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凹槽结构强化液滴合并弹跳的数值研究

表面技术 2024年第2期53卷 193-200页

作者：吴卫民郑佳宜王芳南京理工大学能源与动力工程学院电子设备热控制工信部重点实验室南京210094

目的为研究凹槽结构对液滴合并弹跳现象的影响,提高液滴自弹跳的速度和能量转化率。方法通过有限元方法模拟,研究了液滴在凹槽结构上的动态行为和槽深H、槽宽W及液滴尺寸对V型槽和矩形槽上液滴的弹跳速度、无量纲速度、表面能转化率... 详细信息

目的为研究凹槽结构对液滴合并弹跳现象的影响,提高液滴自弹跳的速度和能量转化率。方法通过有限元方法模拟,研究了液滴在凹槽结构上的动态行为和槽深H、槽宽W及液滴尺寸对V型槽和矩形槽上液滴的弹跳速度、无量纲速度、表面能转化率、动量和总动能的影响。结果凹槽内与槽外液滴间的合并弹跳包含液滴接触、产生液桥、三相线收缩和液滴弹离表面4个过程;宽高比相同时,液滴弹跳速度和表面能转化率均随液滴半径先增大后减小,凹槽宽高比为1.5,液滴合并弹跳半径为0.25 mm工况下表面能转化效率最高;矩形槽与V型槽,宽高比为1.5,液滴合并弹跳半径为0.25 mm时,液滴弹跳速度与表面能转化率随半径比先增大后减小,在半径比为1时达到峰值,二者表面能转化率最大值为27.87%和30.66%。槽宽恒定时,凹槽结构强化液滴合并弹跳存在最佳凹槽宽高比和最优弹跳半径,V型槽提升液滴弹跳效率比矩形槽高约12%。结论合并后液滴撞击V型槽侧壁的反作用力使液滴旁瓣较矩形槽更早受到侧壁面抑制而发生回流,从而提升了其能量转化效率,减少了液滴的振荡损失与黏性耗散。研究结果在设计高效的自清洁功能表面、提高冷凝表面换热效率、预防和抑制换热器表面结冰、成霜等工业领域有重要的应用意义。

关键词：凹槽结构超疏水表面液滴合并液滴弹跳强化有限元方法模拟

凹槽结构对冲击射流流场和声场特性的影响研究

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振动与冲击 2022年第22期41卷 105-112页

作者：齐龙舟冯和英赵鲲张俊龙王海涛杨成浩湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室湖南湘潭411201 中国空气动力研究与发展中心气动噪声控制重点实验室四川绵阳621000

采用数值模拟和试验研究相结合的方法探究了开槽斜板对射流冲击噪声及壁面横向射流尾迹的影响,并分析了其降噪机理。试验方面,采用PIV技术和远场传声器弧阵列在半消声室内测量了冲击射流流场和声场特性,数值模拟则采用分离涡模拟方法(de... 详细信息

采用数值模拟和试验研究相结合的方法探究了开槽斜板对射流冲击噪声及壁面横向射流尾迹的影响,并分析了其降噪机理。试验方面,采用PIV技术和远场传声器弧阵列在半消声室内测量了冲击射流流场和声场特性,数值模拟则采用分离涡模拟方法(detached-eddy simulation,DES)和FW-H声学比拟法相结合的混合方法,数值结果与流场/声场试验测量结果吻合较好。研究发现:冲击斜板的存在增加了冲击射流流场上游方向的声辐射;所有压比下,斜板表面凹槽结构都能够明显抑制横向流动,但只在NPR>2.5时,开槽斜板才能较好的抑制冲击射流噪声;开槽斜板主要是降低2500 Hz附近的纯音幅值,对3500~4500 Hz内的多个纯音基本不产生影响,因为凹槽结构会耗散掉冲击射流滞止区内的旋涡对,但不会影响射流剪切层涡脱落频率(3750 Hz)及该频率附近的纯音;开槽斜板对横向流动的抑制效果高达46%,且不同槽宽、槽深的开槽斜板均能够有效控制冲击射流横向流动尾迹。

关键词：尾迹流动控制冲击射流噪声抑制分离涡模拟(DES) PIV流场凹槽结构

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凹槽结构对离心泵空化特性的影响

华中科技大学学报（自然科学版） 2024年第7期52卷 139-144页

作者：赵伟国张栩杨良李家豪兰州理工大学能源与动力工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学甘肃省流体机械及系统重点实验室甘肃兰州730050

