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矩形喷嘴超声速射流啸叫模式切换的分布性研究

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西安交通大学学报 2018年第5期52卷 62-68,141页

作者：陈喆吴九汇任阿丹陈鑫赵梓廷郝梦男西安交通大学机械工程学院西安710049 航空工业航宇救生装备有限公司湖北襄阳441003 航空防护救生技术航空科技重点实验室湖北襄阳441003 空军工程大学航空航天工程学院西安710038

为了研究矩形喷嘴超音速自由射流噪声的湍流噪声、啸叫以及激波相关宽频噪声这3类成分的分布特性及其各成分的切换特性,通过准阵列实验方式对宽高比为4的矩形喷嘴射流噪声进行了分析研究,并与理论结果进行了对比验证。通过改变射流下游... 详细信息

为了研究矩形喷嘴超音速自由射流噪声的湍流噪声、啸叫以及激波相关宽频噪声这3类成分的分布特性及其各成分的切换特性,通过准阵列实验方式对宽高比为4的矩形喷嘴射流噪声进行了分析研究,并与理论结果进行了对比验证。通过改变射流下游测点的径向距离和测点与射流轴线的夹角,研究了射流下游噪声信号的模式特性。通过分析得到,射流下游噪声主体是湍流噪声,其基频不受角度变化影响,并且噪声模式切换的随机性较高。研究发现:随着径向距离的增大,湍流噪声基频在5和2.6kHz之间跳动,高频湍流噪声强度随之减弱,基频逐步稳定;随着射流上游测点角度的增大,啸叫的占优特性增强,在120°时啸叫的占优区间最长,而且在此位置的射流初始阶段出现了激波相关宽频噪声的占优区间,与理论结果进行对比,得出啸叫的第一阶主频和激波相关宽频噪声是向射流上游传播,并呈现一定的范围。此项研究可为工程中避免小尺度的结构疲劳破坏及对相关工作人员的声防护提供一定的参考依据。

关键词：矩形喷嘴超音速射流噪声啸叫疲劳破坏

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矩形喷嘴超声速氢气射流实验和模拟研究

矩形喷嘴超声速氢气射流实验和模拟研究

作者：陈铭家山东大学

学位级别：硕士

为了减少对化石能源的使用,降低对石油进口的依赖度,同时控制污染物排放以改善环境,氢能作为一种重要的新能源形式被越来越广泛地研究。为了保证氢能的有不弱于传统能源的安全性能,需要对氢能的应用安全进行详尽的研究。氢气泄漏扩散研... 详细信息

为了减少对化石能源的使用,降低对石油进口的依赖度,同时控制污染物排放以改善环境,氢能作为一种重要的新能源形式被越来越广泛地研究。为了保证氢能的有不弱于传统能源的安全性能,需要对氢能的应用安全进行详尽的研究。氢气泄漏扩散研究作为氢安全研究的一个基础方向,对氢安全标准的制定和完善具有重要意义。现有的氢泄漏研究多针对圆形泄漏口,缺少针对非圆截面泄漏口的研究。考虑到实际的泄漏往往是通过狭长的裂缝发生,因此本文将泄漏口简化为不同长宽比的矩形,并进行了一系列的实验、模拟和理论研究。本文搭建了高压气体泄放实验台,为了保障实验安全,采用与氢气物理性质接近的氦气进行实验,实验最高压力为3.7 MPa。设计了一系列可替换的喷嘴,这些喷嘴的等效直径范围是0.55～1.5 mm、长宽比为1～12.6不等。实验结果表明,类似于圆形喷嘴射流,矩形喷嘴射流参数的变化也具有自相似性,可以采用等效直径和泄放压力对射流参数进行无量纲处理。在实验的压力范围内,正方形喷嘴扩散速率远小于其它长宽比喷嘴,而长宽比大于1的喷嘴的射流扩散速率受压力影响不明显。在泄放实验的基础上,本文对矩形喷嘴氢气射流进行了数值模拟研究,探究更高压力和更多喷嘴长宽比对射流的影响。模拟研究基于ANSYS Fluent平台,使用RSM湍流模型,并采用分段模拟方法提升计算效率。通过模拟氦气在实验条件下的流动扩散并与实验结果进行对比,验证了数值计算模型的有效性。模拟结果表明泄放压力越高,轴转换现象越明显。模拟的最大泄放压力为20 MPa远高于实验压力,在这个压力下,不同的喷嘴长宽比会显著影响氢气射流的扩散,喷嘴长宽比越高,扩散速率越大。因此,引入修正因子f（AR,P）,综合考虑泄放压力和长宽比对射流进行无量纲化处理,提高了射流轴线浓度的预测精度。为了能够快速对矩形喷嘴射流的流动扩散进行预测,本文还构建二维平面积分模型对矩形喷嘴射流长轴和短轴平面的流动进行计算。假设矩形喷嘴射流形成的非轴对称的流场是由无数“虚射流”构成,参考传统的一维积分模型的控制方程和特征方程,分别计算“虚射流”的流场并叠加构成矩形喷嘴射流的流场。为了简化计算,构建了二维平面上的积分模型,只对长轴平面和短轴平面上的速度场和浓度场进行计算。以数值模拟计算的速度场和浓度场作为入口条件,并将入口离散为一系列的“虚射流”入口。通过和模拟结果进行对比,二维平面积分模型能够准确预测矩形喷嘴氢气射流的速度和浓度分布,且不同的流场分辨率对计算结果的影响不大,因此鲁棒性较强。该模型为矩形喷嘴泄漏扩散提供了一个更加高效的预测方法,补充了风险评估的物理模型,有利于更加准确地进行氢安全评估,促进氢能的高效利用。

