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高速轴向柱塞泵柱塞腔空化机理研究

液压与气动 2022年第9期46卷 106-115页

作者：陈远玲张阳闫明洋金亚光广西大学机械工程学院广西南宁530004

针对高速轴向柱塞泵内的空化问题,以某型号高速轴向柱塞泵为研究对象,搭建了其CFD数值仿真模型,研究柱塞泵旋转过程中的空化机理及演变规律。首先,对额定工况下柱塞泵的空化现象进行可视化分析,揭示空化的发生位置及在该位置处产生空化... 详细信息

针对高速轴向柱塞泵内的空化问题,以某型号高速轴向柱塞泵为研究对象,搭建了其CFD数值仿真模型,研究柱塞泵旋转过程中的空化机理及演变规律。首先,对额定工况下柱塞泵的空化现象进行可视化分析,揭示空化的发生位置及在该位置处产生空化的机理;其次,以转速为变量,研究转速对空化的影响规律及其影响机理。结果表明:空化主要发生在柱塞腔内,充液率不足和流体漩涡影响是空化的主要原因;空化程度随着转速的升高而不断升高,这是由于流体流速的提高导致静压低,另一方面流体的离心力增大造成了充油率不足,同时还使流体进入柱塞腔的射流角增大;最后,根据空化机理对柱塞缸体底孔进行结构改进。在额定工况下,改进后柱塞腔内的空化程度与改进前相比下降了59.3%,空化抑制效果显著。

关键词：高速柱塞泵 CFD数值仿真空化机理结构优化

核乏燃料泵送系统用涡流二极管内流空化机理及流阻特性研究

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核乏燃料泵送系统用涡流二极管内流空化机理及流阻特性研究

作者：陈枞楠浙江大学

学位级别：硕士

涡流二极管由于其无运动部件、无动密封及免维护的特征,在核工业等高危液体输送系统中有着巨大的应用前景。其基本原理类似于电路中的“二极管”,流体由中心管流入,切向管流出(正向流动)时,阻滞作用很小。反之流体由切向管流入,中心管流... 详细信息

涡流二极管由于其无运动部件、无动密封及免维护的特征,在核工业等高危液体输送系统中有着巨大的应用前景。其基本原理类似于电路中的“二极管”,流体由中心管流入,切向管流出(正向流动)时,阻滞作用很小。反之流体由切向管流入,中心管流出(反向流动)时,初始的切向速度以及旋流腔的结构使得流体在旋流腔内形成强涡旋流动,并在中心部分产生低压区,产生高阻滞作用。该单向流阻特性是涡流二极管一切应用的基础原理。涡流二极管性能主要由结构参数(旋流腔结构、中心管结构、切向管结构等)和工况参数(入口压力、出口背压、流量、流体介质等)两方面因素影响。同时研究发现在一定的结构和工况下,涡流二极管中心部位会发生明显的空化现象,该现象对涡流二极管性能影响明显。因此本文旨在针对其空化现象探索有效的研究方案,揭示其内部的空化形成机理,探索空化对涡流二极管性能的影响因素,提出针对空化流的涡流二极管优化设计方案。本文首先开展流体数值计算的工作,旨在从微观角度研究涡流二极管内流场机理。解析涡流二极管内流漩涡分布规律,探究空化流形成原因,同时进行实验较难完成的部分结构优化研究。同时采用不同模型结构,研究不同旋流腔结构及不同切向管、中心管结构对流场的影响因素,寻求涡流二极管结构优化设计方案。本文在数值模拟同时展开实验平台的测试工作,对涡流二极管进行系统研究。利用含有机玻璃透视结构及颜色标示PIV测试功能的实验台对涡流二极管流场运动规律及空化发生、发展过程进行测试。探究入口雷诺数、出口压力条件对空化现象的影响。结合以上测试数据寻求空化流的发生源,及其对涡流二极管综合性能的影响。综合以上实验和数值模拟结果分析,得出了涡流二极管空化流由液体汽化和不可凝结气体两部分组成,空化流的大小受入口速度、出口背压、旋流腔结构影响明显以及旋流腔中流场分自由涡和强制涡两个区域等一系列结论。

关键词：涡流二极管数值计算空化机理流阻特性结构优化气核气柱

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壅塞空化器的空化机理研究

壅塞空化器的空化机理研究

作者：苏新湖南工业大学

学位级别：硕士

壅塞空化器是一种新型的水力空化发生装置，它充分利用壅塞空化产生的特殊流场有效地加强了水力空化强度，但对产生壅塞空化的机理还有待进一步加深认识。将气液两相临界流的壅塞现象和液体的空化现象结合起来进行研究，针对不同壅塞空... 详细信息

