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颗粒与壁面的碰撞反弹特性研究

颗粒与壁面的碰撞反弹特性研究

作者：叶佳辉浙江理工大学

学位级别：硕士

颗粒与壁面的碰撞反弹时常发生在管道运输系统、流态化反应器等设备的内部,颗粒与壁面不同形式的碰撞反弹行为会引起颗粒粘附、颗粒堆积等后果,影响工业生产的效率。为了探究颗粒与壁面碰撞反弹过程中的特点,本文主要采用实验方法,对工... 详细信息

颗粒与壁面的碰撞反弹时常发生在管道运输系统、流态化反应器等设备的内部,颗粒与壁面不同形式的碰撞反弹行为会引起颗粒粘附、颗粒堆积等后果,影响工业生产的效率。为了探究颗粒与壁面碰撞反弹过程中的特点,本文主要采用实验方法,对工业生产中普遍存在的颗粒与壁面干碰撞和湿碰撞开展研究,通过高速摄影技术对颗粒与壁面碰撞后的恢复系数、运动轨迹以及液桥变化规律等进行了分析,揭示了两种碰撞情况下颗粒反弹恢复系数的变化规律,并对比讨论了干、湿碰撞后颗粒能量损失的主要原因,总结了两种状态下颗粒与壁面碰撞反弹数学模型。主要研究内容如下:(1)碰撞反弹实验的设计与实现:设计并研制了颗粒喷射装置,保障球形颗粒以一定的速度和角度冲击目标壁面,采用高速摄像机记录颗粒与壁面的碰撞反弹过程,并使用图像处理软件对颗粒的运动进行了处理及分析。(2)颗粒与干燥壁面的碰撞反弹特性研究:当颗粒及壁面均为干燥情况时,法向恢复系数随着入射速度增加而有略微的减小,其原因是金属铝壁面的塑性变形及接触过程中弹性波耗散;切向恢复系数随入射角度的增加,经历了先减小后增大的过程,其原因是颗粒与壁面的接触方式由滚动逐渐转变到了滑动。(3)颗粒与带液膜壁面的碰撞反弹特性研究:当目标壁面覆盖有液膜时,颗粒反弹后将在壁面上牵拉出一条动态变化的液桥,进而影响了颗粒的运动轨迹。与干碰撞的结果有所不同,湿碰撞时法向恢复系数会受到粒径、入射速度、液膜厚度和粘度等因素的影响,而切向恢复系数的大小只和液膜的存在与否有关。同时可以发现,当液膜存在时,颗粒的反弹存在一个临界反弹速度,入射速度低于该值时,颗粒被液桥牵拉回壁面。颗粒的能量耗散将随粒径的减小以及液膜的粘度和厚度的增加而增大。

关键词：颗粒壁面碰撞反弹恢复系数动态液桥临界速度

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颗粒与复合绝缘子的碰撞粘附模型

中国电机工程学报 2021年第21期41卷 7540-7550页

作者：刘云鹏黄志成耿江海王从龙刘继兴李星辰孔迤萱河北省输变电设备安全防御重点实验室(华北电力大学) 河北省保定市071003 广东电网佛山供电局广东省佛山市528000

随着复合绝缘子的广泛使用,深入探究复合绝缘子的积污机理可为外绝缘的运行维护提供科学的理论指导依据。针对现有研究的不足,该文考虑颗粒与复合绝缘子表面的粗糙接触情况,对不同颗粒与复合绝缘子间粘附力的测量结果进行统计分析。基... 详细信息

随着复合绝缘子的广泛使用,深入探究复合绝缘子的积污机理可为外绝缘的运行维护提供科学的理论指导依据。针对现有研究的不足,该文考虑颗粒与复合绝缘子表面的粗糙接触情况,对不同颗粒与复合绝缘子间粘附力的测量结果进行统计分析。基于统计结果及经典物理模型,结合流体力学、粘附力学与表面力学,建立综合考虑电场、流场、空气湿度、表面粗糙接触、颗粒三维反弹速度与角度的颗粒与复合绝缘子的碰撞粘附模型。同时,运用该模型开展复合绝缘子的积污仿真运算,并通过与现有试验结果及其他模型的仿真结果对比,论证该模型的合理性与先进性。最后,探究风速和颗粒粒径对复合绝缘子积污的影响。结果表明:相同颗粒与复合绝缘子间的粘附力服从正态分布,直径在5~20μm之间的颗粒更易沉积于复合绝缘子表面。风速越大,颗粒粒径对复合绝缘子表面积污量的影响越明显。该文模型能够描述复合绝缘子的积污过程,可为进一步深入揭示复合绝缘子的积污机理提供参考。