关键词：氢安全氢气泄漏矩形喷嘴高压欠膨胀射流

基于矩形喷嘴的光耦合纳米颗粒胶体射流抛光仿真及试验研究

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基于矩形喷嘴的光耦合纳米颗粒胶体射流抛光仿真及试验研究

作者：张航航兰州理工大学

学位级别：硕士

科学技术的进步总是与各类先进制造技术相同步,科技的突飞猛进也受益于人类对更高、更快以及未知的不断追求。近些年伴随着电子产业、生物技术和航天航空技术的发展,人们对于高端精密设备的需求也更加急迫,比如芯片制造用的极紫外光刻... 详细信息

科学技术的进步总是与各类先进制造技术相同步,科技的突飞猛进也受益于人类对更高、更快以及未知的不断追求。近些年伴随着电子产业、生物技术和航天航空技术的发展,人们对于高端精密设备的需求也更加急迫,比如芯片制造用的极紫外光刻机、更高分辨率的电子显微镜及更远更清晰的太空望远镜等。这些高端设备的研发和制造对光学元件的表面平整度以及面型精度提出了更高的要求,此外由于光学元件的制造一般使用硬脆材料,因此要求工件抛光后不会破坏工件表面晶格结构和无应力损伤。对于这些高要求的光学元件已经不能使用传统的研磨抛光方法来加工,新的光学元件表面抛光技术也就不断应运而生。紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光技术是一种新近提出的光学元件精密抛光方法,利用纳米颗粒胶体在紫外光催化作用下与工件表面材料发生吸附反应,然后利用胶体射流在工件表面的剪切作用带走发生吸附反应的表面材料,实现材料的确定去除。该加工方法可以实现工件表面纳米级的材料去除,并且抛光后的工件表面无应力损伤层。本文首先设计了紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光的试验系统,光液耦合喷嘴是该试验系统的设计重点。根据射流喷嘴结构以及射流基本特性,设计了棱柱矩形光液耦合喷嘴以及双射流矩形光液耦合喷嘴。利用Fluent计算流体分析软件,建立并分析了光液耦合喷嘴的自由紊动射流模型和冲击射流模型,另外设计了圆锥矩形光液耦合喷嘴与棱柱矩形光液耦合喷嘴进行对比。仿真结果表明,棱柱矩形光液耦合喷嘴的流场速度分布相比圆锥矩形光液耦合喷嘴更加均匀,双射流矩形光液耦合喷嘴的射流喷距应小于射流的会聚区。根据田口优化方法对光液耦合喷嘴的尺寸参数进行优化,优化后的光液耦合喷嘴具有更大的射流初速度、射流分布更加均匀。通过变量控制法分析抛光工艺参数对光液耦合喷嘴冲击射流时工件表面流场分布的影响,最后根据优化后的光液耦合喷嘴和抛光工艺参数,使用实验室自制的紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光试验系统,对单晶硅进行了定点射流抛光试验,验证紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光方法对工件表面材料去除的影响。试验结果表明紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光可以明显改善工件表面质量,降低表面粗糙度且抛光过程不会在工件表面产生机械划痕,且无残留应力,实现工件表面的超精密抛光,为光学元件的无损超精密抛光提供了一种高效经济的先进光学制造技术。

