空腔结构对文丘里管的流场特性影响.pdf

空腔结构对文丘里管的流场特性影响马 良李 鹏任万龙王苗苗赵 鑫(.青岛海洋科技中心山东 青岛.山东省科学院海洋仪器仪表研究所山东 青岛)摘 要:文丘里管流动在流速较高的情况下易产生空化 本文基于对文丘里管空化流场的研究对文丘里管喉部结构进行结构改进采用大涡模拟的方法进行数值分析对有空腔结构文丘里管内流场的流动特性进行分析分析文丘里管内压力脉动探究不同位置的压力及速度的变化研究空化体积分数的变化分析不同压力比条件下空化数及空化长度的变化 通过前面的研究与分析掌握具有空腔结构文丘里管的流场特性为后续文丘里管的空化应用奠定基础关键词:文丘里管空腔流动空化压力场速度场中图分类号:文献标志码:./.(.):.:收稿日期 作者简介 马 良()男硕士工程师主要从事深海技术装备设计、海上科考作业技术研究基金项目 科技部中国科学技术信息研究所 科学计量学联合实验室开放基金项目“科学前沿监测及学科融合研究的创新方法和实证研究 以海洋可再生能源为例”()国家重点研发计划课题“海洋能资源数据描述与预测”()引 言空化是一种常见的水力现象常见于船舶推进、叶轮机械等领域 通常是由于速度高压力降低至饱和蒸气压以下发生液相向气相转变产生空化 空化对于水力机械以及航行器推进具有不良影响需要加以抑制 空化过程中产生空泡随着空化流动的发展气泡猛烈溃灭同时产生高温高压射流伴随着化学键的断裂形成羟基自由基可广泛应用于藻类灭活、水处理等领域文丘里管作为水力空化装置已有诸多学者对其进行了研究 周俊杰等利用 空化模型结合 模型分析了文丘里管空化限流的现象捕捉到了空化限流过程中的周期性空化现象同时捕捉到了文丘里管近壁面空化的回射流作用、局部气泡脱落及空化云变化 申屠云奇等探究了扩散角对文丘里管内湍流的影响分析了湍动能在轴对称截面的分布情况 汪玉明等分析了旋流杯内文丘里管张口的不稳定性分析了旋进涡核和小涡旋结构的演化规律 考虑文丘里管空化的产生条件尚没有学者针对文丘里管喉部改进进行空化系统研究本文基于文丘里管结构的流场特性规律考虑空腔流动的复杂性对文丘里管喉部结构添加空腔使空腔流动与空化流动相互干扰对文丘里管喉部空化产生影响 通过分析不同结构文丘里管空化流场内压力分布、速度分布对比空化体积分数及空化数的变化分析具有空腔结构的文丘里管流动特性为后续文丘里管水力空化应用奠定基础 模型与方法 计算模型采用普通文丘里管及添加空腔结构的文丘里管模型如图 所示 喉部尺寸 喉部长度 收缩角 扩散角 为避免出口边界对文丘里管内部流动的影响将出口段延长总长为 文丘里管进口尺寸 出口尺寸 空腔结构在文丘里管喉部居中位置添加空腔长度 空腔高度 图 文丘里管结构.工程与试验 .湍流模型相比 模型大涡模拟()模型可以精确地捕捉到流场内的流动细节 大涡模拟方法通过滤波函数处理瞬态下的 方程及连续方程通过亚格子应力表达小尺度涡旋结构的影响 因此滤波后不可压缩流体的 方程如下所示:()()()()式中分别表示 坐标轴轴方向的速度张量 为时间 为流体密度 为压强 为流体运动黏度 式中带上划线的量系经过滤波后的大尺度物理量 亚格子应力张量定义为 和雷诺应力相仿亚格子应力湍流模型是实现大涡数值模拟的关键亚格子模型是基于涡黏模型的其中湍流的影响被集中到湍流黏度该方法将亚格子尺度下的动能耗散视为类似于分子扩散 因此的表达形式为:()其中为湍流涡黏系数为亚格子应力中的各向同性部分为可解尺度的扭曲率张量定义为:()本文采用()模型作为亚格子应力模型其计算过程中选取了速度梯度张量的一种新形式 数值计算 求解设置本文采用商业软件 开展相关计算多相流模型采用 考虑文丘里管流动过程中捕捉边壁的流动特性采用 模型进行计算 压力离散格式选择!