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中心体喷嘴水下射流空化特性数值研究

中心体喷嘴水下射流空化特性数值研究

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作者：曹秀清江苏科技大学

学位级别：硕士

传统的高压水射流清洗方法是依靠水泵的供给压力,以水作为载体产生较高的冲击力来达到良好的清洁效果。虽然其具备高效、环保等优点,但是对应的清洁能力过度依赖增压设备。而空化水射流是将高压射流与水力空化相结合的一种更高效地清洁... 详细信息

传统的高压水射流清洗方法是依靠水泵的供给压力,以水作为载体产生较高的冲击力来达到良好的清洁效果。虽然其具备高效、环保等优点,但是对应的清洁能力过度依赖增压设备。而空化水射流是将高压射流与水力空化相结合的一种更高效地清洁技术,对供给压力要求低并且射流冲击清洗效果更强,主要原理是利用高速射流在水中的强剪切作用产生许多空泡,随着射流在清洁表面溃灭的冲击效果来达到对设备表面的清洁。因此,掌握空化水射流流动的相关理论,优化空化喷嘴的结构参数,研究射流空化形态的脉动特性,对开发绿色高效的水射流清洗技术具有重要意义。首先,对空化水射流进行数值模拟研究。通过引入FBDCM(Filter-Based Density Correction Model)模型对RNG(Renormalization-Group)k-ε模型的湍流粘度进行修正,并考虑剪切应力对空泡形成的影响修正空化模型,将数值计算结果与前人的实验结果进行对比验证,发现空化水射流的无量纲速度、空化云形态以及流场脉动规律吻合程度非常高。其次,对不同结构参数的中心体空化喷嘴进行优化设计研究。根据模拟结果,选择出口形状为扩口型、中心体末端为锥形的空化喷嘴结构。利用正交试验得到空化喷嘴各个结构参数对空化性能的影响因素,确定在空化喷嘴直径为2 mm的情况下,收缩段L=4 mm、喉管段L=4 mm、扩张段L=5 mm、扩张角β=60°以及中心体缩进距离S=1 mm时空化性能最佳,并选择影响较大的因素进行深入研究,发现结构参数引起的射流速度变化,导致了射流剪切层厚度的变化,从而影响了流场低压区域的分布,使得射流流场空化云出现大小不一的差异。然后,对中心体空化射流流场的脉动特性进行研究。结果表明:空泡在初生阶段时,随着射流在喷嘴内部的发展,低压区域逐渐增大,空化泡随之生长变大;随后射流进入空化云不稳定发展阶段时,高速射流进入静止流场引起强烈的脉动剪切作用,使得大量的涡结构相互合并与断裂;随着射流在流场继续发展,空化云形态逐渐出现生长、脱落与坍塌的稳定脉动周期性行为。并且随着进口压力的增大,射流速度增加,导致了剪切层中涡的结构增大,数目增多,从而进一步降低了流体的局部压力,加强了空化性能。最后,利用动力学模态分解(Dynamic Mode Decomposition,DMD)研究空化云的周期性流动行为。研究发现:第一阶模态为平均流场,是流场的主要结构,第二阶模态与空化云的周期性脱落、溃灭动力学行为有关,随着进口压力的增加,空泡脱落与溃灭的演变越来越剧烈,空泡尺寸与空穴长度都逐渐增加,随着喷嘴直径的增加,空泡脱落与溃灭的演变剧烈程度先增加后减弱。

关键词：中心体空化喷嘴数值计算空化射流动力学模态分解空化云周期性行为

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