壅塞空化器是一种新型的水力空化发生装置，它充分利用壅塞空化产生的特殊流场有效地加强了水力空化强度，但对产生壅塞空化的机理还有待进一步加深认识。将气液两相临界流的壅塞现象和液体的空化现象结合起来进行研究，针对不同壅塞空化器的结构和尺寸，通过CFD软件数值模拟壅塞空化器的空化流场，利用U型管压差计测量壅塞管壁面沿程静压力的分布，分析壅塞管内沿程压力和空隙率的变化规律，研究空泡生成和气液两相流及其临界流壅塞现象形成的机理;通过水听器测试壅塞空化器产生的空化噪声信号，分析空化噪声的功率谱特性、空化噪声能量比值和溃灭空泡数量和尺寸，并结合壅塞现象的特性研究壅塞空化的空泡溃灭机理，并把数值模拟结果和实验结果进行相互验证。研究结果表明，壅塞管的上游区域形成接近或低于饱和蒸汽压的低压区域，同时管内的含气率迅速升高，管内由单相流动转变为气液两相流，导致壅塞管内两相流的当地音速急剧下降，形成了当地马赫数接近于1的壅塞截面。在壅塞截面的上下游间高达108Pa/m的压力恢复梯度作用下，使得管内有数量多达106级和直径为10-6m级的空泡迅速溃灭，形成了剧烈空化的壅塞空化现象。空化器背压是壅塞空化强度的重要影响因素，在一定的空化器结构和水动力参数下背压存在相应的最佳范围。流量越大越有利于壅塞空化的形成，大流量下空化器溃灭的空泡数量更多;壅塞环可以在背压和流量不变的条件下影响壅塞截面的位置以及增大壅塞截面处的压力恢复梯度，且背压越低时效果越明显。

关键词：壅塞空化器空化机理壅塞截面气液两相流

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非惯性系下旋转叶栅空化流动不稳定性机理

非惯性系下旋转叶栅空化流动不稳定性机理

作者：闻天明兰州理工大学

学位级别：硕士

空化是流体机械中常见的现象,该现象在水力机械的设计和运行中都是工程设计人员需要考虑的重要问题之一。空化过程中伴随着振动、噪声、空蚀等影响机械运行的不利因素,同时空化的加剧空泡堵塞流道还会使得扬程和效率等迅速下降造成能源... 详细信息

空化是流体机械中常见的现象,该现象在水力机械的设计和运行中都是工程设计人员需要考虑的重要问题之一。空化过程中伴随着振动、噪声、空蚀等影响机械运行的不利因素,同时空化的加剧空泡堵塞流道还会使得扬程和效率等迅速下降造成能源的浪费,因此对空化机理的研究具有重要意义。本文的主要内容与结果如下:(1)通过开源软件OpenFOAM对NACA0015水翼云空化进行数值模拟与实验对比。研究表明二维与三维水翼的空泡形态都呈现准周期性,由于三维结构的复杂性使得在翼展方向三维水翼上空泡的形态发展并不相同。对水翼空化不稳定机理进行了研究,对二维水翼,由于逆压梯度产生的回射流与空泡界面共同作用切断水翼表面的附着空泡使其失去稳定性脱落;对于三维水翼,由于壁面效应导致回射流的方向分为侧向和正向回射流,两种回射流的共同作用使空泡失稳脱落。研究对比了当前三代涡识别技术运用在三维水翼空化中的优缺点,以omega准则准则为代表的第三代涡识别技术在推荐的阈值区间可准确地识别出涡的存在,该方法对涡的强弱判定、涡核所在位置都有很高的准确度。(2)为探究非惯性系对空化不稳定的影响,先对静止叶栅的空泡发展过程进行了研究。在低空化数下静止叶栅的叶片背面空泡发展也呈现了三维水翼中四个阶段的准周期性发展,但在空泡脱落和溃灭过程中静止叶栅的空化过程并未出现大片脱落的云空化现象,而是从靠近前盖板和靠近叶片表面空泡开始脱落。研究对比了三维水翼云空化不稳定机理和低空化数下静止叶栅空化不稳定机理,表明两者的不稳定机理都是由于回射流。静止叶栅的过流面积不断扩大,在空泡尾端的回射流呈现准三维的流动特性,这也是静止叶栅空泡形态与三维水翼不同的原因。(3)最后对非惯性系下旋转叶栅的空泡发展过程进行了研究,并对比了非惯性系对空化的影响。通过对比发现该抽象化的叶片可以大大降低叶片曲率等因素对空化不稳定性的影响,便于对其失稳机理的进一步研究。初步探明了旋转叶栅的空泡不稳定机理,表明科氏力与回射流的共同作用是空化不稳定的原因。