关键词：射流抛光光液耦合纳米颗粒胶体矩形喷嘴流体特性

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矩形喷嘴PDC钻头水力性能研究新方法

石油机械 2015年第12期43卷 33-36页

作者：郝金克中石化胜利油田石油工程技术研究院

为了量化研究矩形喷嘴PDc钻头的水力性能,以5刀翼、布置6个矩形喷嘴的PDC钻头为基础模型,建立了流域模型,将岩屑建模为从切削齿表面射人流场的固相颗粒,采用计算颗粒追踪法对固相颗粒进行了追踪,同时使用岩屑运移速度比C_t作为钻头性能... 详细信息

为了量化研究矩形喷嘴PDc钻头的水力性能,以5刀翼、布置6个矩形喷嘴的PDC钻头为基础模型,建立了流域模型,将岩屑建模为从切削齿表面射人流场的固相颗粒,采用计算颗粒追踪法对固相颗粒进行了追踪,同时使用岩屑运移速度比C_t作为钻头性能评价的参数。分析结果表明,井底岩屑运移是三维不规则运动,沿程存在碰撞与反弹,在岩屑从井底向环空出口运动的过程中,速度逐渐减小;相同条件下,矩形喷嘴钻头的C_t大于圆形喷嘴钻头的C_t值,且随长宽比的增大而增大,与圆形喷嘴钻头相比,矩形喷嘴钻头的水力性能更好;对于同一钻头,1.0mm岩屑的C_t值最大,当粒径小于1.0 mm时,C_t随岩屑尺寸的增大而增大,当粒径大于1.0 mm时,C_t随岩屑尺寸的增大而减小。

关键词：矩形喷嘴 PDC钻头水力性能颗粒追踪岩屑运移速度比井底流场

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矩形喷嘴对PDC钻头井底流场影响的研究

石油工业计算机应用 2013年第1期21卷 57-60,4页

作者：黄奎林杨迎新钱雯李振北黄开华周建西南石油大学机电工程学院

如何才能让PDC钻头的水力能量将清洗井底和冷却钻头的作用充分发挥,这一直是水力结构设计需要考虑的问题。本文先分析了矩形喷嘴的射流特性,得到了射流轴心动压力衰减规律和横向动压力分布规律及横向动压力梯度分布规律,通过CFD仿真软件... 详细信息

如何才能让PDC钻头的水力能量将清洗井底和冷却钻头的作用充分发挥,这一直是水力结构设计需要考虑的问题。本文先分析了矩形喷嘴的射流特性,得到了射流轴心动压力衰减规律和横向动压力分布规律及横向动压力梯度分布规律,通过CFD仿真软件CFX对PDC钻头井底流场进行了模拟,将矩形喷嘴和圆形喷嘴对比,分析得知喷嘴位置在等速核长度内,矩形喷嘴更有利于清除岩屑和冷却钻头。

关键词：矩形喷嘴 PDC钻头 CFX 数值模拟

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矩形喷嘴对PDC钻头井底流场影响的研究

机械研究与应用 2012年第2期25卷 28-30页

作者：黄奎林杨迎新钱雯黄开华周建李振北西南石油大学机电工程学院四川成都610500 中国石油天然气管道局河北廊坊065000

针对PDC钻头的水力能量清洗井底和冷却钻头的作用充分发挥的结构设计问题,先分析了矩形喷嘴的射流特性,得到了射流轴心动压力衰减规律和横向动压力分布规律及横向动压力梯度分布规律,通过CFD仿真软件CFX对PDC钻头井底流场进行了模拟,将... 详细信息

针对PDC钻头的水力能量清洗井底和冷却钻头的作用充分发挥的结构设计问题,先分析了矩形喷嘴的射流特性,得到了射流轴心动压力衰减规律和横向动压力分布规律及横向动压力梯度分布规律,通过CFD仿真软件CFX对PDC钻头井底流场进行了模拟,将矩形喷嘴和圆形喷嘴对比,分析得知喷嘴位置在等速核长度内,矩形喷嘴更有利于清除岩屑和冷却钻头。

