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管道空化清洗器非定常流场特性及流固耦合研究

史璐明  
【摘要】:空化水射流清洗技术在管道清洗中得到广泛应用,具有工作压力低、适应性强、环保和适合在线清洗等优点,在环保政策日益严格的今天,已经成为一种重要的管道清洗方法。空化水射流管道清洗技术的核心在于管道清洗器的空化能力,以往的研究主要集中在清洗器的定常流场特性方面,由于空化现象的不稳定性,定常分析并不能准确地说明清洗器的流场特性和空化性能。此外清洗器由于自身结构会在压力作用下发生弹性变形并对流场造成影响,为分析清洗器变形对流场的影响,对清洗器进行双向流固耦合分析。本文研究内容如下:(1)建立清洗器的二维简化对称流场模型并进行数值模拟,对入口压力1MPa时清洗器流场非定常空化特性进行研究。研究结果表明:在入口压力1MPa时,清洗器流场空化结构存在周期性变化,周期为14ms,其变化过程可分为空化初生、发展以及收缩三个阶段。在空化发展阶段,高强度空化区域大小基本保持不变,下游的空穴形态随时间变化。在清洗器流场中部近壁面位置由于水流径向流动速度突变形成局部高压区并使该处的含气量发生波动,该高压区位置在一个空化周期内随时间不断发生变化。在清洗器流场区域和下游流场位置存在两个漩涡,前者是由于回射流后者是因为流通面积增加形成速度梯度,空化会增加回射流的速度。(2)对入口压力、折弯角和清洗器直径等参数对空化演化周期的影响进行分析。结果表明:增大入口压力可以增强清洗器的空化强度,入口压力较小时清洗器的空化结构不发生周期变化,随着入口压力增大清洗器流场空化结构开始出现周期性变化,并且随着压力的增大流场速度增加,湍流增强,周期减小。折弯角的减小会使流场的节流效果增强,流场平均流速增大,空化强度增大,空化周期减小,当折弯角为85°时流场空化结构不再发生周期性变化。随着清洗器直径的增大,清洗器与管道之间的缝隙减小,清洗器入口位置压力损失增加,流动阻力增大,空化强度减弱,空化周期减小。(3)使用双向流固耦合方法对清洗器进行流固耦合数值模拟分析,研究清洗器在工作时的变形及其对流场的影响。研究结果表明:清洗器的受力情况与一端固定一端绞支的简支梁相似,其最大变形位置位于距离清洗器入口位置约1/3处,最大应力位于清洗器底部。清洗器发生弹性变形,使得清洗器的过流面积减小,节流效果增强,其空化区域较未变形前明显增大,其中以靠近管壁位置的2区变化最为明显。同时分析了入口压力和叶片厚度、折弯角等结构参数对流固耦合的影响。研究结果表明:在不同压力下清洗器的变形趋势基本一致,变形量与入口压力成线性关系,变形能有效增强清洗器的空化能力。清洗器的变形量随叶片厚度的增大而减小,流场的空化能力随叶片厚度的增大而增大,在更大的工作压力时必须综合考虑这两种趋势;折弯角越大,清洗器结构的弹性随之增大,变形量随折弯角的增大而减小,清洗器的空化性能随折弯角的增大有明显提高,较大的折弯角有利于提高清洗器的空化性能,但过大的折弯角会使清洗器在管道中的通过能力下降,降低在复杂管道中的适应性,更易发生卡死现象。采用冲蚀法对空化射流清洗效果进行试验。通过将打磨抛光后的样件置于空化区域进行冲蚀破坏,并将冲蚀后的样件进行表面形貌检测。结果表明:随着工作压力的增大,样件的表面形貌发生明显改变,表面凹坑数量增多,表面平均高度和粗糙度增大,说明随着压力的增大,空化泡的破坏能力增强,间接证明了清洗器的空化强度在增强。


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