基于流体可压缩性的淹没水射流空化流动数值模拟
发布时间：2021-09-07 17:52
空化射流运动中,空化云团的溃灭能带来极大的压力冲击,这极高的提升了射流的作业效率,而淹没水射流技术由于能够在射流过程中产生大量的空化得到了人们关注。淹没水射流技术具有冲蚀能量强、材料耗损少、绿色环保等优点,在材料的清洗与破碎、有毒物质的分离、污水处理等许多方面都得到了应用与研究。本文利用Fluent模拟了淹没式喷嘴射流的完整空化过程,并对计算结果进行了验证与分析,主要的内容有:（1）第一章,介绍了淹没式空化射流的国内外研究现状,论述了本文课题研究的背景与意义,确定了课题研究的重点内容。（2）第二章,对本文数值计算所需要的数学模型进行了简单介绍。（3）第三章,在选择合适边界条件基础上,对模型进行了基于流体可压缩性的仿真模拟,并将计算结果与现有的实验数据进行对比,验证了所建立的计算模型,同时对模型进行了网格无关性分析。（4）第四章,介绍了湍流粘度修正的方法,并在不同的湍流粘度修正状况下进行仿真计算,发现在密度函数中指数n取值较高时,流场中的空化会更加剧烈,空化较多的流场中,射流速度的衰减会更慢,射流能量也能够传递到更远的位置。（5）第五章,观察了淹没射流中空化的完整演化过程,发现空化最初发...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型的空化类型[59]
溃灭，在空泡溃灭的时刻，会产生很高的压力脉冲以及微小射流，持续不断的这种现象对材料的影响十分可观，能够进一步增强射流作业的清洗与切割效果。同时，运用空化射流还有着以下几方面的优势：（1）对硬质物品进行作业时，空化射流所需要的工作压力显著减小；（2）射流喷嘴以及其它高压部件的寿命在使用空化射流的时候都得到了明显的提高；（3）在进行表面清洗时，空化射流所产生的切缝要比普通射流宽许多；（4）在水下作业时，空化射流的性能与效率的要比普通连续射流高。当流体域中流道大小突变时，总会出现空化现象，如图1.2所示，由于截面的突然收缩，流道内压力会发生变化，并在收缩段开始产生空化现象。一般而言，空化的产生会对流体机械设备产生不利的影响，比如噪声、振动等。而空化射流利用了空化现象，让空化在机械设备清洗和材料切割等方面发挥了特有的优势。因此，研究淹没式水射流中的空化现象能够让人们进一步的了解空化产生以及发展的过程，对射流空化机理产生进一步的认识，从而优化空化射流喷嘴的结构设计，提高射流作业效率，尽可能让空化好的一面得到充分的利用，同时也降低空化对射流设备的危害。图1.2收缩管段空化现象1.2射流空化现象国内外研究现状射流空化现象很早就得到了国内外流体机械领域专家学者的关注，对空化射
基于流体可压缩性的淹没水射流空化流动数值模拟22提供的加压水的高压水发生装置示意图，产生的高压水经由喷嘴注入封闭的圆柱形腔室中形成淹没的水射流。腔室内的压力可以根据实验的需要进行调整，最高可以达到2.0MPa。图3.1混合物的声速随气相体积分数的变化[67]图3.2水射流方案图3.3给出了所选用喷嘴的二维结构示意图，选用喷嘴喉管横截面直径为1mm，喷嘴喉管长度为5mm。如图3.3所示的喷嘴结构示意图可知，在喷嘴的喉管出口部位安装了喷嘴护套，护套的直径和长度分别为3mm和10mm。在喷嘴结构尺寸已知的的基础上，利用ANSYSDesignModeler对整个所需的流体计算域进行建模，模型的建立过程中忽略了对流场影响不大的区域与结构，适当简化了模型设计，其流体计算域模型如图3.4所示。针对喷嘴及其出口周围的轴对称结构，对计算域的设计选用了轴对称流动的简化方法。同时，选取喷嘴喉部出口为坐标零点，计算区域为从喷嘴喉部出口上游15mm到喷嘴喉部出口下游70mm，计算区域的宽度沿径向取为20mm。