关键词：复合绝缘子积污概率粘附碰撞反弹模型对比

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复合绝缘子表面颗粒碰撞捕集模型与试验验证

高电压技术 2022年第3期48卷 902-913页

作者：黄志成刘云鹏耿江海李欢孔迤萱刘继兴华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室保定071003

随着复合绝缘子的广泛使用,深入探究复合绝缘子的积污机理可为复合绝缘子的选型、运维提供科学的理论指导依据。该文将试验获得的微米级颗粒与电工硅橡胶碰撞反弹运动的半经验数学表达形式与电场、流场仿真相结合,建立了复合绝缘子的表... 详细信息

随着复合绝缘子的广泛使用,深入探究复合绝缘子的积污机理可为复合绝缘子的选型、运维提供科学的理论指导依据。该文将试验获得的微米级颗粒与电工硅橡胶碰撞反弹运动的半经验数学表达形式与电场、流场仿真相结合,建立了复合绝缘子的表面颗粒碰撞捕集模型。同时,基于荷电积污平台,构建了理想的积污环境,通过污秽分布与可视化对比验证了该模型的有效性。研究表明:绝缘子表面的污秽沉积受物理场分布、绝缘子结构、碰撞颗粒属性综合作用的影响。复合绝缘子的上表面迎风侧芯棒前端与气流沿芯棒在背风面的切线方向为颗粒滞留区,下表面芯棒的前后侧为颗粒滞留区。该模型具有可靠的物理基础与试验基础,能够更精细地展示复合绝缘子积污信息。该模型可用于未来复合绝缘子的选型与优化工作。

关键词：复合绝缘子积污碰撞反弹计算模型理想积污环境

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砂尘在典型金属壁面上的反弹特性仿真研究

南京航空航天大学学报 2020年第1期52卷 142-149页

作者：马松林赵振华颜诚陈伟南京航空航天大学航空发动机热环境与热结构工业和信息化部重点实验室南京210016

含有砂尘的空气吸入发动机,会与叶片、内外机匣之间不可避免发生碰撞,影响飞行器飞行安全。通过采用显式动力分析有限元法,建立砂尘以不同入射角度、入射速度、粒径大小及其旋转速度撞击壁面的反弹模型,研究砂尘在不同条件下与不锈钢及... 详细信息

含有砂尘的空气吸入发动机,会与叶片、内外机匣之间不可避免发生碰撞,影响飞行器飞行安全。通过采用显式动力分析有限元法,建立砂尘以不同入射角度、入射速度、粒径大小及其旋转速度撞击壁面的反弹模型,研究砂尘在不同条件下与不锈钢及铝合金面碰撞后的反弹特性结果,为预测砂尘在粒子分离器中的运动轨迹提供反弹特性数据支持。结果表明:随砂尘入射速度增大,反弹速度呈增大趋势,速度恢复系数基本保持稳定;相同入射条件下,铝合金材料对砂尘速度恢复系数的影响小于不锈钢材料;旋转速度、砂尘粒径对其碰撞反弹特性影响微弱,可以忽略不计;决定砂尘反弹角度仅取决于碰撞姿态和砂尘入射角度。

关键词：砂尘冲蚀碰撞反弹旋转速度砂尘粒径

压气机流道中砂粒轨迹及碰撞位置的计算方法研究

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机械制造与自动化 2020年第3期49卷 105-108,133页