体积离散格式选择二阶迎风格式压力方程选择二阶迎风格式 进口条件选择速度进口出口条件选择压力出口 空化模型为 模型该模型计算精度及计算结构均可用于捕捉文丘里管内空化过程 计算过程中时间步长设置为 总计算步数设置为 步 无关性验证采用数值方法开展文丘里管流场计算而流场计算过程中网格的数量和质量直接影响流场计算结果 为了保证流场计算结果不受网格数量和质量的影响开展网格无关性研究 在进行网格划分时划分了 套网格分别为 万()万()万()采用 套网格分别计算计算依托于商业流体计算软件 湍流模型及空化模型均采用相同的设置以满足对比分析要求网格无关性验证如图 所示从图中可以看出随着网格数的增加文丘里管进出口的压差逐渐趋于稳定特别是当进口速度增加较大的情况 考虑网格的数量对计算结果的影响结合计算的时效性选择 的网格文件进行后续分析计算 结果与分析在上述计算网格的基础上开展流动特性分析研究空腔结构对文丘里管流场的影响 文丘里管空化产生时通常采用空化数及压力比表征文丘里管空化的流场特性 空化数用于评估空化发生的状态是无量纲参数通过文丘里管流动过程中的压降与湍动能的比值获得 空化数 及压力图 网格无关性验证比 的计算公式如下:()()其中为出口压力为进口压力为喉部速度为密度为便于分析不同结构文丘里管的空化强度及空化效应本文拟采用归一化空化长度来标定 将空化长度 定义为空化气泡脱落时与喉部入口的最大距离无因次空化长度 的计算公式如下:/()式中为喉部直径后续计算过程中采用压力进口条件进口压力设置为 改变出口压力调整进出口的压力比 压力分布分析不同结构文丘里管的压力场分布如图 所示 从图中可以看出无空腔文丘里管结构在喉部边壁形成低压区低压区随着流动向扩散段发展 低压区由于压力降低形成空化低压区伴随着空化的发展移动到扩散区 具有空腔结构的文丘里管喉部压力相比无空腔结构较大在空腔相邻的壁面形成周期性的涡旋脱落 通过对比发现空腔的出现形成扩散腔将低压区内的最低压力提升不利于空化的产生图 压力场分布 速度矢量分析对比不同结构参数下的文丘里管速度场(如图 所示)可以发现喉部加入空腔结构的文丘里管喉部高速流体延展工程与试验 .区域较长且扩散角区域内速度波动较大而无空腔结构的文丘里管流动高速区域延展性较短其扩散角区域内速度波动较小图 平均速度分布 为进一步分析文丘里管喉部及扩散段等空化发生区域的速度分布情况在文丘里管内不同位置设置截面分析不同截面位置的速度 不同截面位置如图 所示不同截面位置的速度分布如图 所示 从图中可以看出空腔的出现降低了文丘里管喉部流场速度 流体离开喉部进入扩散区在进入扩散区后两种结构的流场速度变化不大图 不同截面位置()()()()图 不同截面位置的速度分布 空化分析分析不同进出口压力比条件下空化数的变化如图 所示 从图中可以看出在进出口压力比较小的情况下有空腔结构的文丘里管具有较低的空化数这说明空腔内部的涡旋流动有助于空化的产生加速空化 随着压力比的增加空腔内部流动减弱对文丘里管喉部位置的空化起到了抑制作用空化数增加 