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物理学报 2018年第22期67卷 323-331页

作者：裴传康魏炳乾西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室西安710048

为了探究微米级微小水滴撞击深水液池运动中空腔的成长过程与机理,采用自适应网格技术和流体体积方法对撞击速度为2.5—6.5 m/s的微小水滴撞击深水液池的运动进行数值模拟研究,考察不同撞击速度下水滴撞击深水液池后的水体混掺、毛细波... 详细信息

为了探究微米级微小水滴撞击深水液池运动中空腔的成长过程与机理,采用自适应网格技术和流体体积方法对撞击速度为2.5—6.5 m/s的微小水滴撞击深水液池的运动进行数值模拟研究,考察不同撞击速度下水滴撞击深水液池后的水体混掺、毛细波传播、空腔变形规律以及气泡截留过程,并深入探究空腔运动的动力学机制.研究结果表明,不同撞击速度下,在忽略毛细波作用、空腔深度h∈(D, h_(max))的前提下,空腔深度随时间的成长仍满足t∝h^(5/2)的关系;液滴撞击产生的空腔形状有U形和半球形两种,前者一般向V形转变,后者空腔底部会变为圆柱形,产生细长射流,并有可能发生气泡截留现象;在撞击速度较低时,低压区首先在空腔侧壁与底部交界处产生,随后在靠近液面以及空腔底部靠近中心区域各产生一个较大的涡环;在撞击速度较高,产生细长射流时,涡环的生成被抑制,低压区首先在波浪底部与侧壁上交界处产生,随后空腔底部变为圆柱状,空腔侧壁首先坍塌形成气泡截留.

关键词：水滴深水液池空腔运动

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微小水滴撞击深水液池空腔运动及气泡夹带机理的数值模拟研究

微小水滴撞击深水液池空腔运动及气泡夹带机理的数值模拟研究

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作者：裴传康西安理工大学

学位级别：硕士

水滴撞击液池表面的运动作为传统流体力学中最广为人熟知的经典流动现象之其附随现象丰富多样,涉及面广,运动过程十分复杂。水滴撞击液面在科技应用和自然环境中广泛存在,在航空航天工程、喷墨印刷、农业灌溉和水利工程结构侵蚀等方面... 详细信息

水滴撞击液池表面的运动作为传统流体力学中最广为人熟知的经典流动现象之其附随现象丰富多样,涉及面广,运动过程十分复杂。水滴撞击液面在科技应用和自然环境中广泛存在,在航空航天工程、喷墨印刷、农业灌溉和水利工程结构侵蚀等方面有诸多基础研究及工业应用。因此,对水滴冲击液面的研究不仅能够深入了解自由表面流动问题的机理、改善生物的自然生存环境,还对于理解气液流动的界面变形、改善液滴运动在工业工程、化学工程中的应用以及对气-液两相射流的高精度数值模拟有着重要的意义与价值为了探究微米级微小水滴撞击深水液池运动中空腔的成长过程与机理,本文采用不可压缩Navier-Stokes方程、四叉树自适应网格技术和VOF方法,首先对直径为290μm的正圆形微小水滴在重力的作用下以2.5～6.5m/s的速度撞击深水液池的运动进行数值模拟研究,以率定后的数值模型考察不同撞击速度下水滴撞击深水液池后的水体混掺、毛细波传播、空腔变形规律以及气泡截留过程,并深入探究空腔运动的动力学机制。研究结果表明,不同撞击速度下,在忽略毛细波作用、空腔深度h∈(d,hmax)的前提下,空腔深度随时间的成长仍满足t ∝h5/2的关系;液滴撞击产生的空腔形状有U形和半球形两种,前者一般向V形转变,后者空腔底部会变为圆柱形,产生细长射流,并有可能发生气泡截留现象;在撞击速度较低时,低压区首先在空腔侧壁与底部交界处产生,随后在靠近液面以及空腔底部靠近中心区域各产生一个较大的涡环;在撞击速度较高,产生细长射流时,涡环的生成被抑制,低压区首先在波浪底部与侧壁上交界处产生,随后空腔底部变为圆柱状,空腔侧壁首先坍塌形成气泡截留在微小水滴撞击深水液池的过程中,水滴在运动状态、表面张力及周围介质等多方面的作用下产生的外形震荡对后续空腔产生及气泡夹带有极大影响。基于此,本文假定五种不同宽高比的微小变形水滴,对其撞击深水液池的运动过程、气泡夹带以及涡环的发展进行了数值模拟,并详细研究了不同撞击速度和水滴形变对撞击后空腔变形坍缩过程、毛细波运动以及气泡截留的影响。研究结果表明,在较低撞击速度下,不同形变的水滴并未引起显著的气泡夹带现象与空腔形态改变;而在较高撞击速度下,宽高比AR=1.33下的长椭圆形变水滴与液池发生完全聚合现象,并产生大型气泡夹带现象。大型气泡截留过程主要由水滴撞击深水液池时颈部自由表面下产生的涡环控制,涡环拉动自由界面之前,在液池中垂向移动较深,其后裹挟空腔上部界面形成滚动射流,最终射流接触并坍缩以夹带大型气泡。在气泡截留后期,空腔内的气体涡旋推动空腔侧壁不断向外侧拓展,有效增大了气泡夹带的横向体积,对大型气泡夹带起到了至关重要的作用。在撞击初期阶段,液滴形状越扁,颈部射流越大,撞击初始水滴与液池颈部产生的射流曲率越大,生成涡环强度就越大。