【参考文献】：
期刊论文
[1]空化射流技术的应用进展与前瞻性分析[J]. 程效锐,张舒研,陈红杏,常正柏. 能源化工. 2018(04)
[2]空化可压缩流动空穴溃灭激波特性研究[J]. 王畅畅,王国玉,黄彪. 力学学报. 2018(05)
[3]低压缩扩形喷嘴空化射流数值模拟及试验研究[J]. 奉虎,杨永印,王艳涛,冯丰,王亮,谷万囤. 石油机械. 2018(04)
[4]船体表面附着物清洗技术的研究及应用[J]. 陈彦臻,胡以怀. 表面技术. 2017(10)
[5]淹没空化射流空泡云动态变化规律研究[J]. 彭炽,李根生,田守嶒. 石油科学通报. 2017(02)
[6]航行体水下垂直发射空泡脱落条件研究[J]. 王一伟,黄晨光,吴小翠,杜特专,方新,梁乃刚,于娴娴. 工程力学. 2015(11)
[7]绕水翼空化流动及振动特性的实验研究[J]. 高远,黄彪,吴钦,王国玉. 力学学报. 2015(06)
[8]低压大流量自激脉冲空化射流试验研究[J]. 陈颂英,胡涛,曲延鹏,曾兆强,李文珂,刘春武. 工程热物理学报. 2014(10)
[9]超空化条件下液体射流热稳定性研究[J]. 吕明,宁智,阎凯,付娟,孙春华. 计算力学学报. 2014(04)
[10]基于Ansys的有限元网格划分方法应用研究[J]. 王宇,卢玲,李文韬. 起重运输机械. 2014(03)
硕士论文
[1]主动射流抑制空化的数值分析与实验研究[D]. 卢盛鹏.大连理工大学 2019
[2]基于空化射流的油管内壁清洗技术研究[D]. 郭世建.东北石油大学 2018
[3]空化射流喷嘴结构参数的优化[D]. 陈理.浙江工业大学 2017
[4]船体空化水射流清刷机器人设计与清洗效率研究[D]. 王博.哈尔滨工程大学 2017
[5]空化泡及空化水射流的数值模拟[D]. 罗冲.浙江工业大学 2016
[6]油压锥阀阀口空化流动数值模拟[D]. 王鹏飞.兰州理工大学 2016
[7]水下空化射流冲蚀技术及实验研究[D]. 赵文亮.浙江大学 2016
[8]空化射流喷嘴流场数值模拟研究[D]. 杨涵.西华大学 2015
[9]云空化演化过程及流动特性研究[D]. 曹彦涛.中国舰船研究院 2014
[10]低压自激脉冲空化射流喷嘴内部流场研究[D]. 刘恩孝.山东大学 2013
本文编号：3389988
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型的空化类型[59]
溃灭，在空泡溃灭的时刻，会产生很高的压力脉冲以及微小射流，持续不断的这种现象对材料的影响十分可观，能够进一步增强射流作业的清洗与切割效果。同时，运用空化射流还有着以下几方面的优势：（1）对硬质物品进行作业时，空化射流所需要的工作压力显著减小；（2）射流喷嘴以及其它高压部件的寿命在使用空化射流的时候都得到了明显的提高；（3）在进行表面清洗时，空化射流所产生的切缝要比普通射流宽许多；（4）在水下作业时，空化射流的性能与效率的要比普通连续射流高。当流体域中流道大小突变时，总会出现空化现象，如图1.2所示，由于截面的突然收缩，流道内压力会发生变化，并在收缩段开始产生空化现象。一般而言，空化的产生会对流体机械设备产生不利的影响，比如噪声、振动等。而空化射流利用了空化现象，让空化在机械设备清洗和材料切割等方面发挥了特有的优势。因此，研究淹没式水射流中的空化现象能够让人们进一步的了解空化产生以及发展的过程，对射流空化机理产生进一步的认识，从而优化空化射流喷嘴的结构设计，提高射流作业效率，尽可能让空化好的一面得到充分的利用，同时也降低空化对射流设备的危害。图1.2收缩管段空化现象1.2射流空化现象国内外研究现状射流空化现象很早就得到了国内外流体机械领域专家学者的关注，对空化射