关键词： OpenFOAM 不稳定性非惯性系空化演变空化机理

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螺旋槽液膜密封端面空化发生机理

化工学报 2016年第11期67卷 4750-4761页

作者：李振涛郝木明杨文静曹恒超任宝杰中国石油大学(华东)密封技术研究所山东青岛266580

液膜中空化的发生直接影响着密封流体动压润滑性能,基于质量守恒的JFO边界条件,建立考虑表面粗糙度的螺旋槽液膜密封物理模型,经坐标变换将不规则物理域转换成规则计算域,采用有限控制体积法离散控制方程并求解,分析了膜厚、表面粗糙度... 详细信息

液膜中空化的发生直接影响着密封流体动压润滑性能,基于质量守恒的JFO边界条件,建立考虑表面粗糙度的螺旋槽液膜密封物理模型,经坐标变换将不规则物理域转换成规则计算域,采用有限控制体积法离散控制方程并求解,分析了膜厚、表面粗糙度、螺旋槽功用(上游泵送和下游泵送)、螺旋槽开槽位置及空化压力对液膜中空化发生的影响。结果表明:较小膜厚工况易促生空穴,而较大膜厚易削弱空穴,且随着膜厚增大,表面粗糙度的影响降低甚至被忽略;当密封为上游泵送型时,空穴区周向宽度明显大于下游泵送型,而螺旋槽位置对空化的影响与螺旋槽功用密切相关;选取较小空化压力使空穴缩减,而较大者反之,且后者对提升液膜承载有利。

关键词：液膜密封空化机理上游泵送下游泵送空化压力

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考虑表面张力的球泡运动的理论解研究

Acta Mechanica Sinica 2023年第6期39卷 22-30页

作者：郭凯涛赵迪张凌新 State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems Department of Engineering MechanicsZhejiang UniversityHangzhou 310027China Xi’an Aerospace Propulsion Test Technology Institute Xi’an 710000China

Rayleigh-Plesset方程是气泡动力学的基本模型,被广泛应用于空化机理的研究中.由于空化气泡经常发生在微观尺度上,表面张力的影响将对气泡的运动产生重要的影响.基于Sundman变换和Weierstrass椭圆函数理论,研究了考虑表面张力的Rayleigh... 详细信息

Rayleigh-Plesset方程是气泡动力学的基本模型,被广泛应用于空化机理的研究中.由于空化气泡经常发生在微观尺度上,表面张力的影响将对气泡的运动产生重要的影响.基于Sundman变换和Weierstrass椭圆函数理论,研究了考虑表面张力的Rayleigh-Plesset方程,并分别建立了蒸汽气泡和气泡的参数理论解.结果表明,蒸汽泡和气体泡动力学方程可以从理论上得到求解.在理论解的基础上,进一步研究了表面张力对蒸汽气泡和气泡运动的影响.对于这两种气泡,随着气泡尺度的减小,表面张力对气泡运动的影响会逐渐增大.特别是当气泡尺度减小到10μm时,表面张力的影响变得更加显著,不可忽略.

关键词： Weierstrass椭圆函数气泡动力学空化气泡表面张力气泡运动空化机理 Rayleigh 微观尺度

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仿枪虾夹螯淹没空化射流装置设计与实验研究

仿枪虾夹螯淹没空化射流装置设计与实验研究

作者：尹航南京航空航天大学

学位级别：硕士

海军“蛙人”部队在水下执行通讯干扰任务时,需要携带相应的噪声干扰、短距离防御等单兵作战武器。现有噪声干扰多采用内部电磁装置进行高频信号的产生和放大,体积较大、不易携带和伪装。为此,本文利用枪虾夹螯高速闭合产生空化射流及... 详细信息

海军“蛙人”部队在水下执行通讯干扰任务时,需要携带相应的噪声干扰、短距离防御等单兵作战武器。现有噪声干扰多采用内部电磁装置进行高频信号的产生和放大,体积较大、不易携带和伪装。为此,本文利用枪虾夹螯高速闭合产生空化射流及其辐射的高强噪声,以枪虾夹螯为研究对象,进行了仿枪虾夹螯空化射流装置的设计和优化,并探究其空化发生机理及空化噪声等特性,为新型便携式噪声干扰装置的研制提供基础。论文的主要内容和成果如下:(1)开展了基于仿真驱动的仿枪虾夹螯空化射流装置的设计与结构优化研究。通过活体枪虾的CT扫描数据,对仿生夹螯的结构进行了设计;基于多相流仿真分析了仿生夹螯装置各部分对空化效果的影响,给出了仿生夹螯装置结构优化模型,采用基于仿真驱动的方法进行了结构优化。(2)开展了仿枪虾夹螯空化射流装置的空化转化效率和产生机理研究。通过研制仿生装置及其测试平台,对仿生装置闭合过程中的流场现象进行了拍摄;依据拍摄的空化图像,利用能量守恒和等效原理对其转化效率进行了计算;结合枪虾螯部表面的绒毛微结构,基于边界层原理等理论,对仿生装置产生空化的机理进行了相应的分析。(3)开展了仿枪虾夹螯空化射流装置空化效果测量与分析研究。利用铝箔的易腐蚀性,对仿生装置的空蚀效果进行了不同靶距的实验测量,基于空蚀坑的集中程度对其能量聚焦的效果进行了探究;利用小波分解等技术,对所测量的仿生装置空化噪声信号的特性进行了探究。(4)提出了仿枪虾夹螯空化射流装置的空化效果控制建模方法。以仿枪虾夹螯空化射流装置仿真和实验的输入参数与输出空化结果为训练样本,利用生成对抗网络(GAN)对其进行补充,通过分析生成数据与真实数据之间的误差,建立了仿枪虾夹螯空化射流装置输入参数与输出空化效果之间的控制模型。