关键词：水滴深水液池空腔运动气泡夹带数值模拟

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长距离输水工程弥合水锤防护措施研究

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人民长江 2019年第5期50卷 127-132,139页

作者：张志胜段锦章周利全黄毅长江勘测规划设计研究有限责任公司湖北武汉430010 上实环境控股(武汉)有限公司湖北武汉430074 云南省滇中引水工程建设管理局昆明分局云南昆明650021

为选择合适的弥合水锤防护措施,针对长距离重力有压力流输水的特点,建立了水力暂态条件下空气阀数学模型,并采用Bentley Haestad Hammer软件对某长距离输水工程进行了弥合水锤模拟计算。计算结果表明:不设空气阀、布设复合式进排气阀与... 详细信息

为选择合适的弥合水锤防护措施,针对长距离重力有压力流输水的特点,建立了水力暂态条件下空气阀数学模型,并采用Bentley Haestad Hammer软件对某长距离输水工程进行了弥合水锤模拟计算。计算结果表明:不设空气阀、布设复合式进排气阀与布设防水锤空气阀3种工况下瞬态升压分别为157.0,200.6 mH_2O及40.0 mH_2O,对应升压比分别为3.75,5.62及1.93;不设空气阀与布设复合式进排气阀条件下均发生了弥合水锤,最大空腔体积分别为350 L和775 L,而布设防水锤空气阀可有效避免弥合水锤;3种工况条件下只有防水锤空气阀升压最低,最大水锤升压较不设空气阀条件下降74.5%,且整体波动最为缓和。通过对3种工况条件下空气阀进排气体积及压力变化情况进行比较分析,可知工况2与工况3空气阀组进排气量差值为2 198～5 558 L,最小压力相差-0.05～0.01 MPa,最大压力相差0.38～0.89 MPa;工况2空气阀在管线末端检修阀关阀过程中发生了剧烈的进排气体积变化,叠加了关阀水锤,而工况3空气阀在整个计算过程中进排气体积变化较为缓和,气体体积流量及水压峰值得到了有效控制,可以认为防水锤型空气阀是弥合水锤的有效防护措施。

关键词：弥合水锤 Bentley Haestad Hammer 复合式进排气阀防水锤空气阀空腔运动注气微排

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