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导管螺旋桨的空化及噪声性能数值分析

导管螺旋桨的空化及噪声性能数值分析

作者：张力为武汉理工大学

学位级别：硕士

随着船舶向大型化、高速化发展,推进器负荷越来越重,导管桨的空化问题往往较难避免,随之而来的水动力性能下降、剥蚀严重、振动加剧还有辐射噪声等问题都将大大影响船舶的推进性能和整个系统的安全可靠性,对舰船隐身性提出了巨大的挑战... 详细信息

随着船舶向大型化、高速化发展,推进器负荷越来越重,导管桨的空化问题往往较难避免,随之而来的水动力性能下降、剥蚀严重、振动加剧还有辐射噪声等问题都将大大影响船舶的推进性能和整个系统的安全可靠性,对舰船隐身性提出了巨大的挑战。因此本文基于RANS方法对导管螺旋桨的水动力、空化和噪声性能进行了数值研究,对导管螺旋桨综合性能的提升具有重要的意义,同时可以为空化诱导产生的噪声、振动和剥蚀等问题提供一定的数值和理论支撑。本文首先应用STAR-CCM+计算软件,基于雷诺平均纳维-斯托克（RANS）方法结合两方程湍流模型,采用基于压力耦合的粘性求解器,针对导管螺旋桨的敞水性能进行了数值模拟,并以在武汉理工大学拖曳水池进行的敞水试验结果为基准,进行了网格无关性的验证以及湍流模型预报精度的比较分析。结果表明:在现有网格划分形式下,当y+≈40时,基于RANS方法和Realizable k-?湍流模型的敞水性能其数值结果具有一定精度,可以应用在工程实践中。其次,在给定轴向试验伴流下,基于非定常RANS方法对导管桨非定常水动力性能进行了计算,结合VOF两相流模型和Schnerr-Sauer空化模型对其空化性能进行了计算,并与空泡水筒试验结果进行对比,验证了空化模拟数值计算方法的正确性和可靠性;对其空泡形态、水动力性能以及由空化诱导的船底压力脉动进行了分析。在空化发生时,导管桨的水动力性能有所下降,总体推力和扭矩波动幅度较大;靠近导管前缘的监测点压力幅值最大,固定测点的压力脉动一阶幅值处于安全范围内。随后,本文基于扇声源法和脉冲球形气泡理论,对导管桨的无空化负载噪声、空化负载噪声和空化辐射噪声分别进行了计算。首先运用CFD手段结合扇声源法计算了INSEAN E779A桨的负载噪声,并与文献中提供的参考值进行对比,验证了本文采用计算方法的有效性;随后运用该方法对导管螺旋桨无空化负载噪声和空化负载噪声进行了对比,发现空化负载噪声比无空化负载噪声较小,但其声指向性并没有太大变化;最后运用脉冲球形气泡理论对空化工况产生的单极子噪声进行了数值预报。结果表明:发生空化后,空化辐射噪声远大于桨叶负载噪声,成为导管螺旋桨的主要噪声源。

关键词：导管螺旋桨 RANS方法空化现象噪声扇声源法

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聚合物材料空化效应研究进展

高分子通报 2005年第5期 36-45,91页

作者：单桂芳杨伟李忠明谢邦互杨鸣波四川大学高分子科学与工程学院

综述了聚合物基材料中的各种空化现象,对橡胶增韧聚合物体系中的空化现象进行了详细讨论。同时讨论了聚合物基材料的形态、结构等因素对空化效应的影响,介绍了各种空化现象的原因及其对材料性能的影响和作用机理。

