寸影响最终形成的泰勒涡对数，环隙尺寸增加时泰勒涡对数减少．文献[10]指出自由液面会显著影响流场，环隙内流体是自由液面的情况与完全充满液体的情况相比，出现环形涡流的临界雷诺数较小．文献[11]对圆台环隙内流动进行了数值模拟和理论分析，计算了泰勒涡的雷诺数理论估算值．文献[12]采用粒子图像测速(PIV)技术对TC流场进行测量，获得各转速下流场信息，给出TC流中层流涡、波状涡、调制波状涡和湍流涡的旋转雷诺数范围．本研究提出通过色流显示及PIV流场测速试验以获取环隙流动细腻流场信息，研究不同内圆台转速及环隙宽度条件下的同轴旋转圆台环隙流动不稳定性触发条件、影响因素及控制途径，揭示环隙内泰勒涡运动的周期性规律，分析环隙流场特性并探明涡动力机制．1试验装置及方案试验设备主要包括铝框?
处理获得子午面流动速度矢量场及涡量分布．图3为环隙宽度14mm，内圆台转速5.63r/min工况下，环隙中轴线径向速度(U)在0～14s内的分布特征，h为水位高度．在环隙高度(0～1)d位置，随着时间变化其径向速度基本不变．在高度(1.0～2.5)d位置，0～4s时径向速度只有一个零点，代表该位置只存在一个反涡；在6s时刻，径向速度出现3个零点，说明该位置产生一对新涡；在8～14s内，该新涡对不断增长并向上移动．在高度2.5d以上位置，随着时间发展径向图30～14s内环隙中轴线径向速度分布特征速度变化曲线向上移动．以高度为4d位置的正极值点为例，可见0～6s内高度上移了约0.5d；由于在6s时刻产生新涡对，因此在8～14s内上移速度明显加快，高度上移了约0.8d．图4为d=14mm，5.63r/min工况下，子午面中轴线涡量(V)的分布特征(0～14s)．涡量分布与径向速度分布协调一致，在高度(0～1)d位置形成一个稳定的正涡，其涡量基本不变．在高度(1.0～2.5)d位置，6s时刻生成一个新涡对，因此出现两个涡量极值点；在8～14s内，涡量极值点不断上移，说明新涡对涡心不断向上移动．在高度2.5d以上位置，随着时间发展涡量变化曲线向上移动，且在新涡对产生以后其移动速度会加快．图4子午面中轴线涡量分布特征3子午面时均流场3.1内圆台转速对时均流场的影响通过对环隙内流场进行时均化处理得到时均流场()，从而分析环隙子午面流动趋势．图5为当环隙宽度为14.0mm时，不同内圆台转速下环隙子午图5不同内圆台转速下子午面时均流场(d=14mm)
【参考文献】：
期刊论文
[1]New development in near-wall PIV measurements[J]. Hui Hu,BoHua Sun. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2018(09)
[2]同轴旋转圆台环隙流动机制及实验研究[J]. 鲍锋,曾华轮,邹赫,刘锦生,刘志荣,朱睿. 北京航空航天大学学报. 2018(08)
[3]高雷诺数下多柱绕流特性研究[J]. 李聪洲,张新曙,胡晓峰,李巍,尤云祥. 力学学报. 2018(02)
[4]Taylor-Couette流场特性的PIV测量及数值模拟[J]. 冯俊杰,毛玉红,叶强,刘任泓,常青. 实验流体力学. 2016(02)
[5]Research on the underwater echo characteristics by hollow coaxial cylinder-cone assembled elastic shell[J]. WANG Zhen,WANG Zhongqiu,YU Yanting,XIANG Xu,YANG Qun. Instrumentation. 2015(02)
[6]不同半径比Taylor-Couette湍流的直接数值模拟研究[J]. 杜珩,阙夏,刘难生. 中国科学技术大学学报. 2014(09)
本文编号：3534104
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