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关键词： 银纳米流体   表面张力   光热调控   光学测量  

摘要： 将不同材料且不同形状的纳米结构颗粒分别或同时均匀地分散在不同类型基液中所形成具有性质稳定的新型介质,这种新型介质称为纳米流体。与传统流体相比,纳米流体具有高导电性、光学性质的改变、摩擦阻力减小、高导热效率以及改变基础流体的沸点和粘度等特点。银纳米流体作为一种具有优异光热物理特性的纳米流体,其热物理参数对浓度、形貌特征、粒径等因素敏感,其中表面张力是关键的热物理参数。调节银纳米流体浓度、形貌特征、粒径等因素可以调控其表面张力,并且实时测量银纳米流体表面张力可以反馈这些因素对其表面张力的影响。因此,银纳米流体表面张力的调控和测量研究对纳米流体导热和光热应用具有重要意义。本研究探究了银纳米流体毛细上升高度的光热调控机理,并建立了倾斜板上液滴光散射法来测量银纳米流体表面张力,研究内容如下:理论上,针对银纳米流体光热调控机理的研究。基于吉布斯自由能、杨氏方程和Young-Laplace公式,推导出了毛细等效上升高度的理论公式。同时,建立了毛细上升理论和光热调控理论相结合的模型,以研究银纳米流体的浓度和温度分布。最后,结合范德瓦尔·古根海姆方程和Szyszkowski方程以预测光热调控下的银纳米流体毛细上升高度。针对银纳米流体液滴的表面张力的测量,提出了一种非接触式激光散射方法。首先基于润滑方程建立了倾斜板上液滴三维模型。其次,根据光的衍射理论推导出激光照射倾斜板上液滴产生的背向光散射条纹峰间距与液滴表面张力的关系,并对光散射模型进行理论仿真,发现结果符合实际,最后建立相对测量法测量其他液体表面张力。实验中,加热激光入射毛细管中的银纳米流体,并测量了毛细上升高度。结果发现,加热激光入射位置与弯曲液面最低点之间的距离越近,毛细上升高度降低程度越大。在光热调控下,银纳米颗粒和热量聚集在弯曲液面及三相线处,因此,温度和浓度共同调控了银纳米流体的表面张力,从而影响毛细上升高度。实验进一步连续调节加热光与弯曲液面的距离,发现毛细上升高度出现连续变化的现象,说明加热激光可以连续调节管中银纳米流体的毛细上升高度。同时,在停止加热后,毛细上升高度恢复到原高度。对于银纳米流体表面张力,运用光散射法测量了不同浓度银纳米流体液滴表面张力,并对不同浓度银纳米流体液滴的光散射条纹数据进行采集及分析。结果表明,随着银纳米流体的浓度的增加,散射条纹峰间距增加。当银纳米流体的浓度小于3.16 wt%时,其表面张力随颗粒浓度的增加而降低。颗粒聚集在银纳米流体液滴的气液表面,降低了表面能,从而导致了表面张力的降低。本研究提出了一种新的研究纳米流体光热诱导毛细效应的方法,并为太阳能和电子冷却等领域的应用提供新的思路和解决方案。通过该方法可以实现对毛细上升高度的精确控制和调节,从而提高能源利用效率和降低系统成本。此外,基于光散射场分布与液滴表面张力之间的关系,本研究还建立了一种新的测量表面张力的光学方法。该方法在纳米流体润湿领域有广泛的应用价值,可以实现对固液界面性质的准确检测和表征,为液体输送、涂覆、润滑等工业应用提供创新性的解决方案。总体来说,本研究提出的新方法和新技术为纳米流体导热研究和光热应用领域的开发提供了新思路和新方向。

