局部通气空泡尾部微气泡流减阻仿真研究_向敏
低雷诺数下圆柱绕流减阻的数值模拟研究
硕士学位论文
低雷诺数下圆柱绕流减阻的
数值模拟研究
A NUMERICAL STUDY OF FLUID FORCES REDUCTION ON A
CIRCULAR CYLINDER AT LOW REYNOLDS NUMBER
黄玮
哈尔滨工业大学 2005 年 3 月
国内图书分类号：O357.1
国际图书分类号：621
工学硕士学位论文
低雷诺数下圆柱绕流减阻的
数值模拟研究
硕 士 研 究 生： 黄玮
导 师： 周超英副教授
申 请 学 位： 工学硕士
学 科 、 专 业： 机械电子工程
所 在 单 位： 深圳研究生院
答 辩 日 期： 2005 年 3 月
授予学位单位： 哈尔滨工业大学
Classified Index: O357.1
U.D.C.: 621
Dissertation for the Master Degree of Engineering
A NUMERICAL STUDY OF FLUID
FORCES REDUCTION ON A CIRCULAR
CYLINDER AT LOW REYNOLDS
NUMBER
Candidate:
Supervisor:
Academic Degree Applied for:
Specialty:
Affiliation:
Date of Defence: Huang Wei
Associate Prof. Zhou Chaoying
Master of Engineering
Mechatronics Engineering
Shenzhen Graduate School
March, 2005
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
湍流情况下气溶胶微小通道沉积规律数值模拟研究
Vol.41 No.6
Dec. 2021第41卷第6期2021年12月核科学与工程
Nuclear Science and Engineering
湍流情况下气溶胶微小通道沉
积规律数值模拟研究
涂卓，曹学釘
（上海交通大学，上海200240）
摘要：本文利用数值模拟方法研究湍流情况下气溶胶微小通道内的沉积规律。通过对Muyshondt
实验的模拟并与实验数据对比验证了雷诺应力模型（RSM）和离散相模型（DPM）的适用性。分
析了颗粒粒径、气体流量对气溶胶沉积的影响，并利用修正后的DPM模型研究了通道弯曲度对气
溶胶沉积的影响。结果表明在湍流情况下，气溶胶在微通道内沉积占优机制为湍流扩散，主要影响
粒径较小的气溶胶颗粒，随着雷诺数增大，湍流扩散增强，颗粒总沉积率增大；在弯曲通道内，气
溶胶颗粒沉积率随粒径变化呈现先增大后减小的趋势，由于惯性碰撞作用增强，颗粒总沉积率相比
水平通道显著增大，但进一步增大通道弯曲度对颗粒总体沉积率的影响不显著。
关键词：气溶胶；湍流；微通道
中图分类号：X513 文章标志码：A 文章编号：0258-0918 （2021） 06-1260-09
Simulation of Aerosol Deposition in the Micro-channel under
Turbulent Flow
Tu Zhuo, Cao Xuewua
(Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)
Abstract： In this paper, the numerical simulation method is used to study the deposition law in
the aerosol micro-channel under turbulent flow. The applicability of the Reynolds Stress Model
微气泡发生器的研究与应用进展
化工进展
Chemical Industry and Engineering Progress2024 年第 43 卷第 1 期
微气泡发生器的研究与应用进展
翟霖晓，崔怡洲，李成祥，石孝刚，高金森，蓝兴英
（中国石油大学（北京）重质油全国重点实验室，北京 102249）
摘要：微气泡具有体积小、稳定性高、停留时间长、比表面积大和具有较强自增压效应等优点，可以显著增加气
液两相的接触面积和接触时间，强化气液两相的传质速率。目前，多种基于不同原理的微气泡发生器均可以有效
产生微气泡，而不同领域利用微气泡的侧重点有所不同，因此其应用的微气泡发生技术也有所区别。本文综述了
微气泡发生器在水处理过程、生物和医学领域、矿物浮选过程以及化工过程中的应用，重点阐述了各工业过程中
常用的微气泡发生器类型和微气泡发生器的发泡原理，简述了各类微气泡发生器的气泡生成效果，指出了微气泡
发生器的结构和操作条件对微气泡发生性能的影响，总结了各类微气泡发生器的使用条件。当下，依靠单一原理
的微气泡发生技术仍具有一定的局限性，而耦合式微气泡发生器结合多种微气泡生成原理的优势，可以产生尺寸