关键词：矩形喷嘴 PDC钻头 CFX 数值模拟

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风冷淬火矩形超声速喷嘴的设计及其仿真研究

风冷淬火矩形超声速喷嘴的设计及其仿真研究

作者：汪洋辽宁科技大学

学位级别：硕士

风冷淬火技术是最近几十年来迅速发展起来的一种热处理工艺,它是将高压空气通过喷风装置加速到高速气流,再对工件表面进行强制对流换热使工件迅速冷却,提高表面硬度与耐腐蚀性,而工件芯部仍具有良好的强度与韧性。风冷淬火工艺因其介质... 详细信息

风冷淬火技术是最近几十年来迅速发展起来的一种热处理工艺,它是将高压空气通过喷风装置加速到高速气流,再对工件表面进行强制对流换热使工件迅速冷却,提高表面硬度与耐腐蚀性,而工件芯部仍具有良好的强度与韧性。风冷淬火工艺因其介质为压缩空气,具有环保,经济,冷却速度可调范围广等优点,近些年来尤其是在大型型钢的在线热处理工艺上得到应用。由于风冷淬火技术的关键在于如何提高风速从而提高淬火冷却速度,因此开发超声速喷嘴,成为研究风冷淬火技术的重点内容之一。本文针对目前使用广泛的折线式圆形截面超声速喷嘴出口风速互不平行、出口半径调整余地不大且风速宽度较小难以对较宽工件进行处理等缺点,运用维托辛斯基曲线法与特征线法设计出一种曲线式矩形截面超声速喷嘴,并对该方法设计出来的喷嘴进行CFD数值模拟,分析了喷嘴型腔曲线、入口温度及入口压强对喷嘴内部流场的影响,详细研究了矩形截面超声速喷嘴内部与出口流场的特性,并与圆形截面超声速喷嘴的数值模拟结果进行对比分析,结果表明:1、喷嘴出口的速度大小与喷嘴的设计马赫数大小和入口气流温度均有关,喷嘴出口速度与入口温度的平方根成正比。当入口的温度不变只提高喷嘴设计马赫数时,气流的速度存在一个最大极限值(?)。2、喷嘴入口压力与出口背压的比值决定着气流在喷嘴内部的膨胀状态,并影响着喷嘴内部流场的均匀性。在相同的设计马赫数下,对于不同型腔曲线的超声速喷嘴,当出口背压相同时,采用维托辛斯基法与特征线法设计出的曲线式喷嘴,其内部达到均匀流场所需要的入口压力要远小于普通折线式超声速喷嘴。3、矩形超声速喷嘴出口截面速度场分布和出口质量流量与等出口截面积的圆形喷嘴差别不大,但前者边界层厚度要明显偏小,内部流场分布更加均匀。4、特征线法矩形超声速喷嘴在宽高比的选择上更加的灵活,在内部流场的均匀性和入口最低压力的选取上都要优于普通的圆形超声速喷嘴。该研究将对超声速的设计和在喷涂、淬火等方面的应用具有重要的参考价值。

关键词：超声速矩形喷嘴特征线法喷风淬火

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矩形超音速喷嘴冲击射流特性研究

矩形超音速喷嘴冲击射流特性研究

作者：韩淇辽宁科技大学

学位级别：硕士

淬火工艺是金属热处理工艺中核心的一项工作步骤,而风冷淬火相比传统的水冷淬火、油冷淬火和雾冷淬火具有明显的优势:冷却均匀稳定;淬火后工件不易发生较大变形;对工件表面不敏感;喷嘴不会堵塞;环保。风冷淬火系统中,喷嘴(或喷风头)是... 详细信息