关键词： 变密度Navier-Stokes方程   全离散有限元格式   幂型标量辅助变量法   指数型标量辅助变量法  

摘要： Navier-Stokes方程描述了粘性流体的基本运动规律. 该模型在流体力学、大气科学、地球系统科学、工程等领域有广泛应用. 同时, 因为Navier-Stokes方程在一般情况下很难解析求解, 因此深入研究该方程的数值算法及其数值理论具有重要的理论意义和实用价值.　　本文研究了一种求解变密度不可压缩 Navier-Stokes 方程的无条件稳定和解耦的恒等关系保持格式. 通过引入幂型和指数型标量辅助变量来分别定义系统的能量和平衡不可压缩条件的影响, 文章首先将变密度 Navier-Stokes 方程转换为了一种等价形式. 然后, 基于转换后的等价形式, 文章构建了线性、解耦且可以高效求解的全离散有限元格式. 进一步, 文章分析表明, 研究的离散格式不仅保持了与连续方程类似的质量、动量和能量恒等关系, 而且其数值密度在 L2空间中的下限和上限也能被保证. 最后, 通过数值算例文章验证了所提出的格式的正确性和有效性, 同时将该方法推广到了自然对流问题.

关键词： 非牛顿流体   搅拌强度   停留时间   流动损失   厌氧发酵特性  

摘要： 本文的研究工作在国家自然科学基金项目“搅拌剪切稀化流多尺度时空流变特性及动量传递机理研究”（项目编号：52106044）及江苏大学高级人才启动基金“基于叶素动量理论的搅拌叶轮水力优化设计及动力学特性研究”（项目编号：JDG2039）资助下完成。厌氧发酵过程受到多种操作条件的影响，其中机械搅拌强度和水力停留时间（HRT）便是两个影响产气量的重要因素，不同的搅拌强度和不同的水力停留时间都会影响厌氧发酵产气性能。此外，在搅拌槽内搅拌发酵流体时，由于发酵流体多为非牛顿流体，其非线性流变特性会造成发酵系统的运行不稳定。因此深入研究机械搅拌强度和水力停留时间对发酵过程产气量的影响机理，以及发酵液流变特性对搅拌槽内流场结构的影响规律，进而掌握搅拌叶轮的动力传递机理和搅拌流体间的能量转移和损失特性，对提高厌氧发酵产气量和提升搅拌效率及系统运行稳定性具有重要的学术价值和工程意义。本文主要研究内容及结论如下：　　（1）在中温35℃恒温发酵条件下，采取连续式厌氧发酵方法，探究了不同搅拌强度和不同水力停留时间对厌氧发酵的影响，厌氧发酵实验结果表明：在厌氧发酵初期，由于水解及产酸阶段的进行，pH呈现下降趋势，经过NaOH调节以及发酵反应的进行，pH呈现出上升然后平稳趋势，最终pH值处于7.5左右。在不同搅拌强度阶段，保持HRT=30天不变，随着搅拌强度的提高，甲烷产量降低，当N=60r/min提上到N=120r/min时，甲烷产量降低了15.77%，平均日产气量降低了0.175m3/(m3·d)，即证明沼气及甲烷产量的高低变化是由于搅拌强度引起的。在不同水力停留时间阶段，平均甲烷产量HRT=30天时最高，平均日产气量HRT=20天最高，但在HRT=20天阶段时，发酵罐内浮泡增多，排气管内有水滴聚集，即说明此阶段发酵罐负载过高，不利于发酵的稳定进行，即获得最优发酵条件为搅拌强度N=60r/min，HRT=30天。　　（2）将厌氧发酵中不同时间阶段的发酵液通过流变仪进行流变特性实验分析，结果表明：发酵过程中沼液的稠度系数K随着含固率的减小而减小，流变指数n随着含固率的减小而增大，属于典型的假塑性非牛顿流体，其表观粘度随着剪切速率的增大而减小，呈现出剪切稀化特性。在厌氧发酵前后期进行了叶轮功耗特性分析，结果表明：相同转速下搅拌不同含固率的沼液，高含固率耗能更大，叶轮扭矩更高，当叶轮转速逐渐增大时，功耗的变化趋势增大，相同转速下搅拌不同含固率沼液，高含固率沼液需要消耗更多能量。　　（3）通过数值模拟分析探究了厌氧发酵过程中搅拌非牛顿流体时搅拌槽内部流场的旋涡结构、分布特性以及演变规律，获得了搅拌非牛顿流体时搅拌槽内部流动规律。研究结果表明：提高搅拌桨转速从而使得速度梯度增大，流体的流动范围扩大，加剧了流体间的对流和传质。当转速一定，含固率提高时，搅拌流场出现死区，即高含固率不利于流体间的混合，可以通过提高转速来提高混合效果。通过采用涡识别方法中的Q准则对涡量进行分析，Q值主要分布在叶片尾端并随着旋转方向发展，叶片尾端涡逐渐向叶尖处聚集并形成尾迹涡，随着转速的增大，尾迹涡逐渐向后端延伸发展，高湍动能区域同样增大。随着含固率增加，叶片所产生的尾涡结构逐渐向内侧收缩，Q值分布范围缩减，以及叶片下端高湍动能带逐渐变窄，减弱了流场的湍流强度。　　（4）基于熵产理论、时间平均总机械能及流体流变特性，对搅拌槽内搅拌非牛顿流体时粘度场、剪切速率场及剪切应力场进行了分析研究，获得了引起的流动损失及变化规律的相关参数，揭示引起能量转移与损失的根本原因。最后，通过分析不同加料方式对混合所需时间的影响，为实际厌氧发酵工程提供理论依据。研究结果表明：发酵搅拌槽内流体含固率逐渐降低从而使得非牛顿流体的剪切稀化特性减弱导致粘度梯度整体降低，在流场内的整体粘度分布趋于平均，从而使得搅拌槽内的整体混合性能上升。高剪切速率及高剪切应力主要存在于搅拌桨区域，随着发酵的进行非牛顿流体剪切稀化性能减弱，在搅拌槽其他区域剪切速率及剪切应力值较低。基于熵产理论对搅拌槽内能量损失特性进行分析，指出湍流耗散熵产和粘度耗散熵产对搅拌槽内流体流动损失起着主导作用，占整体的99%，壁面耗散熵产仅占1%。能量损失主要与搅拌桨相关，产生能量损失的主要原因是由搅拌桨周围湍流流动与壁面高粘度特性引起的，搅拌强度越高其能量损失就越大。提升搅拌强度可以缩短混合时间，但混合所耗能量却急剧上升，对比搅拌槽顶层进料与双层搅拌桨中间进料方式，指出中间进料方式可以更快完成混合。因此，在实际厌氧发酵时，建议通过管路将发酵物料添加至双层搅拌桨的中间区域，不仅能提高混合效率，同时节省能耗。