以低比转速离心泵为研究对象,提出一种叶片前缘布置凹槽结构的空化抑制方法.结合修正的SST k-ω湍流模型和Z-G-B空化模型对离心泵进行数值模拟,并将试验与模拟进行对比分析.结果发现:凹槽结构提升了离心泵的断裂扬程,降低了临界空化余量... 详细信息

以低比转速离心泵为研究对象,提出一种叶片前缘布置凹槽结构的空化抑制方法.结合修正的SST k-ω湍流模型和Z-G-B空化模型对离心泵进行数值模拟,并将试验与模拟进行对比分析.结果发现:凹槽结构提升了离心泵的断裂扬程,降低了临界空化余量;在不同的空化阶段降低了漩涡强度,优化了周围流场的流动状态,诱发相对高压并改善涡量场;减少了各空化余量下离心泵的空泡体积,降低了多个监测点压力脉动主频幅值.凹槽结构有效限制离心泵空化发展,使离心泵的运行更加稳定.

关键词：离心泵空化特性凹槽结构数值模拟压力脉动

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基于凹槽结构的导管螺旋桨梢部流动研究

船舶力学 2024年第6期28卷 866-876页

作者：金志辉王鹏董华超温志文丁永乐西安精密机械研究所西安710077 西北工业大学航海学院西安710072

针对导管螺旋桨的梢部流动,受压气机中“机匣处理”的启发,将矩形凹槽结构应用于导管内壁,用于降低导管螺旋桨梢涡强度和抑制梢涡空化,进而有望改善导管螺旋桨的水动力和空泡性能。采用计算流体力学方法,针对19A导管和Ka4-70螺旋桨有无... 详细信息

针对导管螺旋桨的梢部流动,受压气机中“机匣处理”的启发,将矩形凹槽结构应用于导管内壁,用于降低导管螺旋桨梢涡强度和抑制梢涡空化,进而有望改善导管螺旋桨的水动力和空泡性能。采用计算流体力学方法,针对19A导管和Ka4-70螺旋桨有无凹槽/不同凹槽结构进行非定常数值计算,研究凹槽结构对桨叶叶梢压力、梢涡强度、梢涡结构以及水动力性能的影响。结果表明:凹槽结构会明显改变导管螺旋桨梢部流场涡的形成,减弱梢涡强度,提高叶片梢部最小压力,并且对推进性能几乎没有影响。研究结果可为导管螺旋桨的梢涡控制以及减振降噪提供一种新的解决途径。

关键词：导管螺旋桨凹槽结构梢涡结构空泡机匣处理

基于NSGA-Ⅱ算法的二维翼型凹槽结构优化

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工程热物理学报 2019年第4期40卷 804-807页

作者：杨筱沛王威蒋博彦王军华中科技大学能源与动力工程学院武汉430074

凹槽技术等被动控制方式可有效改善流动分离.本文利用凹槽处理对NACA4506翼型流动分离计算研究。采用NSGA-Ⅱ算法与计算流体力学(CFD)相结合的方法,将凹槽起始位置、凹槽宽度和凹槽深度作为优化对象,提升升阻比、降低翼型阻力为优化目标... 详细信息

凹槽技术等被动控制方式可有效改善流动分离.本文利用凹槽处理对NACA4506翼型流动分离计算研究。采用NSGA-Ⅱ算法与计算流体力学(CFD)相结合的方法,将凹槽起始位置、凹槽宽度和凹槽深度作为优化对象,提升升阻比、降低翼型阻力为优化目标,寻找最优凹槽结构.结果表明:NSGA-Ⅱ算法可以在翼型优化上实现快速寻优,并获得翼型最优凹槽结构.优化完成时,翼型升阻比提升5.941%,阻力系数减少6.12%,翼型尾缘分离出现起始位置后移2.08%,后缘分离得到改善。该结构对其他攻角具有一定减阻效果.