淬火工艺是金属热处理工艺中核心的一项工作步骤,而风冷淬火相比传统的水冷淬火、油冷淬火和雾冷淬火具有明显的优势:冷却均匀稳定;淬火后工件不易发生较大变形;对工件表面不敏感;喷嘴不会堵塞;环保。风冷淬火系统中,喷嘴(或喷风头)是冷却装置中最关键的部件。随着拉瓦尔喷管的问世,使用压缩空气通过拉瓦尔式喷嘴,可以得到超音速气流,达到强化换热冷却的效果,为此国内学者对超音速喷嘴做了许多研究。对于风冷淬火中细长类和平板类工件,采用多个小口径圆形超音速喷嘴喷风时,无法避免喷嘴间外流场的相互耦合,很难实现工件表面均匀冷却,而使用矩形超音速喷嘴,可以减少喷嘴间的射流干涉,提高了射流表面流场均匀性。本课题组已经设计出双型线矩形超音速喷嘴,并通过研究分析发现该喷嘴具有内部流场均匀稳定无激波的优点。风冷淬火时,气体的流场是工件温度场的主要影响因素,因此本文利用该喷嘴,研究其外流场的冲击射流特性,具体研究内容及结果如下:单喷嘴、双喷嘴和三喷嘴外流场射流特性的研究。建立矩形超音速喷嘴冲击射流模型,利用FLUENT软件模拟在不同射流角度、射流高度和射流间距时的喷嘴冲击射流。以外流场射流特性,即冲击压力、湍动能、壁面剪切力和水平速度为指标,研究分析得出:单喷嘴时,射流冲击表面上的冲击压力与湍动能变化趋势相同,壁面剪切力与水平速度变化趋势相同;双喷嘴时,在倾斜射流的冲击表面上,右侧喷嘴流场射流特性降低,喷嘴间的射流干涉发生在靠近右侧喷嘴射流几何冲击点,并在该位置产生滞止区;三喷嘴时,射流角度对射流冲击表面冷却均匀性影响最大,其次是射流间距,最小是射流高度。当射流角度为45°、射流高度为60mm、射流间距为40mm时,射流冲击表面流场分布均匀,使用此工艺参数可以提高射流冲击表面的冷却均匀性。三喷嘴冲击射流PIV实验。为了对理论分析进行验证,运用粒子图像测速技术,对三个矩形超音速喷嘴垂直射流和倾斜射流的外流场进行测量和处理,得到其瞬时流场结构和平均流场分布,实验结果与模拟结果一致,表明理论分析是正确的,该研究对矩形超音速射流的应用具有重要的参考价值。

关键词：矩形喷嘴超音速冲击射流 PIV

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双型线矩形超音速喷嘴的设计及其模拟分析

双型线矩形超音速喷嘴的设计及其模拟分析

作者：张影辽宁科技大学

学位级别：硕士

超音速喷嘴由于具有超音速射流特性,而被作为核心部件广泛的应用于冷喷涂、风冷淬火和转炉炼钢等领域。在超音速设备的工作过程中,超音速喷嘴形成的流场直接接触工件表面,影响工件的处理质量和处理效率,所以合理的喷嘴结构是提高超音速... 详细信息

超音速喷嘴由于具有超音速射流特性,而被作为核心部件广泛的应用于冷喷涂、风冷淬火和转炉炼钢等领域。在超音速设备的工作过程中,超音速喷嘴形成的流场直接接触工件表面,影响工件的处理质量和处理效率,所以合理的喷嘴结构是提高超音速喷嘴射流性能和超音速设备工作效率的重要途径。本课题以风冷淬火技术为研究背景,针对平板类工件多喷嘴联合淬火的流场均匀性较差的问题,提出了一种矩形超音速喷嘴,并对此喷嘴展开具体的研究与分析。课题的主要内容如下:提出一种基于型腔等效原则的双型线矩形超音速喷嘴的设计方法。矩形超音速喷嘴的型腔设计为缩扩形型腔,其收缩段型线采用维托辛斯基曲线法进行设计,扩张段型线采用Crown解析式法进行设计。在确定喷嘴的型腔曲线之后,基于喷嘴的边界层修正原理对喷嘴的型腔曲线进行了边界层修正。并利用FLUENT软件对矩形超音速喷嘴的内部流场和自由射流流场进行模拟,验证这种设计方法的正确性。分别设计了单型线和双型线的矩形超音速喷嘴,并利用FLUENT软件模拟了喷嘴的内部流场和自由射流流场情况,定性分析了两种喷嘴形成的流场的优劣,证明了双型线矩形超音速喷嘴的优越性。在确定双型线矩形超音速喷嘴的流场优于单型线矩形超音速喷嘴的基础上,研究了喷嘴的入口条件、型腔设计参数和出口设计马赫数对喷嘴内部流场的影响,得到了双型线矩形超音速喷嘴的最佳型腔设计参数组合和入口压力、出口设计马赫数对喷嘴内部流场的影响规律。在确定双型线矩形超音速喷嘴的型腔最佳设计参数组合之后,研究了喷嘴的入口压力、出口马赫数和出口截面积对喷嘴自由射流的影响,得到了各因素对喷嘴自由射流流场的影响规律。该研究丰富了超音速喷嘴的类型,对平板类工件的淬火均匀性的研究具有重要意义,同时对细长件的超音速喷涂等工作也具有重要参考价值。

关键词：超音速矩形喷嘴双型线特征线法 CFD模拟