关键词：聚合物材料空化效应机理聚合物材料空化现象效应研究聚合物基聚合物体系橡胶增韧空化效应材料性能

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滚动活塞压缩机径向间隙空化实验研究

滚动活塞压缩机径向间隙空化实验研究

作者：罗耀鹏广西大学

学位级别：硕士

滚动活塞压缩机径向间隙结构为“开放-紧缩-开放”式的文丘里管结构,在压缩机运行过程中,径向间隙的油膜内将容易发生空化现象。空化现象的出现不仅引发噪声、振动、空蚀等影响,而且还会使破坏径向间隙油膜密封性能。因此针对滚动活塞... 详细信息

滚动活塞压缩机径向间隙结构为“开放-紧缩-开放”式的文丘里管结构,在压缩机运行过程中,径向间隙的油膜内将容易发生空化现象。空化现象的出现不仅引发噪声、振动、空蚀等影响,而且还会使破坏径向间隙油膜密封性能。因此针对滚动活塞压缩机径向间隙空化现象的研究,对优化压缩机性能有着重要的现实意义。本文通过计算径向间隙油膜压力分布及空化数,讨论了径向间隙空化气泡的类型;采用“高速摄影技术+声发射技术”的“视听耦合”实验方法对压缩机空化现场进行了观测,首先利用高速摄影对自主设计的等效压缩机径向间隙的空化现象进行实验研究,结果获得了影响空化现象发生的条件、空化气泡的初生时刻及演化过程,同时对各个条件下的空化剧烈程度进行了评估;其次利用声发射采集技术对等效压缩机的声发射信号进行采集,经过对声发射信号的处理分析,获得到了空化对应的信号频段,并计算得到了空化现象出现的时间以及各个条件下空化的剧烈程度。最后将高速摄影技术和声发射采集技术两种实验结果进行对比,建立了空化现象与声发射特征参数变化之间联系。本文的主要研究内容包括以下几个方面:(1)按照滚动活塞压缩机结构和工作原理计算得到压缩机两腔容积变化以及腔内压力变化曲线。建立并求解修正后的两相流Reynolds方程得到压缩机工作过程中径向间隙油膜内压力分布。结果显示,在径向间隙前(往压缩腔方向)约8°的位置,开始出现压降。在分析空化数时发现,流体速度越大就越容易发生空化,考虑到实验最大转速为1300rpm,因此基于油膜压力分布,计算得到了1300rpm下径向间隙油膜内的各个位置的空化数。结果显示空化数在高压腔往低压腔方向上呈下降趋势,且与流体机械中常用以判断空化的空化数相比,其数值较大。最后结合空化类型定义及形成机理,判断等效压缩机中的空化类型为似是空化。(2)自主设计一套等效压缩机装置,利用高速摄影技术对径向间隙进行空化实验观测。通过改变等效压缩机转速、两腔压差的实验,获得了两个因素在不同水平下对空化出现的情况,并观察到空化气泡从初生到溃灭的演化过程,根据定义判断为空化气泡,且观察到空化气泡初生的角度均在180°～210°之间。在评估各个条件下的空化剧烈程度时发现,相对于转速而言,压差对空化的影响更大。此外,还对油膜宽度的变化过程进行分析,利用拟合手段得到空化出现前的油膜宽度变化趋势,并计算出密封油膜理论上被击穿的角度,与实际被击穿的角度进行对比,结果表明,空化出现时,计算得到的被击穿角度与实际被击穿角度之间相差更大,即空化现象加速了密封油膜的失效进程。(3)利用声发射技术对等效压缩机的空化监测,对空化声发射信号进行采集,并利用小波软阈值降噪方法对得到的信号进行降噪处理。对所有实验组对应的声发射信号进行频谱分析,结果得到,相对于无空化实验组的频谱,有空化实验组所对应频谱中多了一段130-170 k Hz的高频成分,可初步判断为空化对应频段。利用短时傅里叶变换对信号进行时频域分析,结果在时频图中分析得到130-170 k Hz的高频成分出现的时间对应了高速摄影空化观测实验中图像数据上空化气泡初生的时刻,从而也更加确定了空化的对应频段。基于此,计算了包含空化频段在内的125-250 k Hz频段的小波能量特征来评估各个条件下的空化剧烈程度,结果表明,相比于转速,压差对于空化程度的影响更加显著。最后分析了声发射事件计数、振铃计数、RMS变化情况与空化现象之间的关系,结果显示,当空化发生时,这些特征参数均呈不同程度的增加,可用作判断空化发生的依据。(4)最后将高速摄影所“看”到得与声发射采集装置“听”到的结果进行对比分析,结果表明影响空化发生的条件、空化发生的位置、空化演化的剧烈程度趋势一致。高速摄影实验可以“看”到更加直观的空化演化过程,并可以依此判断出空化的类型,同时还“看”到了空化对密封油膜的影响情况。声发射实验在结合了“看”到的结果后,建立起信号频谱、特征参数变化特征与空化之间的关联,即当130-170 k Hz高频成分峰值出现时,利用该区间最大平均幅值的51.25%来判断空化现象出现的时间点;同时确定时间区段内事件计数增幅32.37%、振铃计数增幅23.18%、RMS增幅21.89%作为空化出现的判断依据。