更小、分布更均匀的微气泡，因此耦合式微气泡发生器的研发对未来微气泡技术的应用具有重要意义。本文最后
对微气泡发生器的应用前景、研发方向等进行了总结和展望。
关键词：微气泡；气液两相；过程强化；微气泡发生器；微气泡应用；耦合式微气泡发生器
中图分类号：TQ051.7 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2024）01-0111-13
Research and application process of microbubble generator
ZHAI Linxiao，CUI Yizhou，LI Chengxiang，SHI Xiaogang，GAO Jinsen，LAN Xingying
(State Key Laboratory of Heavy Oil Processing, China University of Petroleum, Beijing 102249, China)
立项报告1
立项报告
1、项目简介
水下超空泡射弹是一种新型水下武器，在功能上与脱壳穿甲弹相似，依靠弹道末端高的动能存量打击目标。超空泡射弹的工作介质是水，而物体在水中所受到的阻力约为在空气中的1000倍，用常规方法明显提高水下航行体速度要受到很大的限制。一段时间以来，研究人员尝试了各种减阻的方法，如边界层抽吸减阻等，但减阻效果通常都不理想。超空泡减阻技术是一种可以使水下高速运动航行体获得90%减阻量的革命性减阻方法，基于这种新概念、新原理研制的水下超空泡射弹，可以突破普通射弹水下运动极限，使水下射弹的速度提高到1000m/s的量级，大大增加射弹的行程和杀伤力，提高进攻和防御能力。
射弹在水中高速运动时，贴近其表面的液体压力就会降低，当射弹的速度增加到某一临界值时，流体的压力将等于其饱和蒸汽压力，此时流体就会发生相变，由液相变为汽相，这就是空化现象。随着航行体速度的不断增加，空泡沿着航行体表面不断后移、扩大、发展进而形成超空泡。它的形成使液体对物体表面的浸湿面积减少，从而大大降低了粘性阻力，达到减阻的效果。本项目拟通过对已有的射弹结构进行动力特性和流体动力分析，并综合考虑阻力系数、升力系数等各种水动力系数以及应用情况来最终优化结构设计，进一步减小射弹运动时受到的阻力、提高其运动时的稳定性。
2、申请理由
本试验小组四人，均来自航天学院飞行器设计与工程专业，在中学时都受过专门的数学竞赛培训，拥有扎实的数学功底和娴熟的研究技能。通过一年的大学学习，我们熟练掌握了高等数学和线性代数这两项研究中基础性的工具以及必要的工程制图知识，学会了查阅文献的基本方法。在导师魏英杰教授的指导下，我们查阅了相关的文献，对本课题已经具有了充分的了解和认识。在与学长们的交流中，我们接触并自学了Matlab、AutoCAD等工具软件。在接下来的暑假中，我们计划自学相关的专业知识如流体力学和结构动力学等，并自学相关的力学分析软件如Fluent，为接下来的设计优化工作打好基础。
Fluent环境中近壁面微空泡溃灭的仿真计算_李疆
第28卷第4期摩擦学学报Vo.l28No.42008年7月TribologyJuly2008
Fluent环境中近壁面微空泡溃灭的仿真计算
李疆1,陈皓生2
(1.北京科技大学机械工程学院,北京100083;2.清华大学摩擦学国家重点实验室,北京100084)
摘要:基于FLUENT软件环境,采用VOF模型和非稳态方法求解Navier-Stokes方程,模拟了近壁面的空泡溃灭过程,同时计算了空泡溃灭处与壁面的距离对射流强度的影响.结果表明:在近壁面,空泡将形成非对称溃灭,因水锤作用,引发高速水射流在壁面产生高压而形成空蚀破坏;基于FLUENT环境的计算结果与已有的实验和计算结果相符,为研究空泡溃灭和空蚀机制提供了类比的数值计算方法.关键词:空蚀;空泡溃灭;计算流体力学(CFD);射流中图分类号:TH117;O353.4文献标志码:A文章编号:1004-0595(2008)04-0311-05
自Reyleigh在1917[1]年提出空泡运动的动力学方程后,对于空泡溃灭和壁面空蚀之间关系的研
究已有了大量实验[2~4]和计算结果[5~7].由于空泡
溃灭的直接求解方法较为复杂,采用数值计算方法
求解球形空泡的溃灭过程[8~12]已成为一种重要研究方法.数值方法中的主要一类为直接求解Navier-
Stokes方程以模拟空泡的溃灭问题,并以Volumeof
Fluid(VOF)方法获得空泡溃灭中的气-液两相界面的变化情况.其中考虑的假设条件不同[9~13],所得
计算方法也有所差别[9~13],因而其结果也不尽相
同.本文基于FLUENT软件环境模拟近壁面空泡溃
灭过程,并分析由于空泡溃灭所产生的高速射流对壁面空蚀形成的影响.由于FLUENT软件具有较强
的流体计算能力,可以求解包含压缩连续方程、N-S
方程和界面方程的方程组,并提供完整的VOF求解方案,其计算结果将为研究空泡溃灭过程的模拟提
供类比的软件平台.