关键词： 含钛氧化物玻璃   密度   黏度   表面张力   微晶玻璃  

摘要： 随着全球对材料的研发与环境问题的持续关注,在对新型材料的探索、高炉矿渣的处理时,研究它们在高温环境下的热物理性质成为学者们的研究重点。而目前高温熔体的密度、粘度、表面张力的测量大多数是接触式的,在高温环境下,熔体会与容器壁接触,会污染熔体或者改变熔体的结构,导致测量结果不准确,也就加快了无容器悬浮技术的发展。气动悬浮技术是无容器技术其中的一种,国内的气体悬浮装置目前还没办法进行密度、黏度和表面张力的测试,而国外的设备价格比较昂贵。因此,开发一种国内自主研发的、可进行高温氧化物热物性测试的装置是很有必要的;采用同样的气动悬浮加热法制备了低SiO含量SiO-TiO-SrO玻璃,通过热处理条件的调控,进一步探索和开发性能优异的极性微晶玻璃材料。主要研究内容为:（1）在课题组搭建的气动悬浮装置的基础上进行了设备改造,成功搭建出气动悬浮热物性测试的装置,可以用来进行高温熔体的密度、黏度、表面张力的测试。（2）采用气动悬浮激光加热法对LaO-TiO体系进行合成,搭建并且调试气动悬浮热物性测试装置,经过前期大量实验的探究与摸索后成功测试出LaO-TiO熔体在1400～1800℃下密度、黏度、表面张力的数据,得出结论:该熔体的黏度与温度的变化不是线性变化的,对所选的4组玻璃组分,在同一温度下作对比分析,得出组分30.8LaO-69.2TiO熔体的黏度是最大的,而且越靠近共晶点处的黏度越大;LaO-TiO玻璃熔体的高温密度随着温度的增加而降低,随着LaO的增加,熔体的密度是增加的趋势,而且密度随温度变化不是线性的,在熔点下、熔点以上的区域分段拟合效果更恰当。对比4组玻璃组分的表面张力数据,发现:越靠近共晶点处的组分,表面张力越大。（3）采用气动悬浮激光加热法进行了低SiO含量SiO-TiO-SrO玻璃的制备,并且通过后续热处理条件的探索来微晶化处理,通过一系列微晶玻璃的铁电畴以及电滞回线的分析,得出他们均具有微弱的压电性能,以便得到一系列具有一定压电性能的微晶玻璃,有望在电子器件方面得到应用。