关键词：滚动活塞压缩机径向间隙油膜空化现象高速摄影技术声发射

耦合喷嘴内流的高压燃油喷雾过程数值模拟研究

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耦合喷嘴内流的高压燃油喷雾过程数值模拟研究

作者：肖迪北京交通大学

学位级别：硕士

燃油雾化特性是决定直喷式柴油机燃烧性能的重要因素之一。燃油雾化机理的研究将为喷油系统设计提供必要的理论依据。由于燃油雾化过程涉及空化流动、湍流脉动、流动失稳以及空气动力作用等众多复杂因素,目前人们对燃油雾化机理的认识... 详细信息

燃油雾化特性是决定直喷式柴油机燃烧性能的重要因素之一。燃油雾化机理的研究将为喷油系统设计提供必要的理论依据。由于燃油雾化过程涉及空化流动、湍流脉动、流动失稳以及空气动力作用等众多复杂因素,目前人们对燃油雾化机理的认识还有待继续深入。众多研究成果已表明,燃油雾化特性受到喷嘴内流的影响;但由于人们对喷嘴内流及喷嘴内流-喷嘴外雾化的耦合作用机制缺乏深入理解,上述问题仍然是当前燃油雾化方向的研究热点问题。对燃油喷嘴内流以及喷嘴内流-喷嘴外雾化的耦合作用机制的研究将有助于加深对燃油雾化机理的理解,具有重要的理论意义和工程实用价值。本文首先通过引入Schnerr-Sauer空化模型,建立了考虑空化流动的喷嘴内气液两相流动数学模型。在此基础上针对某一结构喷油器开展了喷嘴内流动过程的数值计算,通过对比实验结果分析了喷嘴内流数学模型的预测性能。通过建立的喷嘴内气液两相流动数学模型,研究了喷油系统参数(喷孔直径、喷孔长度、喷油压力和出口背压)对喷嘴内部流动的影响。重点分析了喷油系统参数对喷嘴内空化现象的影响。根据喷嘴内流的模拟结果,对喷孔出口截面处的流动参数进行了统计,为喷嘴内流-燃油雾化耦合模型提供耦合参数。在深入分析喷嘴内流动特性的基础上,通过引入空泡崩溃能模型,建立了喷嘴内流与喷嘴外射流雾化的耦合数学模型。该模型可以考虑空泡破碎和湍流脉动对喷嘴外雾化的影响。然后,通过对比实验结果验证了耦合模型的准确性。结果显示,对于空化流动强烈的喷雾问题,空泡崩溃能必须考虑,否则将低估喷雾锥角值。最后,利用建立的耦合雾化模型详细研究了喷嘴结构参数、喷射压力和环境背压对燃油雾化过程的影响。从宏观和微观喷雾特性,深入分析了喷油系统参数对燃油雾化过程的影响规律和作用机制。