近壁湍流和微颗粒的两相作用及减阻效应
第ｌ８卷第３期 ２０１２年６月 上海戈 报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＡＮＧＨＡＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ Ｖｏ１．１８ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２０１２
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－２８６１．２０１２．０３．０１３
近壁湍流和微颗粒的两相作用及减阻效应
唐一敏， 陈林烽，董宇红
（上海大学上海市应用数学和力学研究所，上海２０００７２）
摘要：为研究颗粒和近壁湍流的相互作用和流动阻力问题，采用点－力双向耦合模型并结合Ｌａｇｒａｎｇｅ粒子追踪法， 对负载颗粒的槽道湍流进行直接数值模拟（ｄｉｒｅｃｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＤＮＳ）．同时，从含颗粒作用外力项的Ｎａｖｉｅｒ— Ｓｔｏｋｅｓ方程出发，推导颗粒加载湍流的阻力系数表达式．考察较低容积比下粒径小于Ｋｏｌｏｍｏｇｒｏｖ尺度的颗粒对湍流 结构的调制以及湍流减阻现象，讨论颗粒尺度和数量等加载参数对阻力系数的影响，发现在本研究范围内的细微颗 粒对湍流的调制以抑制作用为主，同时产生明显的减阻效应． 关键词：颗粒；直接数值模拟；双向耦合；阻力系数；湍流调制 中图分类号：０ ３５１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７－２８６１（２０１２）０３－０２８２－０６
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｗｉｔｌｌ
Ｗａｌｌ－Ｂｏｕｎｄｅｄ Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ａｎｄ Ｄｒａｇ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ
ＴＡＮＧ Ｙｉ－ｒａｉｎ， ＣＨＥＮ Ｌｉｎ—ｆｅｎｇ，ＤＯＮＧ Ｙｕ—ｈｏｎｇ
（Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ＳｈａｎｇｈＭ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｐｏｒｔｓ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｃｏｍｐａｎｙｉｎｇ ｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｉｎ
【CN110053705A】一种应用于高速水面艇的多截面通气减阻方法及装置【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910384000.9(22)申请日 2019.05.09(71)申请人 哈尔滨工程大学地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南通大街145号哈尔滨工程大学科技处知识产权办公室(72)发明人 安海 任航 高文杰 孙鹏 阎朝一 尹瑰巧 (51)Int.Cl.B63B 1/38(2006.01)
(54)发明名称一种应用于高速水面艇的多截面通气减阻方法及装置(57)摘要本发明提供一种应用于高速水面艇的多截面通气减阻方法及装置，包括圆盘空化器、支柱结构、环形空化器、下潜体、导气瓦、引气槽和排气孔；所述圆盘空化器轴线向下倾斜，环形空化器布置在支柱结构前缘后，支柱结构布置在下潜体的中间段，所述环形空化器后设置有通气装置，所述环形空化器的迎流面与来流方向夹角为45°。本发明所述的头部圆盘空化器轴线设置一定的攻角，可以抵消部分重力效应对空泡形态的影响；本发明所述的多截面通气减阻方法和装置采用多个空化器并用。避免了支柱对空泡的干扰，减弱了重力上漂以及通气超空泡的不稳定性
等不良因素对空泡的影响。
权利要求书1页 说明书5页 附图5页CN 110053705 A2019.07.26
CN 110053705
