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局部起旋式圆管螺旋流三维湍流的试验研究及数值模拟

张红霞  
【摘要】:螺旋流可分解成轴向流动与强制涡流,是涡线与流线重合的一种特殊流动。在工业上应用十分广泛,如在射流技术、燃烧技术、气力输送、旋风分离及水力浮选等方面均应用了螺旋流。在各种分离器、旋流器、搅拌器、涡管及管道系统中也常见到螺旋流。目前螺旋流技术已经进入了人们的日常生活领域,如螺旋流节能煤气灶、真空吸尘器等。另外,螺旋流在自然界也是十分常见的,如龙卷风。因此,掌握管内螺旋流的流场发展规律对研究效率更好、更具实用性的螺旋流起旋装置具有十分明显的意义。 一般来说,螺旋流是通过切向进流,安装导叶片或旋转管道三种方式产生。本文主要通过理论分析、试验测量以及数值模拟的手段来探讨在管内局部安装导叶方式产生螺旋流的流场规律和衰减特性。 太原理I一少、学硕l研究生学位论文 木文针对所侧!究轴对称螺旋流的特点进行理论分析,通过 对Nav 1 er一5 tokos进行必要的简化,利用数学知识解得轴对称 层流螺旋流的指数型衰减规律和湍流情况下的衰减特性。通过 对管内螺旋流旋转流体的动量特性分析,从理论土得出压力沿 径向分布规律。并试图用公式化形式描述管内螺旋流流场特 性。 本文进行了大量的试验研究,通过使用五孔测针测量三维 流场的流速和压力分布,掌握了管内螺旋流的流场规律。 在数值计算力一面,鉴于旋流流动的湍流性,综合讨论了各 利,湍流模型的特点。并以柱坐标系下三维时均Nav 1 er一Stokes 方程为基础,采用有限体积法和标准k一:模型,对 Nav 1 er一Stokes方程进行差分离散,结合对管壁边界条件的离 散化,建立定常条件下的计算模型。应用SIMPLE算法求解动 量离散方程,结合壁而函数法求解k一:方程和其它控制方程。 求解过程采川欠松弛迭代技术来避免发散。通过数值i}算所得 的周向速度在整个流通断面上具有强制涡周向速度分布的特 点,自山涡周向分布区域儿乎完全消失:轴向速度和压力分布 与试验结果完全吻合。 本文在试验研究的基础上,开展了管内旋流湍流的数值模 2 太原理}.少、学硕l:{口}究生学位论文 拟。川数f社L计算的方法来模拟管流湍流,对分析管内流场!」勺速 度、)j:力分布是一条方便而有效的途径,预示这些物理量的详 细分布‘}古况,对于试验和工程应川都有重要意义。


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