关键词：燃油雾化喷嘴内流空化现象气液两相流

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超声场下白钨矿碱浸动力学

超声场下白钨矿碱浸动力学

作者：丁文涛中南大学

学位级别：硕士

钨是我国重要的优势战略资源,其矿物大多为复杂难处理的白钨矿。本研究中以白钨矿为对象,系统考察超声场中NaOH、Na2CO3、 Na3PO4三种体系条件下白钨矿浸出动力学,以探讨超声场对矿物浸出过程的影响机理。主要结论如下：(1)超声波在溶... 详细信息

钨是我国重要的优势战略资源,其矿物大多为复杂难处理的白钨矿。本研究中以白钨矿为对象,系统考察超声场中NaOH、Na2CO3、 Na3PO4三种体系条件下白钨矿浸出动力学,以探讨超声场对矿物浸出过程的影响机理。主要结论如下：(1)超声波在溶液中产生的空化现象常常伴随着界面效应,湍动效应和微扰效应。在固—液反应中,界面效应对颗粒表面产生冲击,使表面产物层剥落。白钨矿在三种碱性体系中浸出时都有着固体产物层生成,在NaOH和Na2CO3体系中产物层不影响浸出剂的传质,反应过程受表面化学反应控制。这种情况下超声波作用不改变反应机理,过程仍为化学反应控制。表观活化能不变,NaOH体系为80kJ·mol-1, Na2CO3体系为72kJ·mol-1。超声场下反应速率大大增加,主要体现在指前因子的增长上,NaOH体系中增长了9.66倍,Na2CO3体系中增长1.30倍。而Na3PO4浸出时白钨矿表面生成一层致密的固体膜,影响浸出剂的传质扩散,反应过程受扩散控制。空化现象的界面效应能够使固体膜剥离,反应机理发生改变,过程转为化学反应控制,表观活化能从78kJ·mol-1变为50kJ·mol-1。(2)空化现象的湍动效应能够增强溶液扩散,加速物质间的传递,同时,微扰效应能加速颗粒微孔内溶液的扰动作用,由此可知超声场能够减弱浸出剂浓度对反应过程的影响,降低反应级数。其中NaOH体系中反应级数由1.3降为0.8;Na2CO3体系中达到最大反应速率所需的浸出剂浓度减小;Na3PO4和NaOH共同作用体系下NaOH反应级数由0.46降为0.07,而Na3PO4浓度大于0.2mol·kg-1后,其反应级数从0.39直接减为0。(3)超声场能够明显强化白钨矿碱浸过程,大大加快反应速率。随着超声强度的增大,白钨矿浸出率提高。但当超声强度超过一定值时,其浸出率反而降低。

关键词：超声场空化现象白钨矿碱性体系浸出动力学

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细长超空泡外形研究

细长超空泡外形研究

作者：高强西北工业大学

学位级别：硕士

空泡现象从发现至今,已经历了几代人的认识和研究。直到1994年俄罗斯成功地研制出第一枚航速可达200节的超空泡鱼雷,打破了传统上认为的水下物体最高航速只有140节的神话,引发了世界各军事强国研究超空泡的热潮。在这样的背景下,本文开... 详细信息

