旋转射流研究新进展

文献 [ 16 ]以气固多相旋转射流的偏微分方程 组为基础 。针对采用 k - ε双方程湍流模型模拟旋 转湍流场尚存在的不足 ,通过对湍流耗散率方程修 正 ,用数值模拟方法研究了气相流场 、颗粒运动轨迹 和轴向速度分布规律 ,开发出了相应的通用计算软 件 ,其预测结果与 LDV 实测值吻合较好 。为了模拟 颗粒相的扩散现象 ,采用随机轨迹模型 ,进行数值模 拟研究 。
王 凌 : 旋转射流研究新进展
的 k - ε模型 、重正化群 (RNG)的 k - ε模型及雷诺 应力模型在实际求解中的优劣 。在弱旋气相流动 时 , RNG k - ε模型可以满足工程上的精度需求 。在 强旋流动中 ,基于“有效粘性 ”的各个模型的计算结 果和实验相差很远 ,只有采用雷诺应力模型才能得 到较为满意的结果 。文献 [ 21 ]提出了考虑离心力 影响的 k - ε模型 ( k - ε - cf 模型 ) ,对流项采用混 合差分格式 ,对同轴旋转分层流燃烧器空气动力特 性进行了数值模拟 ,将数值预报与实验测定进行了 比较 ,得到了较好的结果 。
在旋转射流测量和添加剂研究方面 ,文献 [ 2 ] 研究了单丝斜热线探针多方位旋转测量技术的数据 后处理方法 。针对射流流场的速度特征及单丝斜热 线对垂直支杆来流的响应特性 ,提出了测量数据优
化处理方法 。文献 [ 8 ]在清水旋转射液研究的基础 上 ,研究了高分子聚合物添加剂对旋转射流结构特 性及破岩效率的影响规律 。试验结果表明 ,高分子 添加剂对旋转射流的基本结构影响不大 ,只是加快 了射流的衰减速度 ,增大了流的截面积 ,在合适的浓 度范围内 ,高分子添加剂可以提高射流的破岩能力 。 文献 [ 9 ]研究了叶轮导引射流喷嘴内部流场的流动 特性 ,编制了流体的三维有限元数值模拟软件 ,介绍 了此软件的编制原理及其构成 ,并通过对一实例的 计算 ,揭示了喷嘴内流动的一些特点 。
文献 [ 17 ]将基于重整化群理论的 ε方程与张 健等提出的新代数应力模型 (N - ASM )相结合 ,提 出了重整化群代数模型 (RNG - ASM ) 。同时运用 k
- ε模型 、N - ASM 模型和 RNG - ASM 模型计算了 强旋转受限射流场 ,为准确预报强旋转受限射流的 回流区 、轴向速度和切向速度 ,给出了 6个湍流应力 的分布 。
文献 [ 3 ]对旋转射流流动规律进行了实验研 究 ,结果表明 :在近喷嘴范围内其速度剖面 、压力剖 面和轴向速度剖面均呈现“M ”形分布的特点 ,切向 速度剖面呈现“N ”形分布的特点 。随着射流向前喷 射 ,射流的横断面不断向外扩散 ,其速度和压力剖面 变得越来越平缓 ,衰减较快 。旋转射流截面最大轴 向速度和切向速度与喷距的负指数成正比关系衰 减 。文献 [ 4 ]为了研究旋转射流的流动特性以及喷 嘴和叶轮的几何形状对旋转流体流强度的影响 ,对 旋转射流的流动及旋流强度进行了理论分析及计 算 。结果表明 ,在理想情况下 ,旋转射流的流线为一 条对数螺旋线 。为了使水力损失最小 ,导向叶轮的 外形应与其流线相一致 ,旋流强度的大小取决于喷 嘴的各个参数及叶轮的几何形状 。旋流强度越大 , 旋转射流轴向速度越小 ,切向速度越大 。旋转射流 的能量随旋流强度的增加 ,衰减加快 ,射程变短 。文 献 [ 6 ]对径向湍流旋转射流作了计算研究 ,考察了 边界条件的不同取法对计算结果的影响 ,并与过去 国外学者公布的实验结果作了比较讨论 ,再次证明 边界条件的适当改变 ,对射流的渐近扩张速率有明 显的影响 ,也有助于流场其它参数 (如雷诺应力 ,脉