A1.一种应用于高速水面艇的多截面通气减阻方法，其特征是，在下潜体上设置空化器，首先确定空化器的个数，所述空化器的个数通过航行速度、空泡的稳定性情况以及空化数大小来确定；然后确定空化器的尺寸；所述空化器的尺寸通过下潜体的长度及截面尺寸来确定；最后确定空化器的布局位置，所述空化器的布局位置根据空泡长度及考虑支柱对其稳定性的影响来确定。2.根据权利要求1所述的应用于高速水面艇的多截面通气减阻方法，其特征是，所述空泡长度根据logvinovich独立扩张原理得到。3.根据权利要求1或2所述的应用于高速水面艇的多截面通气减阻方法，其特征是，包括圆盘空化器、支柱结构、环形空化器、下潜体、导气瓦、引气槽和排气孔；所述圆盘空化器轴线向下倾斜，环形空化器布置在支柱结构前缘后，支柱结构布置在下潜体的中间段。4.根据权利要求1或2所述的应用于高速水面艇的多截面通气减阻方法，其特征是，所述环形空化器后设置有通气装置。5.根据权利要求1或2所述的应用于高速水面艇的多截面通气减阻方法，其特征是，所述环形空化器的迎流面与来流方向夹角为45°。6.一种应用于高速水面艇的多截面通气减阻装置，其特征是，包括下潜体和设置在下潜体上的空化器；所述空化器包括圆盘空化器或环形空化器，所述圆盘空化器设置在下潜体的前端且轴线向下倾斜、所述环形空化器设置在下潜体的中部，所述空化器的数量至少为两个。7.根据权利要求6所述的应用于高速水面艇的多截面通气减阻装置，其特征是，所述空化器后端设置有通气装置。8.根据权利要求6或7所述的应用于高速水面艇的多截面通气减阻装置，其特征是，所述圆盘空化器的背流面设置有引气槽、排气孔和导气瓦，所述引气槽设置在下潜体内，所述排气孔设置在下潜体上，所述导气瓦设置在排气孔的外部，气体通过引气槽、排气孔和导气瓦流出。9.根据权利要求6或7所述的应用于高速水面艇的多截面通气减阻装置，其特征是，还设置有支柱结构，所述支柱结构设置在下潜体的中部，所述环形空化器设置在支柱结构的前缘后。10.根据权利要求6或7所述的应用于高速水面艇的多截面通气减阻装置，其特征是，所述环形空化器的迎流面与来流方向夹角为45°
周期性阵风流对通气航行体超空泡形态及流体动力特性影响
周期性阵风流对通气航行体超空泡形态及流体动力特性影响
王威;王聪;李聪慧;杜严峰
【摘 要】使用动态网格技术,数值模拟研究了周期性阵风流对通气航行体的超空泡形态和流体动力特性影响.首先通过数值计算的结果与实验数据对比,验证了动态网格技术数值模拟周期性阵风流的可行性,然后基于该模拟方法分析了周期性阵风流作用下通气超空泡航行体的空泡形态演化过程及流体动力变化特点.结果 表明:在周期性阵风流作用下,通气航行体的超空泡形态呈现周期性变化,航行体沾湿区域的大小和位置也随之发生变化,进而引起了流体动力系数的周期性变化;航行体沾湿区域的阻力占总阻力的比例随着沾湿面积的增加而增大;沾湿区域升力占总升力的比例较大,沾湿区域的空泡闭合线附近存在高压区,使得沾湿区域的面积虽小,但却可以为航行体提供很大的升力.
【期刊名称】《振动与冲击》
【年(卷),期】2019(038)013
【总页数】7页(P208-214)
【关键词】阵风流;通气超空泡;沾湿区域;流体动力
【作 者】王威;王聪;李聪慧;杜严峰
【作者单位】哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨150001
【正文语种】中 文 【中图分类】O351.2
水下航行体借助通气超空泡的包裹，使得其表面的黏性阻力大幅度减小，航速得到突破性的提高[1]。采用主动通气的方式形成超空泡的关键是要向水下航行体的空化器后部注入空气或者其它不可冷凝气体，增大空泡内部的压力值，使得空泡尺度增加到足以包裹整个航行体表面。主动通气的方式由Reichard[2]最先提出，与单纯的依靠提高航速而生成的自然超空泡相比，通气超空泡对航行体的运动速度没有那样苛刻的要求，更加易于实现，而且通气量具有可控性，可以调节空泡对航行体表面的包裹范围，从而改变航行体的沾湿面积。Savchenko[3]提出了航行体在超空泡内部运动的四种模式，指出了沾湿区域可以为航行体提供升力，维持其纵平面运动平衡的作用。
补气对水轮机尾水管压力脉动及涡流特性的影响分析
补气对水轮机尾水管压力脉动及涡流特性的影响分析
本文针对水力发电机组在运行过程中影响水轮机运行稳定性的水压脉动和 复杂涡流问题 ,
通过大量的理论分析和数值模拟 , 对补气抑制水轮机低负荷工况 下尾水管中水压脉动与涡流特性进行了深入的研究。为了改善数值计算的精度 , 开展了多相湍流的模拟方法研究。