空泡现象从发现至今,已经历了几代人的认识和研究。直到1994年俄罗斯成功地研制出第一枚航速可达200节的超空泡鱼雷,打破了传统上认为的水下物体最高航速只有140节的神话,引发了世界各军事强国研究超空泡的热潮。在这样的背景下,本文开展了对水下航行体绕流空泡的研究,对定常超空泡从实验和理论两个方面进行了分析和探索。选题来源于国防重点基础项目研究,论文的主要工作和创新如下: 1.庄水洞中对空化器的超空泡生成与发展进行了系列模型实验。对实验空泡图像获取、空泡数与佛汝德数等相似参数的影响等超空泡实验技术与数据处理技术进行了深入的研究,获得了空泡实验图像的处理修正方法和重力场对空泡几何形态影响的定量关系;基丁超空泡生成与发展过程和空泡几何形态的水洞实验结果,分析与描述了空泡的绕流现象、空泡的几何特征,提出了把空泡的发生、发展划分为四个阶段的设想,以及有利于空泡研究及表达的稳定超空泡概念;2.从势流基本方程出发,基于细长体理论推导与建立了以空泡数和空化器尺寸为自变量的空泡几何特征参数的近似函数解析表达式,给出了算例,并与水洞实验结果进行了比较,两者吻合良好。 3.基于面元方法,建立了数值求解轴对称细长空泡流的数学模型,采用迭代法求解获得空泡轮廓与空泡数的定量关系,并与本文近似求解结果和其它经验公式计算结果作了比较,表明此法对于空泡外形的整体求解是有效的。由于种种原因,所能查到的公开文献中,关于空泡研究方面的资料非常有限,特别在国内,对空泡的研究刚刚起步,还处于对国外文献的理解与总结、对高速超空泡航行体总体概念的建立和对关键技术的探索性研究阶段。因此,本文的研究对于空泡研究的进一步开展,及空泡的控制具有非常重要的意义。

关键词：空化现象水洞实验空泡数空泡外形解析解迭代法

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超空泡外形和阻力及空化器形状优化研究

超空泡外形和阻力及空化器形状优化研究

作者：刘磊哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

空泡现象从发现至今，已经历了几代人的认识和研究。直到1994年俄罗斯成功地研制出第一枚航速可达200节的超空泡鱼雷，打破了传统上认为的水下航行体最高速只有140节的神化，引发了世界各军事强国研究超空泡的热潮。在这样的背景下，本... 详细信息

空泡现象从发现至今，已经历了几代人的认识和研究。直到1994年俄罗斯成功地研制出第一枚航速可达200节的超空泡鱼雷，打破了传统上认为的水下航行体最高速只有140节的神化，引发了世界各军事强国研究超空泡的热潮。在这样的背景下，本文展开了对水下航行体扰流空泡、超空泡阻力及减阻的研究，对超空泡鱼雷外形和空化器外形优化问题进行了分析和探索。选题来源于省科技攻关项目研究，论文的主要工作如下：1．借鉴超空泡生成与发展过程和空泡几何形态的水洞实验结果，分析与描述了空泡的扰流现象、空泡的几何特征，提出了把空泡的发生、发展划分为四个阶段的设想，以及有利于空泡研究及表达的稳定超空泡概念;2．从势流理论出发，基于细长体理论推导了与建立了以空泡数和空化器尺寸为自变量的空泡几何特征参数的近似函数解析表达式，并分析了影响空泡的主要因素;3．对超空泡阻力、减阻进行研究。通过国外学者所作实验结果总结了轴对称体在湍流和层流中的阻力并给出了阻力系数公式。借鉴国外学者研究成果讨论了避免流型分离的方法;4．利用外国学者建立的稳定空泡原理建立起超空泡流模型，然后通过准则公式建立目标函数并对目标函数进行优化，得出超空泡鱼雷最优外形;5．对超空泡流进行分析，利用自有边界值理论将其转换为一个等价最优化问题，然后把超空泡流最优化看为局部优化，空化器外形优化为主要优化目标。优化此双重优化问题并得到空化器最优外形。由于种种原因，所能查到的公开文献中，关于空泡以及超空泡鱼雷外形设计方面的资料非常有限，特别在国内，对空泡的研究刚刚起步，还处于对国外文献的理解与总结、对高速超空泡航行体总体概念的建立和对关键技术的探索性研究阶段。因此本文的研究对于空泡研究进一步开展，以及超空泡鱼雷的设计具有非常重要的意义。