同轴射流旋流燃烧室或燃烧器在各种工程燃烧 装置中有许多应用 。文献 [ 18 ]应用完整形式的改 进代数 Reynolds应力模型对旋流燃烧室内两股同 轴旋转射流的湍流流动进行了数值模拟 。模拟得到 的结果与实验测量数据以及 k - ε模型和简化形式 的改进代数应力模型的模拟结果的对比表明 ,改进 的代数应力模型可以给出比 k - ε模型和简化形式 的改进代数应力模型更为合理的湍流旋流流场模拟 结果 。文献 [ 19 ]研究了入流条件对同轴射流旋流 燃烧室内湍流流动模拟结果的影响 。计算中对旋流 燃烧室进口处两股旋转射流的轴向与切向速度采用 了均匀分布和实验测量分布两种方式来给定 。将两 种进口速度分布条件下得到的燃烧室内气体轴向与 切向速度分布计算结果与实验数据进行了比较 。结 果表明 ,进口速度取实验测量剖面预报出的气体轴 向与切向速度分布与实验相符合 。而进口速度取为 均匀分布预报出的气体轴向与切向速度分布则与实 验有一定的差异 。文献 [ 20 ]对旋流燃烧器出口的 湍流流场进行了深入的数值模拟研究 ,经过对不同 旋流强度的旋转射流的计算 ,比较了目前应用较多
文献 [ 23 ]采用热色液晶测温技术对以二氧化 碳为介质的稳态射流冲击换热和管内插入扭转带方 式的旋转射流冲击换热进行了实验研究 。与普通射 流相比 ,旋转射流导致驻点附近区域的换热趋于均 匀化 。其换热系数在大于某一半径之后高于普通射 流 ,但在驻点附近相对较低 。 1. 2国外研究现状
文献 [ 26 ]研究了缓慢分叉旋转射流的不稳定 性 。在理论上研究了轴对称旋转射流的小振幅不稳 定扰动的空间变化 。用多重刻度的方法解释了射流 平均流的缓慢轴向分歧 ,提出了一种解决平均流和 非稳定性扰动的方法 。文献 [ 27 ]研究了变密度旋 转射流流动的绝对不稳定条件 。研究发现当旋转射 流的旋涡核心比射流半径小时 ,旋涡提高了射流流 进一个非旋转的媒介时的绝对稳定性的趋势 。当旋 涡核心和射流半径接近时 ,旋涡促进绝对稳定性的 效果是很微弱的 。文献 [ 28 ]研究了粘性对没有旋 转核心的旋转射流的稳定性的影响 ,研究表明在粘 滞性发生的地方 ,粘性导致了在波数附近的非稳定 性 。在无粘性流体中 ,增长率是和波数成比例的 ;在 粘性条件下 ,增长率对于大的波数是个常数 。文献 [ 29 ]研究了由半直线驱动的自由旋转射流的不稳 定性 。通过研究粘性不可压缩流体的旋转射流的 N
液体射流的分裂雾化机理多年来一直受到理论 工作者的关注 ,文献 [ 22 ]利用线性不稳定性理论 , 分析了无粘旋转液体射流射入无界气体介质中的破 碎机理 ,通过改变各项射流参数 ,着重分析了流体参 数对射流分裂雾化的影响 。同时也探讨了与各种射 流条件相对应的射流分裂雾化的主导模式 ,其研究 结果可为旋流在工程实际中的应用 ,特别是在直喷 式汽油机中的应用提供了一定的理论依据 。
1 国内外综述
1. 1 国内研究现状 在旋转射流驱散积聚 流理论 ,结合机掘工作面作业特点 , 提出在机掘工作面应用旋转射流通风方法 。旋转射 流扩散性好 ,形成的空气幕罩能封堵整个掘进巷道 断面 ,且射流中心为负压 ,以控制工作面粉尘的扩 散 ,阻止掘进机作业时所产生的粉尘进入掘进机司 机工作区 ;旋转射流通风的风流紊动性强 ,并具有一 定的卷吸能力 ,有利于防止工作面瓦斯局部积聚 。 对旋转射流通风风流结构特点及通风作用机理的分 析 ,为掘进工作面通风新方法 、新技术的研究提供了 新的理论及参考依据 。文献 [ 24 ]对旋转射流降尘 进行了实验研究 ,研究结果认为螺旋状旋转射流具 有较大的喷雾角和喷雾面积 ,具有较宽的捕尘面 ,具 有较小的水滴粒度和较好的雾粒分散性 。
- S方程的近似解 ,发展了一种新的稳定方法 ,并且 阐述了导致滞后和打破轴对称的扰动的本质 。文献