作者：赵磊刘璐璐赵振华陈伟南京航空航天大学能源与动力学院江苏南京210016

飞机在砂尘地带工作时会吸入大量砂粒,砂粒进入核心机后会对叶片造成永久性的磨损,改变发动机的总体性能,对发动机造成极大损伤。通过建立碰撞反弹数据库,采用颗粒轨道模型,并调用已存入数据库中的气动参数,对砂粒在叶片通道中的飞行过... 详细信息

飞机在砂尘地带工作时会吸入大量砂粒,砂粒进入核心机后会对叶片造成永久性的磨损,改变发动机的总体性能,对发动机造成极大损伤。通过建立碰撞反弹数据库,采用颗粒轨道模型,并调用已存入数据库中的气动参数,对砂粒在叶片通道中的飞行过程进行数值模拟,获得了砂粒在压气机流道中的运动轨迹及碰撞位置,为掌握影响砂粒在压气机内部的运动轨迹及其碰撞点位置提供研究方法,同时也为今后提高压气机叶片相应部位强度的研究提供理论依据。

关键词：发动机防砂球形砂粒运动轨迹碰撞反弹数值模拟

压气机叶片的砂尘冲蚀损伤部位的预测方法研究

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压气机叶片的砂尘冲蚀损伤部位的预测方法研究

作者：赵磊南京航空航天大学

学位级别：硕士

飞机在砂尘地带工作时会吸入大量含砂气流,砂尘进入压气机后对叶片的冲蚀会造成永久性的磨损、叶片表面的点蚀以及前缘破损,增加叶片表面粗糙度和叶片通道的总压损失,改变发动机的总体性能,对发动机造成极大损伤。对于旋转部件中砂尘飞... 详细信息

飞机在砂尘地带工作时会吸入大量含砂气流,砂尘进入压气机后对叶片的冲蚀会造成永久性的磨损、叶片表面的点蚀以及前缘破损,增加叶片表面粗糙度和叶片通道的总压损失,改变发动机的总体性能,对发动机造成极大损伤。对于旋转部件中砂尘飞行轨迹及碰撞位置的研究有助于提高叶片表面损伤位置的认识,获得砂尘飞行及碰撞位置的一般规律。本文以某型轴流压气机为研究对象,通过开展砂尘在该轴流压气机模型中飞行轨迹的数值模拟得到其碰撞位置的一般规律对研究压气机叶片抗冲蚀性能具有重要的参考价值。本文结合理论分析、试验与数值仿真完成了以下工作:(1)进行了砂尘在流场中的受力分析,并建立流场数据库以及碰撞反弹数据库。通过分析流场对砂尘的作用并基于颗粒轨道模型获得了砂尘运动过程中受力;通过采用Numeca流场计算软件,获得了计算模型流场节点参数;通过碰撞反弹试验台,开展了不同粒径砂尘在不同入射条件下与钛合金平板的碰撞反弹试验,获得了不同入射条件下砂尘的反弹参数;以VC++为研究平台建立了流场数据库与碰撞反弹数据库。(2)基于颗粒轨道模型及拉格朗日法编写砂尘运动轨迹计算程序,并计算了单颗砂尘在压气机流道中的飞行轨迹及与叶片的碰撞位置。(3)进行了大量砂尘飞行轨迹的数值计算,并拟合得到了砂尘在转子叶片表面碰撞参数的一般规律。通过在程序中不断的循环计算获得了大量砂尘的飞行轨迹及碰撞参数,数值结果表明:相对于导流叶片与静子叶片,转子叶片受到砂尘碰撞频率较高;砂尘集中碰撞于叶片前缘、叶盆位置,叶高方向随高度增加,碰撞频率不断上升,叶尖附近位置碰撞频率较高。通过Matlab软件对碰撞参数进行数据拟合,得到了不同叶高处、叶片表面的拟合方程,基于不同叶高所获拟合方程比曲面拟合拟合误差更小,拟合更精确。通过本文的研究,一方面能够为其他旋转部件中砂尘碰撞部位研究方法提供参考,另一方面根据所得压气机叶片表面砂尘碰撞位置的分布规律,为压气机抗冲蚀设计提供参考。

关键词：防砂运动轨迹碰撞反弹数值模拟