关键词：空化现象超空泡阻力形状优化空化器

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微型隔膜泵动态过程分析及关键部件优化

微型隔膜泵动态过程分析及关键部件优化

作者：张涛南昌大学

学位级别：硕士

微型隔膜泵以在医疗和环保领域中满足高标准要求的能力而闻名,其优势在于有效地控制流量和压力,同时具有较小的体积以及对系统洁净度的保持。本文采用试验与模拟结合的方法,对微型隔膜泵动态过程和关键部件进行研究。首先搭建基于高速... 详细信息

微型隔膜泵以在医疗和环保领域中满足高标准要求的能力而闻名,其优势在于有效地控制流量和压力,同时具有较小的体积以及对系统洁净度的保持。本文采用试验与模拟结合的方法,对微型隔膜泵动态过程和关键部件进行研究。首先搭建基于高速摄像机的可视化试验台,用以探究微型隔膜泵内部流动过程及空化现象的形成规律。然后,建立微型隔膜泵的三维模型,对泵腔压力、阀膜位移、质量流量以及空化体积与空化现象之间的关系进行深入分析。最后,通过对微型隔膜泵关键部件进行结构优化,提高其压缩比,达到提升输送性能的目的。全文主要研究内容如下:(1)通过可视化试验台研究微型隔膜泵内部出现的空化现象,额定电压工况(12 V;转速约2400 rpm)下,空化现象主要发生于进口阀打开的过程中,并在隔膜由下止点向上止点运动的过程中结束。此外,由于空化的存在,进出口阀的启闭存在一定的延迟现象,且随着转速的增加,空化现象和延迟现象也逐渐加剧。(2)建立三维仿真模型对微型隔膜泵的动态特性进行研究,阀膜仿真运动规律与试验结果较一致,验证了出口阀关闭与进口阀开启过程具有接续特征,而进口阀关闭与出口阀开启过程则呈现同步运动特征;额定电压下空化现象导致吸入阶段内部压力接近绝对真空,同时也是影响循环末期压力波动的重要原因;吸入与排出阶段的质量流量曲线表现不一致,吸入阶段的质量流量与隔膜速度变化趋势相符,而排出阶段的质量流量则因空化现象趋于稳定。(3)基于上述的研究结果,设计面向高输送性能要求的关键部件,系统分析“偏心距-垫片厚度”对其性能影响的协同作用机制,对于相等长度增量,增加偏心距较之增加垫片厚度能更有效地提高压缩比。选取合适的偏心距(1.2 mm)配合垫片厚度(0.9 mm),同时对隔膜轮廓进行优化设计,实现了5.50的压缩比。相较于原有结构,压缩比提高70.29%,提升了输送性能。本文针对微型隔膜泵的动态过程及关键部件进行研究,相关结果可为微型隔膜泵输送性能的优化提供理论指导和参考意义。

关键词：微型隔膜泵空化现象结构优化输送性能压缩比

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高加疏水阀内空化模拟及结构优化分析

化工机械 2019年第4期46卷 394-399页

作者：张含杨晨仇畅钱锦远金志江上海发电设备成套设计研究院有限责任公司浙江大学化工机械研究所

依据高加疏水阀的流量特性,基于湍流模型、多相流模型、空化模型和控制方程建立阀门内部空化流动的数值计算模型,研究最大流量工况和正常流量工况下的空化现象,得到了高加疏水阀内速度、气体体积分数的分布。基于空化分析的结果,按照多... 详细信息

依据高加疏水阀的流量特性,基于湍流模型、多相流模型、空化模型和控制方程建立阀门内部空化流动的数值计算模型,研究最大流量工况和正常流量工况下的空化现象,得到了高加疏水阀内速度、气体体积分数的分布。基于空化分析的结果,按照多级节流降压理论,尝试优化结构,减小阀门内部发生空化的强度和范围,达到抑制空化的目的。

关键词：高加疏水阀数值模拟空化现象多级降压理论