针对补气后流场内存在液 / 气/汽三组分和多种相间界面的特点 , 采用了基于 Level-set 方法的多相空化模型和基于局部流场修正湍流模型 , 构建了一套改善 的通气空化模拟方法。进行了绕NACA001水翼通气空化的水洞试验,并采用构建 的模拟方法开展了对应的流动模拟。
通过实验数据与计算结果的比较 , 验证了本文所提出的计算方法比已有的方 法具有更好的计算精度。采用本文构建的模拟方法 , 对低负荷工况水轮机全流道 流动及压力脉动特征进行了计算分析。
结果说明,随着空化数的降低 ,涡带由单一液相涡带转变为多相空化涡带 ;除 了涡带运动所诱发的压力脉动之外 , 涡带的空泡体积波动诱发了新的压力脉动成 分。通入空气可以有效抑制尾水涡带所诱发的压力脉动 :在较小的补气量下 ,通过 主轴中心孔补气能够局部抑制由涡带扰动诱发的压力脉动 ;当补气量较大时 ,尾 水管内的流动特性发生本质变化 , 所有压力脉动成分均被抑制。
进一步对补气前后尾水管内流场的流动特点进行了深入探讨。 基于涡的输运 方程分析可知 , 涡量的变化主要发生在涡带外表 , 且涡的变化率主要由涡的拉伸、 膨胀和斜压扭矩项组成 , 且每一项都存在一正一负两种相反作用 , 从而导致了涡 带偏心旋转。
补气能够改变涡量变化率的分布 , 随补气流量的增加涡带由螺旋状转变为柱 状。补气改变流场压力和压力梯度分布 , 进而影响尾水管涡带的演化与涡的脱落 形式。 此外, 补气改变了转轮上冠到下环的比能值分布 , 并最终导致局部负荷流动 状态的比能分布转变为类似全负荷工况的超临界状态 , 流动趋于稳定。最后, 对不 同部位补气以及抑涡槽对压力脉动的影响进行了比照。
通气空泡流中洞壁效应对空化数和压力场影响的研究
第１６卷第１－２期 ２０１２年２月 船舶力学 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｉｐ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ Ｖ０１．１６ Ｎｏ．１—２ Ｆｅｂ．２０１２
文章编号：１００７—７２９４（２０１２）０１－０００１－０８
通气空泡流中洞壁效应对空化数和
压力场影响的研究
陈 鑫 ，ｖ，鲁传敬ａ，ｂ，ｃ曹嘉怡 一，李 杰ａ，ｃ，郭建红
（上海交通大学ａ．工程力学系；ｂ．海洋工程国家重点实验室；Ｃ．水动力学教育部重点实验室，上海２００２４０）
摘要：文章在均质平衡多相流模型的基础上耦合输运方程型空化模型，通过求解混合介质的ＲＡＮＳ方程、ＲＮＧ ｋ－ ｓ湍流输运方程以及各相的质量输运方程，采用通用ＣＦＤ软件一ＦＬＵＥＮＴ数值模拟了水洞中带圆盘空化器航行 体模型的定常通气空泡流动，研究了圆形截面闭式空泡水洞中洞壁效应对通气空化数和压力场的影响。得到的阻 塞空化数线性正比于圆盘水洞直径比，且与三维圆盘自然空泡流的势流近似解基本一致，分析了洞壁效应作用下 空化流场内的压力分布特点，并根据计算结果拟合了一定适用条件下通气空泡长度、最大直径和模型阻力系数的 近似公式。 关键词：通气空泡；洞壁效应；阻塞空化数；压力分布 中图分类号：０３５９ 文献标识码：Ａ
Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｗａｌｌ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｎｕｍｂｅｒ
ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｅｎｔｉｌａｔｅｄ ｃａｖｉｔａｔｉｎｇ ｆｌｏｗｓ
ＣＨＥＮ Ｘｉｎ ，ＬＵ Ｃｈｕａｎ－ｊｉｎｇ ，ＣＡ ０ ０ ， ，皿 ，ＧＵＯ ｆｌａｎ－ｈｏｎｇ
ａ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ；ｂ．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｏｃｅａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；Ｃ．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ＭＯＥ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏ Ｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）