关键词： NACA4506 NSGA-Ⅱ算法凹槽结构优化

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凹槽结构对矿泉水瓶力学性能的影响

包装工程 2016年第5期37卷 68-72页

作者：宋卫生河南牧业经济学院郑州450046

目的研究矿泉水瓶上凹槽结构对瓶体轴压性能和侧压性能的影响。方法以常见的市售矿泉水瓶子为研究对象,在Ansys经典中对不同凹槽个数、不同凹槽高度、不同凹槽深度的研究试样和设备模型分开建模,利用有限元显示算法在给定的压力载荷进... 详细信息

目的研究矿泉水瓶上凹槽结构对瓶体轴压性能和侧压性能的影响。方法以常见的市售矿泉水瓶子为研究对象,在Ansys经典中对不同凹槽个数、不同凹槽高度、不同凹槽深度的研究试样和设备模型分开建模,利用有限元显示算法在给定的压力载荷进行轴压和侧压的过程模拟与分析。并通过实际的试验与有限元模拟结果进行了对比。结果随着凹槽数量的增加、凹槽高度的增加以及凹槽深度的增加,瓶体的轴压性能都会受到损失,但是随着凹槽数量和高度的增加,瓶体的侧压性能会显著提高,不过,凹槽深度的增加则会使瓶体的侧压性能受到损失。结论在进行凹槽结构设计时,尽量减少凹槽的数量,并减小凹槽的深度,可以较为灵活地设计凹槽的高度。一方面考虑侧压性能要满足消费者抓握时的强度需求,同时也要考虑轴压性能必须满足国标要求,以免对瓶体的堆码性能造成影响。

关键词：凹槽结构矿泉水瓶轴压侧压有限元

凹槽结构强化超疏水表面液滴合并弹跳的动力学研究

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凹槽结构强化超疏水表面液滴合并弹跳的动力学研究

作者：吴卫民南京理工大学

学位级别：硕士

超疏水表面由于自身具有较低的表面能,可使液滴在表面上保持类球状,因而具有极高的运动性。当液滴在超疏水表面互相接触发生合并时,合并过程中会释放多余的表面能,其中一部分转化为液滴的弹跳动能,使液滴弹离表面,即为超疏水表面的液滴... 详细信息

超疏水表面由于自身具有较低的表面能,可使液滴在表面上保持类球状,因而具有极高的运动性。当液滴在超疏水表面互相接触发生合并时,合并过程中会释放多余的表面能,其中一部分转化为液滴的弹跳动能,使液滴弹离表面,即为超疏水表面的液滴合并弹跳行为。液滴合并弹跳行为大幅度提升了表面液滴的更新频率,从而强化传热。液滴合并弹跳的显著特点是,无需在外力(场)作用下即能使液滴弹离表面并发生扫掠现象,在表面自清洁、防冰抑霜、热二极管、雾水收集和发电等领域显示出巨大的应用潜力。但液滴合并弹跳发生的条件较为苛刻,液滴自身的物性参数、弹跳速度等对其最终能否脱离表面具有重大影响,因此,如何强化液滴合并弹跳,提高传热效率是未来研究的重中之重。在此基础上,本文以超疏水凹槽表面上的液滴为研究对象,通过数值模拟、理论分析和实验观测,系统地研究了超疏水凹槽表面上的液滴合并弹跳现象及其影响因素,揭示了凹槽形状、几何尺寸、液滴尺寸和表面张力等对液滴弹跳速度和表面能转化率的影响规律,相关研究成果对设计高效的自清洁功能表面、提高冷凝表面换热效率、预防和抑制换热器表面结冰、成霜等工业领域有重要的应用意义。采用数值模拟和实验观测研究了超疏水平面和凹槽表面上的液滴合并弹跳过程,研究结果表明,液滴弹跳过程可分为液桥生长、液桥撞击壁面、三相线收缩和液滴弹跳四个阶段,其中液滴内部的拉普拉斯压力差和壁面的反作用力为液滴弹离表面的主要驱动力,液桥撞击壁面是液滴合并后是否发生弹跳的必要条件。矩形槽的直角型槽脊可增大合并液滴的内部扰动及拉普拉斯压力差,提高液滴表面能转化率;V型槽的钝角型槽脊及侧壁的协同作用,增大了液滴的内部扰动及压差,抑制了液滴的横向膨胀,从而减小了液滴弹跳前的粘性耗散。梯形槽则在直角槽脊和凹槽侧壁协同作用下,当凹槽槽宽、宽高比和液滴合并半径相同时,液滴的表面能转化率分别是矩形槽与V型槽的1.65倍和1.5倍。此外,梯形槽较矩形槽与V型槽对大液滴的弹跳速度和表面能转化率表现出极显著的提升效果。矩形槽、V型槽和梯形槽提高液滴合并弹跳速度和表面能转化率与槽宽、槽深和液滴半径有关,存在最佳宽高比和最优液滴合并半径。槽宽不变时,凹槽结构强化液滴合并弹跳最佳宽高比为W/H=1.5;凹槽宽高比不变时,液滴最优合并半径随槽宽增大而增大,且液滴半径R>0.5W时,液滴弹跳速度和表面能转化率随液滴半径增大而减小。液滴合并弹跳的半径比ω对液滴合并形态、液滴弹跳速度及表面能转化率有重要影响。液滴初始合并半径RL相同,凹槽宽高比恒定时,液滴弹跳速度和表面能转化率随液滴半径比ω先增大后减小,并在ω=1时达到最大值。这说明非等直径液滴合并相比等直径液滴合并不利于液滴弹跳。在相同凹槽宽高比和液滴合并半径下,液滴弹离表面时间随表面张力增大而减小,该趋势随液滴合并半径增大而愈显著;当凹槽宽高比和液滴合并半径相同,液滴弹跳速度随表面张力增大而增大,W/H=1时,液滴弹跳速度和表面能转化率随液滴半径增大而减小,W/H>1时,液滴弹跳速度和表面能转化率随液滴半径先增大后减小,且在W/H=1.5时,液滴表面能转化率有最大值45.99%。