关键词： 级间引气   引气结构   总压损失模型   计算流体力学(CFD)  

摘要： 现代航空发动机多级轴流压气机的设计中常因飞机环境控制或发动机工作的需要引入级间引气。在发动机起动、停车以及其它过渡状态下,通过引气结构放气,可以有效防止压气机发生失速及喘振。同时,根据飞机和发动机的不同工作状态,空气系统从发动机不同的压气机级引气,将具有适当压力和温度的空气用于座舱空调和增压、机翼热防冰、发动机进口防冰和发动机热端部件冷却等方面。因此,级间引气系统设计,是压气机设计的必要环节。本文以1.5级压气机作为研究对象,通过数值模拟研究引气系统内部流场,分析引气系统内的流动特征以及损失产生的机理,主要完成了以下的工作:首先,通过对比不同引气系统内集气室的几何参数对引气系统内损失产生的影响,结果表明,当引气槽为垂直槽时,引气系统内的损失对集气室径向高度更加敏感而对轴向宽度并不敏感;集气室内损失随着径向高度增加,呈现先减小后增加的趋势。结合理论推导,建立一套完整的引气系统总压损失预测模型。与数值模拟对比结果表明,所建立的总压损失模型与CFD计算结果符合良好,引气系统总压损失系数的最大误差为-1.38%,平均误差为-0.8%。其次,进一步研究在不同引气结构几何参数和气动参数对压气机主流流动的影响,采用多变量交叉计算,对比不同参数下对主流效率以及流动特征的影响,结果表明:引气能够有效吸出机匣附近处的低能流体,降低附面层厚度,改善流道的流通性,提高压气机的等熵效率。同时能够改善后排叶片流动状态,降低叶尖附近的分离涡强度,增加叶片的做功能力。引气结构的几何参数对引气槽内部流动影响较为明显,主要体现在对引气槽前壁面端区处的流动的影响,对压气机的内部流动以及性能影响相对较小,而引气结构的气动参数对压气机内部流动及工作状态有着明显的影响。