关键词：仿枪虾夹螯空化射流 CFD仿真空化机理空化噪声

离心泵内部流动结构、性能优化与故障检测综述

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Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering) 2020年第2期21卷 85-117页

作者： Zhe-ming TONG Jia-ge XIN Shui-guang TONG Zhong-qin YANG Jian-yun ZHAO Jun-hua MAO State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems Zhejiang UniversityHangzhou 310027China School of Mechanical Engineering Zhejiang UniversityHangzhou 310027China Hangzhou Boiler Group Co. Ltd.Hangzhou 310021China Wuxi Huaguang Boiler Co. Ltd.Wuxi 214028China

目的:对离心泵的内部流动机理和外部特性、振动监测和性能优化进行研究,并对新兴研究趋势进行评述,为提高离心泵系统的能效提供参考建议。创新点:1.探讨了最新的用于离心泵数值模拟的湍流模型和空化模型的研究成果以及利用可视化方法揭... 详细信息

目的:对离心泵的内部流动机理和外部特性、振动监测和性能优化进行研究,并对新兴研究趋势进行评述,为提高离心泵系统的能效提供参考建议。创新点:1.探讨了最新的用于离心泵数值模拟的湍流模型和空化模型的研究成果以及利用可视化方法揭示离心泵内部复杂流动现象的最新进展。2.对离心泵的外部特性、空化和振动进行了广泛的讨论,并总结出一种提高离心泵在工程应用中的效率和扬程、降低汽蚀余量的适用性强的离心泵叶轮多目标优化方法。方法:1.对离心泵的内部流动机理进行综述,以充分了解离心泵内部复杂的流场结构和能量损失机理。2.对离心泵外部特性进行研究,解释内部非定常流动与外部特性的耦合关系。3.介绍与离心泵在运行过程中压力脉动的监测和测量相关的最新研究进展。4.详细介绍优化离心泵性能的各种方法和措施。结论:1.尽管对离心泵内部流动现象机理及流场结构的研究已经取得了一定进展,但研究中仍存在一些亟待解决的问题,如初生空化的监测与预防、泵内旋转失速现象发生发展的规律、数值模拟和实验之间不可忽视的数据差异等。2.针对这些问题,开发高精度的计算流体动力学仿真模型,结合关键过流部件的优化设计来减少流动不稳定性和提高性能,以及运用现代流动显示技术的最新设备进行大量的仔细繁杂的试验与测量工作,是非常必要和重要的,也是未来泵内流动研究的趋势。

关键词：离心泵气液两相流空化机理压力脉动多目标优化

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“水中空化及弹道技术”专题序言

装备环境工程 2022年第5期19卷 I0006-I0006,I0005页

作者：黄振贵不详

随着新军事变革的快速推进,水下对抗日趋激烈且向体系化发展,我军舰艇等面临的水下威胁越来越多。我国海军舰艇对抗空中、水面、陆地的信息化攻防体系已近完善,但水下防御系统基本空白,发展高性能的水下防御武器已成为重要的热点。武器... 详细信息

随着新军事变革的快速推进,水下对抗日趋激烈且向体系化发展,我军舰艇等面临的水下威胁越来越多。我国海军舰艇对抗空中、水面、陆地的信息化攻防体系已近完善,但水下防御系统基本空白,发展高性能的水下防御武器已成为重要的热点。武器入水或者水下运动过程中空泡是必然现象,其影响着武器的入水性能、水下抗冲击、减阻效果及稳定性等。多年来国内外一直高度关注跨介质和水下武器发射、入水和水下空泡流场问题以及其对水下弹道的稳定性影响,但是这些研究都没有形成完整的技术体系,尤其是在基础性和共性的科学问题研究方面显得十分薄弱,例如对高速入水或水下航行的空化机理及其对稳定性的影响研究还处于空白。近年来我国加大了对水中空化机理及其对弹道稳定性的影响方面的应用基础和工程技术研究,已取得了阶段性研究成果。

关键词：阶段性研究必然现象水下航行空化机理减阻效果水下防御水下运动水下武器