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[ 30 ]研究了旋转射流实验中的模型选择 :线性稳定 性分析 。这个模型很好的反映了旋转射流实验中喷 嘴出口的速度分布情况 。
文献 [ 31 ]研究了两相非蒸发旋转射流的动力 学特性 。作者数值模拟了小负载旋转射流 ,研究了 两相旋转转射的流动力学以及结构特性 。雷诺数为 800的单相旋转射流实验结果表明 ,引入方式的旋 转强度大大影响了这个大范围结构的动力学 。对于 低等和中等的旋转强度 ,旋涡环出现在喷嘴出口处 , 随着旋涡的数目增加 ,它们的频率增加 ,相互感应后 逐渐增强 。因此 ,旋涡的增加对于一个过渡射流表 现为改变它的涡核动力学 ,在某种程度上 ,这有利于 提高了旋涡和涡核结构在剪切层的形成和卷吸作 用 。对于一个强旋转射流 ,中心静止区和回流泡沫 的产生将导致射流喷射角的急剧增大 。文献 [ 32 ] 通过近区域结构的同轴流的实验 ,研究了 4 种不同 的结构 : 无旋转的同轴流 , 仅外部旋转的流动 (OFRO ) , 仅内部旋转 的流 动 ( IJRO ) 和同 旋转 流 (CRJ) 。实验是在一个没有独立旋转的两同轴流的 一个圆柱形的水管中进行的 。用激光层析技术来证 明流场 ,用照片来显示不同的结构 。实验还用 P IV 建立了有旋和无旋流的时均速度分布 ,描述了最初 区域的旋转射流的动力学 。
ISSN 1671 - 2900 采矿技术 第 5卷 第 1期 2005年 3月
CN 43 - 1347 / TD
M ining Technology, Vol. 5, No. 1
M ar. 2005
旋转射流研究新进展
王 凌
(中国矿业大学机电学院 , 江苏 徐州市 221008) 摘 要 :旋转射流是一种即有工程应用背景又有理论研究价值的独特的流体运动 。综述 了近几年来国内外研究旋转射流的进展 ,包括实验研究方法 、理论分析和数值模拟 。提出 了今后应进一步研究的问题 。 关键词 :旋转射流 ;研究 ;新进展
文献 [ 7 ]对非轴对称扰动下含悬浮固粒旋转射 流场稳定性进行了研究 。考虑含有悬浮固粒的理想 不可压旋转圆射流的运动方程 ,借助势流理论推得 扰动增长率随径向波数变化的表达式 ,进而得到含 悬浮固粒射流稳定性的修正瑞利稳定性准则 ,求出 了非轴对称扰动下不同扰动阶数 、固粒质量密度 、固
- 气脉动速度比值 、固 - 气脉动速度相位差 、斯托克 斯数时旋转射流的增长率曲线 。然后根据修正瑞利 稳定性准则分析给出了关于悬浮固粒的属性对旋转 射流场稳定性影响的几个重要结论 ,为控制旋转射 流场和后续发展提供了合理的依据 。
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采 矿 技 术
2005, 5 (1)
动速度 )的改善 。文献 [ 10 ]研究认为 ,传统的组合 旋流强度定义不能充分体现组合旋流的流体动力学 规律 。在冷态实验中 ,用热线风速仪测量研究了旋 流燃烧器喷口的流场特性 。通过对实验结果的分 析 ,严格证明了组合旋转射流的各层射流对流场的 贡献并不相同 。对射流的最大回流率而言 ,燃烧器 内层的射流贡献大于外层的射流 。在此基础上 ,提 出了“加权组合旋流强度 ”的概念 ,使用权函数来体 现各层风对流场特性影响的作用大小 。文献 [ 25 ] 对应用二阶雷诺应力封闭的湍流旋流进行了研究 , 对涡流管中的流动 、强自由旋转射流 、轴对称 、旋转 突然扩张的湍流流动进行了有限差分的计算 。湍流 的模化是求解差分形式的雷诺应力分量输运方程的 二阶封闭 ,计算结果与试验数据比较的结果表明 ,雷 诺应力模型明显地优于常用的 k - ε模型 ,在有旋流 流动的计算中 ,雷诺应力模型也优于代数应力模型 。