关键词： 浮选   界面纳米气泡   表面活性剂   表面张力   力学性质  

摘要： 随着矿物开采机械化程度的提高,传统泡沫浮选技术所要分离的矿物尺寸不断减小,导致微细粒分选难题突出。一般认为,气泡的纳米化对提高浮选效率具有重要意义。鉴于此,考虑到在实际浮选应用中,浮选矿浆环境的复杂性,本论文首先研究了纳米气泡在纯水体系下生成特性,包括纳米气泡最优成像参数确定、纳米气泡的识别、纳米气泡成核的影响因素、纳米气泡的机械稳定性,然后选取浮选体系中常见的表面活性剂溶液(CTAB、SDS、Trition X-100)、单一盐溶液(Na Cl)、混合溶液(SDS、Na Cl),将纳米气泡分别暴露于以上溶液中,分别研究了纳米气泡在上述溶液体系中的生成特性,包括几何特性和力学特性,最后阐明了纳米气泡在溶液化学条件下的稳定性机理,为进一步丰富纳米气泡稳定性理论和推进纳米气泡在实际浮选中的应用提供技术支持。在AFM智能模式下,高有序热解石墨(Highly Oriented Pyrolytic Graphite,HOPG)表面纳米气泡的高度随峰值力的增加而降低,结合纳米气泡表面力曲线分析,确定纳米气泡成像的最适峰值力为300 p N。从纳米气泡对气体溶解度特性响应、纳米力学特性响应、表面浸润特性响应三方面有效识别了纳米气泡,试验数据支持纳米气泡内部结构的气相本质。纳米气泡只能产生于疏水界面并且纳米气泡会优先成核在基底的粗糙区域。纳米气泡在垂直冲击力的作用下,高度发生变化但数量不变;在水平冲刷作用力的作用下,纳米气泡的数量发生变化,但几何性质保持稳定。在表面活性剂体系中,溶液替换前后,三种性质表面活性剂溶液性质保持稳定,无其他影响气泡性质的污染物。在浓度低于临界胶束浓度时,纳米气泡的高度随表面活性剂溶液浓度的增加而增加,一旦超过临界胶束浓度时,气泡高度变化不明显,甚至在非离子表面活性剂溶液中出现高度降低的情况;纳米气泡的接触角随尺寸变化不明显,具有较小的尺寸依赖性。随表面活性剂溶液浓度的变化,不同浓度阳离子表面活性剂中纳米气泡的表观硬度在0.0571-0.0248 n N/nm之间变化;不同浓度阴离子表面活性剂中纳米气泡的表观硬度在0.0444-0.0386 n N/nm之间变化;不同浓度非离子表面活性剂中纳米气泡的表观硬度在0.0240-0.0196n N/nm之间变化。在不同表面活性剂中,纳米气泡在不同浓度梯度下的表观硬度值与该浓度梯度下的几何特性变化相一致。在单一盐溶液体系中,溶液替换前后,纳米气泡的几何性质没有发生变化。在混合溶液体系中,纳米气泡的几何性质随混合溶液体系中SDS浓度的变化而变化。表面张力分析结果显示,表面活性剂溶液中纳米气泡的表面张力在56.18-16.24 m N/m之间变化,从热力学角度和能量角度以及基于表面活性剂在空气-水界面吸附平衡描述的定量关系得出,低表面张力有助于纳米气泡维持短暂稳定,但不能作为其长久稳定的机理解释。分子动力学模拟分析结果表明,表面活性剂的加入不会彻底取代固-液界面的界面气层,纳米气泡在界面气层的气体补偿和表面活性剂对气体渗透性的屏蔽作用下,稳定存在于表面活性剂溶液中。本论文共插图94幅,表格6个,参考文献102篇。

