旋转水射流喷嘴内部流动及冲击压强特性研究

论文摘要

旋转水射流在冲击破碎等领域有着广泛的应用,论文针对当前喷嘴存在的问题,根据旋转水射流的加旋特点,提出了一种组合式旋转水射流喷嘴的新型设计方案。该喷嘴以切向入流产生出射水股的旋转作用,以轴向入流加强出射水股的冲击作用,可以解决传统导向元件加旋式喷嘴产生的旋转水射流存在中心低速低压区的问题。利用室内实验和数值模拟两种手段,系统研究了喷嘴在不同入流流量条件下的水动力学特性。在喷嘴实验系统上,利用二维数字粒子图像测速技术测量了喷嘴内部典型截面的流场,利用测压排信息图像处理方法测量了喷嘴射流在淹没条件下的冲击压强。不同紊流模型对喷嘴流动的模拟结果与实验结果对比分析表明,大涡模型兼具精度与效率,是最适合旋转流动模拟的紊流模型;选用大涡模型对喷嘴流动进行了整体模拟,揭示了喷嘴旋转流动产生和发展的规律。组合式旋转水射流喷嘴能够产生稳定的旋转射流,切向入流与轴向入流的流量比i较大时喷嘴出口旋流比较稳定。旋流动量由喷嘴切向入流提供,并在向下游流动过程中逐渐向轴向入流传递,流量比i越大传递速度也越快,在i = 1.00时喷嘴出口截面流体能够达到完全旋转。喷嘴流动的切向速度沿径向先增后减,并随着流量比i和总流量Q的增加而增大;轴向速度在喷嘴轴线附近最大并沿径向逐渐减小,不出现射流中心低速区。射流旋转程度随流量比i的增加而增大,喷嘴出口旋流数S近似正比于（i/i+1）2。入流流量条件既决定了喷嘴的内部流动特性,也决定了喷嘴射流的冲击压强特性。随着总流量Q的增加,冲击压强逐渐增大;随着流量比i的增加,冲击面积逐渐增大,冲击压强径向分布逐渐坦化。不同入流流量条件下冲击压强均具有射流轴线处最大并沿径向逐渐减小的分布特性,避免了中心低压区的出现。论文初步探索了壁面材料对射流冲击压强的响应,表层弹性材料将对冲击压强在空间分布上起到坦化作用,在时间脉动上起到削峰填谷作用。论文研究表明,组合式旋转水射流喷嘴结构具有良好的水动力学特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究对象及意义
• 1.2 旋转射流的理论及实验研究
• 1.2.1 旋流数
• 1.2.2 旋转射流的流动结构
• 1.2.3 旋流设备内的旋转流动
• 1.3 旋转射流的数值模拟研究
• 1.3.1 紊流模型及其数值求解
• 1.3.2 旋转流动的数值模拟现状
• 1.4 旋转水射流喷嘴的设计
• 1.4.1 旋流设备常用的加旋方法
• 1.4.2 旋转水射流喷嘴存在的问题
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第2章 组合式旋转水射流喷嘴的设计
• 2.1 组合式旋转水射流喷嘴的设计方案
• 2.1.1 新型喷嘴的设计思路
• 2.1.2 喷嘴简化及模型加工
• 2.2 喷嘴水动力学特性的研究内容
• 2.2.1 工程上关心的主要问题
• 2.2.2 喷嘴加旋效果的理论分析
• 2.3 喷嘴实验供水系统的搭建
• 2.4 本章小结
• 第3章 喷嘴内部流动特性的PIV测量分析
• 3.1 喷嘴内部流场的测量方法与测量方案
• 3.1.1 PIV 技术
• 3.1.2 PIV 系统的光学成像过程
• 3.1.3 PIV 系统的图像处理算法
• 3.1.4 喷嘴内部流场测量方案
• 3.2 喷嘴内部流动的时均特性分析
• 3.2.1 时均流场测量结果
• 3.2.2 不同轴向位置处的切向速度分布
• 3.2.3 喷嘴出口截面的旋流流态
• 3.3 喷嘴流动的旋流稳定性分析
• 3.3.1 喷嘴瞬时流动的旋流流态
• 3.3.2 喷嘴瞬时流动的旋流脉动特性
• 3.4 本章小结
• 第4章 喷嘴射流冲击压强特性的测量分析
• 4.1 喷嘴射流冲击压强的测量方法与测量方案
• 4.1.1 测压排信息图像处理方法
• 4.1.2 淹没条件的实现
• 4.1.3 冲击压强测量方案
• 4.2 喷嘴射流冲击压强的时均特性分析
• 4.2.1 时均冲击压强测量结果
• 4.2.2 入流流量条件对冲击压强径向分布的影响
• 4.3 喷嘴射流冲击压强的脉动特性分析
• 4.3.1 冲击底板测管压强的瞬时采样结果
• 4.3.2 冲击压强的脉动特性
• 4.4 入流流量条件对喷嘴压降的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 喷嘴整体流动的数值模拟分析
• 5.1 流动控制方程与数值计算方法
• 5.1.1 控制方程
• 5.1.2 计算区域离散与网格划分
• 5.1.3 控制方程的离散与求解
• 5.1.4 边界条件与初始条件
• 5.2 数值模型的验证
• 5.2.1 不同紊流模型对旋转流动的模拟能力
• 5.2.2 大涡模拟结果与实验结果的对比分析
• 5.3 喷嘴流动的旋流特性分析
• 5.3.1 喷嘴流动典型截面流场特性
• 5.3.2 喷嘴流动的流速特征
• 5.3.3 喷嘴旋转流动的发展变化规律
• 5.3.4 喷嘴出口旋流数
• 5.4 原型喷嘴流动特性的模拟分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 表层弹性材料对射流冲击压强的响应
• 6.1 问题的提出与模型计算方法
• 6.1.1 问题的提出
• 6.1.2 计算方法
• 6.2 底面压强响应的空间分布特性
• 6.3 底面压强响应的时间脉动特性
• 6.3.1 单一频率表面压强荷载的情况
• 6.3.2 混合频率表面压强荷载的情况
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 论文的主要工作
• 7.2 主要创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果