基于流体可压缩性的淹没水射流空化流动数值模拟22提供的加压水的高压水发生装置示意图，产生的高压水经由喷嘴注入封闭的圆柱形腔室中形成淹没的水射流。腔室内的压力可以根据实验的需要进行调整，最高可以达到2.0MPa。图3.1混合物的声速随气相体积分数的变化[67]图3.2水射流方案图3.3给出了所选用喷嘴的二维结构示意图，选用喷嘴喉管横截面直径为1mm，喷嘴喉管长度为5mm。如图3.3所示的喷嘴结构示意图可知，在喷嘴的喉管出口部位安装了喷嘴护套，护套的直径和长度分别为3mm和10mm。在喷嘴结构尺寸已知的的基础上，利用ANSYSDesignModeler对整个所需的流体计算域进行建模，模型的建立过程中忽略了对流场影响不大的区域与结构，适当简化了模型设计，其流体计算域模型如图3.4所示。针对喷嘴及其出口周围的轴对称结构，对计算域的设计选用了轴对称流动的简化方法。同时，选取喷嘴喉部出口为坐标零点，计算区域为从喷嘴喉部出口上游15mm到喷嘴喉部出口下游70mm，计算区域的宽度沿径向取为20mm。
【参考文献】：
期刊论文
[1]空化射流技术的应用进展与前瞻性分析[J]. 程效锐,张舒研,陈红杏,常正柏. 能源化工. 2018(04)
[2]空化可压缩流动空穴溃灭激波特性研究[J]. 王畅畅,王国玉,黄彪. 力学学报. 2018(05)
[3]低压缩扩形喷嘴空化射流数值模拟及试验研究[J]. 奉虎,杨永印,王艳涛,冯丰,王亮,谷万囤. 石油机械. 2018(04)
[4]船体表面附着物清洗技术的研究及应用[J]. 陈彦臻,胡以怀. 表面技术. 2017(10)
[5]淹没空化射流空泡云动态变化规律研究[J]. 彭炽,李根生,田守嶒. 石油科学通报. 2017(02)
[6]航行体水下垂直发射空泡脱落条件研究[J]. 王一伟,黄晨光,吴小翠,杜特专,方新,梁乃刚,于娴娴. 工程力学. 2015(11)
[7]绕水翼空化流动及振动特性的实验研究[J]. 高远,黄彪,吴钦,王国玉. 力学学报. 2015(06)
[8]低压大流量自激脉冲空化射流试验研究[J]. 陈颂英,胡涛,曲延鹏,曾兆强,李文珂,刘春武. 工程热物理学报. 2014(10)
[9]超空化条件下液体射流热稳定性研究[J]. 吕明,宁智,阎凯,付娟,孙春华. 计算力学学报. 2014(04)
[10]基于Ansys的有限元网格划分方法应用研究[J]. 王宇,卢玲,李文韬. 起重运输机械. 2014(03)
硕士论文
[1]主动射流抑制空化的数值分析与实验研究[D]. 卢盛鹏.大连理工大学 2019
[2]基于空化射流的油管内壁清洗技术研究[D]. 郭世建.东北石油大学 2018
[3]空化射流喷嘴结构参数的优化[D]. 陈理.浙江工业大学 2017
[4]船体空化水射流清刷机器人设计与清洗效率研究[D]. 王博.哈尔滨工程大学 2017
[5]空化泡及空化水射流的数值模拟[D]. 罗冲.浙江工业大学 2016
[6]油压锥阀阀口空化流动数值模拟[D]. 王鹏飞.兰州理工大学 2016
[7]水下空化射流冲蚀技术及实验研究[D]. 赵文亮.浙江大学 2016
[8]空化射流喷嘴流场数值模拟研究[D]. 杨涵.西华大学 2015
[9]云空化演化过程及流动特性研究[D]. 曹彦涛.中国舰船研究院 2014
[10]低压自激脉冲空化射流喷嘴内部流场研究[D]. 刘恩孝.山东大学 2013
本文编号：3389988
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