关键词： 降膜流动   传热   表面张力   计算流体力学   换热器  

摘要： 固体表面上的液膜流动是生活中的常见现象,如玻璃窗上的雨水流动和外掠圆管的降膜流动等,它们受到重力、表面张力和电磁力等的驱动。该问题涉及流体动力学、界面科学、传热和传质等多个领域。本文研究了由重力驱动的液膜(降膜)流动及传热问题。数值模拟是研究降膜流动传热问题的重要方法,在揭示物理机制方面发挥着重要作用。表面张力模型对降膜流动传热的数值模拟结果影响显著。目前,文献中数值研究普遍采用连续表面力模型(Continuum surface force model,CSF)来计算表面张力,尚未对其他表面张力模型的适用性进行研究,并缺乏机理性解释。因此,探究表面张力模型对降膜流动数值计算结果的影响,对今后该领域的研究具有指导意义。本文研究了光滑竖直平板、水平圆管、水平椭圆管以及水平圆管脉动降膜流动在不同表面张力模型下的降膜流动和传热特性。主要研究结论如下:(1)在光滑竖直平板上,重力驱动的薄液膜流受到表面张力的影响,如果忽略表面张力,液膜容易发生飞溅而非连续稳定地流动;在入口段,两种模型均可获得自由铺展的完整液膜,但CSF模型下的液膜流动速度稍快,液膜层会出现高频低振幅的规则波动;在发展段,两种模型下的液膜从平滑表面逐渐变为波动表面,并出现孤立波的迹象,但没有形成稳定的孤立波,两种模型下的液膜形态开始有较大差异,液膜层有低频高振幅的不规则波动;在稳定段,两种模型下的液膜都呈现正弦波状,并具有陡峭前端和延长尾部。两种模型下的液膜形态比较相似。液膜层有更低频更高振幅的复杂波动,大波中叠加小波。(2)在水平圆管降膜流动和传热中。表面张力对水平管上的重力驱动的薄液膜流有重要影响,它可以限制液膜的扩散和促进液膜表面的变形,如果忽略表面张力,液膜会飞溅而不是稳定连续地流动;在液膜上、下停滞点附近,CSF和连续表面应力(Continuum surface stress,CSS)模型都能够模拟出相似的液膜轮廓,而没有表面张力会使得液膜严重失真;CSF和CSS模型都能够反映出水平管降膜的流动特征,包括悬滴、柱颈缩或颈缩断裂、膜厚度、涡流、液膜分离以及速度分量等;CSF和CSS模型下的水平管上的时间平均膜厚度没有显著差异;在传热特性方面,发现随着液膜流量的增加,局部传热系数也随之增加,且对管道上半部分的影响更显著;此外,忽略表面张力的计算会高估传热系数,特别是在液膜流量最小时;CSF和CSS两种模型均能较好的计算降膜流动传热,特别是在液膜流量大的情况下(Г=0.284 kg·m·s)。(3)在水平椭圆管降膜流动和传热中。液膜厚度从进口处开始逐渐变薄,没有表面张力会使得液膜厚度变大;CSF和CSS模型计算的液膜厚度有一定差异,但都能反映表面张力对降膜流动过程的影响;当椭圆管长短轴比增大时,液膜在上下滞止区停留的时间缩短,导致液膜积聚时间缩短,液膜厚度减小,从而使得局部传热系数增大,特别是在θ=20-180°附近;CSF模型和CSS模型都能体现椭圆管的壁面换热情况,但有一定差异。(4)在水平圆管脉动降膜流动和传热中。忽略表面张力会导致整个圆周上液膜厚度的减少,特别是上滞止区附近;在液膜流量较小时,CSF和CSS模型均能反映出管外脉动降膜流动下的液膜流动特性。随着液膜流量的增加,CSF模型下脉动降膜流动和稳定降膜流动计算的液膜厚度值比较吻合,而CSS模型情况下,稳定降膜流动下的液膜厚度值偏高;在降膜传热特性方面,低液膜流量时,CSF模型的计算结果比CSS模型好,但在液膜流量较大时,两者没有差别。

