高压射流空化喷嘴的优化设计及剪切空泡形成机理

论文摘要

空化射流作为一种新型射流技术,具备能量密度高、冲击力强、清洁、高效等优点,广泛应用于石油开采、船舶清洗以及金属材料强化等工程领域。空化射流空泡的溃灭伴随着极强的冲击波与微射流,如果控制和使用恰当时,空化现象能够有效提升射流切割、除锈、喷丸的效率,但如果使用不当,将会对冲击材料产生汽蚀破坏。喷嘴作为产生空化射流的核心部件,它不仅将流体静压能转换成动压能,而且还保证空化射流具有良好的流动特性和空化性能。因此,研究喷嘴空化性能以及射流空泡形态分布规律,对于提高喷嘴射流性能和空化性能具有重要意义。本文在江苏省重点研发计划竞争项目“大容量高参数水力机械叶片空泡冲击波强化抗汽蚀磨蚀技术研发（项目编号:BE2017126）”的资助下完成。基于数值计算和试验研究相结合的方法,研究了缩放型喷嘴结构参数对射流空化性能的影响规律,分析了射流剪切空泡的形成机理,试验捕捉了淹没射流空泡形态的演化过程。（1）设计了一种缩放型喷嘴,对比分析不同湍流模型在淹没空化射流中的应用,通过选取多相流模型和空化模型,得到不同湍流模型下淹没空化射流形成的空穴形态并与试验得到空泡云形态进行对比。研究结果表明,标准k-ε和k-ω系列湍流模型计算得到淹没空化射流形成的空泡云主要集中分布于喷嘴出口附近,与试验结果相差较远,而transition SST湍流模型计算获得喷嘴下游形成的云状空泡团与高速摄影试验拍摄获得的云状空化结果最为接近。当Zwart-Gerber-Belamri空化模型蒸发和凝结系数分别取10和0.01时,射流空化性能适中,形成的空泡团形态与试验结果吻合最好。（2）基于建立的数值计算方法对不同结构参数的缩放型喷嘴进行数值计算,得到了不同参数下喷嘴流场性能分布和空穴形态,重点分析了喷嘴结构参数对流场性能变化趋势和空泡形态变化规律的影响,得到了相应参数的最佳取值。研究结果表明,随着喷嘴出口扩散角增加,喷嘴流场内最低负压值先减小后增大,同时在喷嘴扩散段内形成的局部低压区随扩散角增加不断减小,射流形成的空穴轴向长度和面积呈先增加后减小的变化趋势,喷嘴扩散角存在最佳取值使得射流空化性能达到最佳;随着喷嘴圆柱段直径的增加,喷嘴出口速度最大值不断增加,在喷嘴扩散段内形成的局部低压区随直径增大先增加后减小,喷嘴形成的射流空穴形态呈现先增加后减小的变化;随着喷嘴圆柱段长度增加,喷嘴流场内最低负压值先减小后增大,喷嘴出口速度最大值逐渐减小,喷嘴形成的射流空穴形态轴向长度和面积先增加后减小。同时,随着进口压力增加,喷嘴出口速度最大值不断增大,流场内最低负压值逐渐减小,射流空化性能不断增强。（3）进行喷嘴内非定常空化特性的数值计算,研究了剪切空泡的形成机理,获得了喷嘴流场空穴形态和性能变化规律。研究发现,在喷嘴轴截面内空化初生位于喷嘴圆柱段出口扩散段进口附近,并沿射流轴心线对称分布,在形成空化的相应低压区,存在沿射流轴心线对称分布的漩涡,空穴形态随时间推移的变化规律与喷嘴内漩涡变化趋势相一致,漩涡涡心对应于空泡体积分数较高位置。同时,发现空化空泡在径向截面沿圆周方向呈环状分布,空泡体积分数较高位置对应于湍动能较大的速度梯度衰减区（边界层）。因而,结合轴截面和径向截面内的空泡变化规律和流场分布特性可知,在射流速度梯度衰减较快的边界层内存在剪切产生的漩涡,漩涡引起压力降低从而形成空化。（4）建立了高压空化射流试验台,利用日本OLYMPUS公司的高速摄影机对淹没射流形成的空泡形态进行拍摄,分析了不同扩散角、不同进口压力下喷嘴射流空泡形态的变化规律。试验结果发现,喷嘴扩散角对射流空化性能具有较大影响,当扩散角过小,会限制空泡发展,降低空化性能;扩散角过大,出口段对于剪切层约束力不足,会造成空化性能下降;当喷嘴扩散角为60°时,射流空化性能达到最佳。不同进口压力下空泡云形态具有较大差别,随着进口压力增加,空化程度逐渐增强,空泡云尺寸逐步增大;空泡脱落发生位置向下游偏移,脱落周期略有延长。

论文目录

摘要

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第一章绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 相关课题国内外研究现状

1.2.1 喷嘴设计的研究现状

1.2.2 空化空泡形成机理的研究现状

1.3 与本文相关的研究方法

1.3.1 数值计算

1.3.2 试验研究

1.4 主要研究内容

第二章空化射流数值计算方法的研究

2.1 模型建立及网格划分

2.1.1 模型建立

2.1.2 网格划分

2.1.3 边界条件设置

2.2 淹没条件下空化水射流的流动特性

2.3 数值计算模型

2.3.1 多相流模型

2.3.2 空化模型

2.3.3 湍流模型

2.4 本章小结

第三章空化喷嘴的优化设计

3.1 喷嘴几何参数对射流空化性能的影响

3.1.1 喷嘴扩散角对射流空化性能的影响

3.1.2 喷嘴圆柱段直径对射流空化性能的影响

3.1.3 喷嘴圆柱段长度对射流空化性能的影响

3.2 喷嘴入口压力对射流空化性能的影响

3.3 本章小结

第四章空化射流剪切空泡的形成机理

4.1 边界层内空化初生

4.2 轴截面内空化射流的非定常空化特性

4.3 径向截面内空化射流的非定常空化特性

4.4 本章小结

第五章空化射流喷嘴的高速摄影试验

5.1 试验对象和方法

5.1.1 试验对象

5.1.2 试验装置

5.1.3 空化射流试验

5.2 试验结果与分析

5.2.1 不同进口压力下空化射流空泡云形态

5.2.2 不同扩散角下空化射流空泡形态

5.2.3 淹没空化射流空泡云图像灰度分析

5.3 本章小结

第六章总结与展望

6.1 研究总结

6.2 创新点

6.3 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目以及学术成果

一、参加的科研项目

二、发表的论文及申请的专利

三、已获奖项及成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张文全

导师: 李伟

关键词: 喷嘴,数值计算,空化射流,优化设计,高速摄影

来源: 江苏大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 江苏大学

基金: 江苏省重点研发计划竞争项目“大容量高参数水力机械叶片空泡冲击波强化抗汽蚀磨蚀技术研发(项目编号:BE2017126)”

分类号: O358

总页数: 94

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