根据前面定义的空化长度分析不同压力比条件下的空化长度如图 所示 从图中可以看出在压力比较小时具有空腔结构的文丘里管产生的空化长度较大与图 空化数较小相对应 随着压力比增加空化长度降低随着压力比继续增大空化逐渐消失 由此可以推断具有空腔结构的文丘里管在压力比较小时有利于空化随着压力比增加逐渐不利于空化的产生 空化体积分数分析图 中不同截面位置的空化体积分数读取如图 所示从图中可以看出尽管空腔结构的出现降低了文丘里管喉部图 空化数随压力比变化速度提升了喉部的压力但在当前计算工况下具有空腔结(下转第 页).马 良等:空腔结构对文丘里管的流场特性影响直度变化如表 所示 从试验结果来看随着加载级的增加试验载荷增大垂向加载力线变化在 以内满足试验加载要求表 垂向测力传感器角度加载级工况 垂向加载力线角度工况 垂向加载力线角度 结束语本文针对某型飞机前起落架静强度试验采用倒装工装假轮加载和垂向自平衡加载进行试验设计 试验结果表明试验设计方法满足某型飞机前起落架的静强度试验要求实现了垂向载荷力线在试验过程中始终保持垂向的试验目的参考文献马广文.交通大辞典.上海交通大学出版社.郦正能.飞行器结构学.北京航空航天大学出版社.王凤山.飞机结构强度试验使用指南.西安:中国飞机强度研究所.崔德刚.结构稳定性设计手册.北京:航空工业出版社.().(上接第 页)图 空化长度随压力比变化构的文丘里管在喉部位置产生的空化体积分数大于无空腔结构且随着流动进入扩散区域初始阶段仍是有空腔结构的文丘里管具有较高的空化体积分数 随着流动继续发展无空腔结构具有较高的空化体积分数图 不同截面位置处的平均体积分数结合空化体积分数及压力分布及速度分布分析可以发现空腔结构有利于切碎原有的附着空化在局部形成密度高、体积小的空化气泡尽管在空化气泡长度上有所不同但是其局部空化效应得到了增强是有益于局部空化的 结 论在文丘里管喉部位置添加空腔结构文丘里管内空腔流场发生变化 对比有无空腔结构的文丘里管流动分析其流场特性获得以下结论:()空腔结构的添加降低了文丘里管喉部的平均速度提高了喉部的平均压力()文丘里管内空腔流动与喉部收缩流动相互作用将文丘里管内原有的附着空化气泡断裂为多个高密度的小空化气泡形成局部强烈空化()空腔结构对于文丘里管流动在压力比较低的时候有利于空化的产生随着压力比的增加逐渐不利于空化的产生通过本文的计算分析发现在文丘里管喉部添加空腔结构整体提高了空化数在喉部位置空化强烈在扩散区域空化强度减弱 根据本文的计算结果可将改型文丘里管结构应用于水力空化领域为工程应用提供了一定的理论基础参考文献程怀玉季斌龙新平等.空化对叶顶间隙泄漏涡演变特性及特征参数影响的大涡模拟研究.力学学报():.张伟俞龙.水力空化在水处理中发展现状及前景.湖南城市学院学报(自然科学版)():.周俊杰宋煜晨王德忠等.文丘里管空化限流现象数值模拟和实验研究.核动力工程():.申屠云奇宋煜晨尹俊连等.扩散角对文丘里管内湍流影响的试验研究.核动力工程():.汪玉明王志凯江立军等.文氏管出口张角对旋流杯流动不稳定性的影响.推进技术():.宋煜晨尹俊连王德忠.瞬变流中气泡动力过程研究.工程热物理学报():.王方窦力魏观溢等.基于 模型的凹腔支板火焰稳定器模拟.工程热物理学报():.王静王卫强王国付等.三角肋条大涡模拟与减阻机理研究.工程热物理学报():.:.:./.():.工程与试验 .