关键词： 双孔渡槽   过流能力提升   波浪交替回涌   卡门涡街   导流墩  

摘要： 渡槽作为跨越障碍的重要输水建筑物,被广泛应用于大型输水工程中,在南水北调中线工程中,有着27座输水渡槽发挥着跨越河渠、道路等障碍的重要作用。南水北调工程作为我国水资源调配的重大水利工程,对优化我国水资源时空配置有着战略性意义,随着中线工程设计加大流量输水工作的顺利完成,大流量输水期间渡槽段出现了波浪交替回涌甚至拍打槽顶拉梁的现象。这种复杂的波动流态,不但会干扰输水工作的正常运行,甚至会对渡槽结构的安全性产生隐患,因此研究渡槽复杂波浪流态的产生机理,进而提出波浪消减方案,对渡槽提升过流能力和稳定性具有重要工程应用价值。对大流量输水工况下渡槽产生复杂波动流态,进而影响过流能力的现象,采用数值模拟与水力学试验相结合的方法,探究其机理并提出波浪消减及过流能力提升方案。本文在现场调研基础上,利用数值模拟与水力学物理模型对比试验,探究槽身波浪交替回涌现象机理;根据其策源地提出“纺锤型”中墩改建方案、从抑制波浪提高流量角度提出“封闭”改建方案;以4座不同形式渡槽验证“封闭”方案的有效性和普适性。对提升渡槽过流能力和稳定性具有参考价值。主要研究内容包括:(1)通过现场调研与资料收集,建立典型渡槽段三维数值仿真模型,并通过水力学物理模型试验对数值模拟结果进行验证分析。基于实测数据率定模型,结果表明:数值模拟结果与实测流速、水深数据相对误差在5%以下,数据吻合较好;成功复演槽身段波浪交替回涌现象,与现场观测一致。确保了数值模型在渡槽建筑物复杂波动流态方面模拟的准确性。(2)应用数值模拟与水力学物理模型试验相结合的方法研究大流量工况下槽身波浪交替回涌现象的成因。结果表明:通过物模与数模结果对比观测渡槽出口的流速场与流线,发现卡门涡街对上游来流具有局部阻水作用;并根据涡街脱落升力系数与波浪交替回涌频率对比,确定槽身出口的卡门涡街是产生交替回涌波浪的策源地。(3)根据槽身段复杂流态的产生机理,提出“纺锤型”导流墩方案,对三种流量级下的四种不同导流墩长度分别进行试验。结果表明:“纺锤型”导流墩可改善渡槽进口流态,并大幅减轻涡街对上游来流的阻水作用,槽身最大波幅消减度达到80%以上。对不同长度导流墩组合进行对比试验后,提出进、出口导流墩纵横比AR=L/W分别为1.5、2.0的最佳性价比组合。(4)从波浪抑制及过流能力提升角度提出“封闭”方案,系统进行8种不同水位差工况模拟;并在4座不同形式渡槽上进行“封闭”方案可行性验证。结果表明:“封闭”方案对波浪交替回涌现象具有良好抑制效果,当上游水位到渠顶高程时,“封闭”方案渡槽过流能力可提升31.0%。4座不同形式渡槽在施加“封闭”方案后,过流能力均出现不同程度提升,确定了“封闭”方案的有效性。

关键词： 输油泵   流体动力噪声   Ansys Fluent仿真   LabVIEW平台  

摘要： 输油泵机组是原油集输过程中的重要机械设备。它的健康状态监测对确保输油生产安全具有重要意义。输油泵机组由离心泵和三相异步电动机组成,其驱动轴通过联轴器连接,它的运行通常伴随着振动和运行噪声。输油泵机组的整个运行噪声反映了设备健康状况。因此,通过对输油泵机组的运行噪声分析实现对输油泵的健康管理是业内研究的热点。输油泵机组的整体运行噪声分为电磁噪声、空气动力噪声、流体动力噪声和机械噪声。其中流体动力噪声的主要特征可以反映输油泵在不同工况下的运行状态。因此,本文重点研究了原油粘度和电机转速对输油泵蜗壳内液动噪声特性的影响。结果表明,原油粘度是影响输油泵流体动力噪声特性的关键因素之一。鉴于输油生产过程中的节能需求,可以通过电机的变频调速技术来适应负载的变化。因此,研究电机转速对输油泵蜗壳内流体动力噪声特性的影响具有现实意义。本文主要内容包括以下四部分:第一,根据输油泵的组成结构及其工作原理,结合原油流体特性,研究确定输油泵流体动力噪声产生机理;第二,根据输油泵流体动力噪声时域特性,构建输油泵流体动力噪声声源时域描述数学模型,根据频域特性完成流动噪声频谱特性描述;第三,利用Ansys Fluent平台完成离心泵内部流体瞬态以及噪声特征的仿真实验,通过设置多种仿真环境做对照,得到影响输油泵蜗壳内部流体静压、流场以及流动噪声的主要因素为三相异步电动机旋转速度以及原油流体的粘度;第四,基于LabVIEW平台建立噪声检测系统,完成输油泵流体动力噪声样本采集验证实验,通过单频信息提取与频谱图形的验证,得出在离心泵部分流体动力噪声为主导噪声源,样本分析误差小于1.5%。实验证明:采集样本数据真实可靠,噪声检测系统也具有很好的检测效果。