关键词：凹槽结构超疏水表面液滴合并弹跳凹槽宽高比液滴尺寸表面张力

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含有凹槽结构迷宫密封泄漏性能的数值研究

机械设计与制造 2017年第6期 186-188,193页

作者：艾志久钟涵西南石油大学机电工程学院四川成都610500

针对不同结构迷宫密封泄漏特性的问题,通过采用CFD三维分析的方法,研究了直通式和含有矩形和圆形凹槽的迷宫密封在不同压比,间隙,转速下的三维流场和泄漏特性。研究结果表明:含有凹槽的结构能够显著的加快耗散气体动能,进而提高密封效率... 详细信息

针对不同结构迷宫密封泄漏特性的问题,通过采用CFD三维分析的方法,研究了直通式和含有矩形和圆形凹槽的迷宫密封在不同压比,间隙,转速下的三维流场和泄漏特性。研究结果表明:含有凹槽的结构能够显著的加快耗散气体动能,进而提高密封效率,降低迷宫密封泄漏量,其中圆形凹槽比矩形凹槽阻止泄漏量更优;随着间隙增大,迷宫密封泄漏均增大,泄漏量和泄漏增长率依次是圆形优于矩形优于直通式;随着进出口压比的增大,泄漏量增加明显,矩形与圆形凹槽增加趋势相近;随着转速的增大,气体在迷宫密封内的湍动能耗散增大,泄漏量有所降低,凹槽迷宫密封内的涡旋充分耗散,泄漏量降低更多,达到极值后趋于稳定。

关键词：迷宫密封凹槽结构流场特性泄漏特性

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正交试验法优化矿泉水瓶瓶体凹槽结构的形状

包装工程 2016年第19期37卷 137-141页

作者：宋卫生卢芳芳河南牧业经济学院郑州450046

目的研究矿泉水瓶体凹槽结构形状的优化设计。方法在有限元显式分析软件LS-DYNA中,通过不同厚度分布的实常数,建立厚度可连续变化的瓶体壳模型。针对影响瓶体垂直载压能力的凹槽形状参数,包括凹槽内高度、深度以及拔模角度,设计正交试... 详细信息

目的研究矿泉水瓶体凹槽结构形状的优化设计。方法在有限元显式分析软件LS-DYNA中,通过不同厚度分布的实常数,建立厚度可连续变化的瓶体壳模型。针对影响瓶体垂直载压能力的凹槽形状参数,包括凹槽内高度、深度以及拔模角度,设计正交试验。在正交试验的基础上,利用单因素试验优化外部拐角处的倒角半径。结果通过正交试验的极差分析,确定凹槽内高度2 mm,槽深度1 mm,拔模角度2°为最优方案。在单因素试验的基础上,综合美学和生产方面的考虑,确定倒角半径1 mm为最优方案。结论以矿泉水瓶体垂直载压能力所受影响最小为目标,得到了凹槽形状参数的最优组合方案,并为其他参数的优化提供了一种方法。

关键词：凹槽结构矿泉水瓶形状参数正交试验有限元