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旋转水射流喷嘴内部流动及冲击压强特性研究

胡鹤鸣  
【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。


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