关键词： 凹槽结构   超疏水表面   液滴合并弹跳   凹槽宽高比   液滴尺寸   表面张力  

摘要： 超疏水表面由于自身具有较低的表面能,可使液滴在表面上保持类球状,因而具有极高的运动性。当液滴在超疏水表面互相接触发生合并时,合并过程中会释放多余的表面能,其中一部分转化为液滴的弹跳动能,使液滴弹离表面,即为超疏水表面的液滴合并弹跳行为。液滴合并弹跳行为大幅度提升了表面液滴的更新频率,从而强化传热。液滴合并弹跳的显著特点是,无需在外力(场)作用下即能使液滴弹离表面并发生扫掠现象,在表面自清洁、防冰抑霜、热二极管、雾水收集和发电等领域显示出巨大的应用潜力。但液滴合并弹跳发生的条件较为苛刻,液滴自身的物性参数、弹跳速度等对其最终能否脱离表面具有重大影响,因此,如何强化液滴合并弹跳,提高传热效率是未来研究的重中之重。在此基础上,本文以超疏水凹槽表面上的液滴为研究对象,通过数值模拟、理论分析和实验观测,系统地研究了超疏水凹槽表面上的液滴合并弹跳现象及其影响因素,揭示了凹槽形状、几何尺寸、液滴尺寸和表面张力等对液滴弹跳速度和表面能转化率的影响规律,相关研究成果对设计高效的自清洁功能表面、提高冷凝表面换热效率、预防和抑制换热器表面结冰、成霜等工业领域有重要的应用意义。 采用数值模拟和实验观测研究了超疏水平面和凹槽表面上的液滴合并弹跳过程,研究结果表明,液滴弹跳过程可分为液桥生长、液桥撞击壁面、三相线收缩和液滴弹跳四个阶段,其中液滴内部的拉普拉斯压力差和壁面的反作用力为液滴弹离表面的主要驱动力,液桥撞击壁面是液滴合并后是否发生弹跳的必要条件。 矩形槽的直角型槽脊可增大合并液滴的内部扰动及拉普拉斯压力差,提高液滴表面能转化率;V型槽的钝角型槽脊及侧壁的协同作用,增大了液滴的内部扰动及压差,抑制了液滴的横向膨胀,从而减小了液滴弹跳前的粘性耗散。梯形槽则在直角槽脊和凹槽侧壁协同作用下,当凹槽槽宽、宽高比和液滴合并半径相同时,液滴的表面能转化率分别是矩形槽与V型槽的1.65倍和1.5倍。此外,梯形槽较矩形槽与V型槽对大液滴的弹跳速度和表面能转化率表现出极显著的提升效果。 矩形槽、V型槽和梯形槽提高液滴合并弹跳速度和表面能转化率与槽宽、槽深和液滴半径有关,存在最佳宽高比和最优液滴合并半径。槽宽不变时,凹槽结构强化液滴合并弹跳最佳宽高比为W/H=1.5;凹槽宽高比不变时,液滴最优合并半径随槽宽增大而增大,且液滴半径R>0.5W时,液滴弹跳速度和表面能转化率随液滴半径增大而减小。液滴合并弹跳的半径比ω对液滴合并形态、液滴弹跳速度及表面能转化率有重要影响。液滴初始合并半径RL相同,凹槽宽高比恒定时,液滴弹跳速度和表面能转化率随液滴半径比ω先增大后减小,并在ω=1时达到最大值。这说明非等直径液滴合并相比等直径液滴合并不利于液滴弹跳。 在相同凹槽宽高比和液滴合并半径下,液滴弹离表面时间随表面张力增大而减小,该趋势随液滴合并半径增大而愈显著;当凹槽宽高比和液滴合并半径相同,液滴弹跳速度随表面张力增大而增大,W/H=1时,液滴弹跳速度和表面能转化率随液滴半径增大而减小,W/H>1时,液滴弹跳速度和表面能转化率随液滴半径先增大后减小,且在W/H=1.5时,液滴表面能转化率有最大值45.99%。