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水力空化及CFD数值模拟

作　者: 章昱
导　师: 计建炳；李育敏
学　校: 浙江工业大学
专　业: 化学工程
关键词: 水力空化孔板数值模拟亚甲基蓝悬臂式簧片哨羟自由基旋转空化器
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

空化是由于液体中的局部低压(低于相应温度下该液体的饱和蒸汽压)使液体汽化而引发的微气泡(或称气核)爆发性生长而后又溃灭的现象。根据空化产生的方法一般可以分为四种类型:声空化,光空化,粒子空化和水力空化。其中,水力空化现象发生在很多场合,例如在管径急剧变化的管道中和水力机械中。水力空化发生时伴随空化泡溃灭瞬间产生的能量释放,可以实现过程的强化。为了探究水力空化强化效应的机制和效果,寻求影响空化强化效应的基本规律,本论文就此开展了如下研究工作:设计建立实用有效的水力空化实验装置;根据计算流体力学理论,用CFD软件FLUENT对空化流场进行数值模拟;采用空化自由基捕捉方法,定量检测水力空化羟自由基;在此基础上,研究了孔板、孔板—液哨型组合空化器及尾涡旋转空化器的各种参数对空化自由基产量的影响,以寻求最佳空化条件。研究结果表明:(1)在FLUENT中,可以采用标准k ??模型和空泡动力学模型对孔板式水力空化器进行数值模拟,模拟结果表明:当出口压力一定时,入口压力越大,空化强度越剧烈;增加孔径及小孔个数使空化强度减弱;增大液体密度和粘度使空化强度减弱;增大液体初始含气量使空化强度先增大后减小;(2)利用亚甲基蓝溶液能够成功捕捉水力空化产生的羟自由基,然后可以采用紫外分光光度计定量检测空化羟自由基;(3)孔板式水力空化器的空化效应随入口压力的增大而增强;孔径及小孔个数增加,空化效应减弱;流量相同的情况下,空化效应随孔板比周长的增加而增强。(4)孔板—液哨型组合空化器的空化效应随空化数减小而增强;入口压力增大,空化效应增强;与单孔孔板相比,加入悬臂式簧片哨后的组合水力空化器空化效应明显增强,最大可提高26.7%,且簧片尖端到孔板距离较短、簧片自由端较短时,·OH产量更高,空化效应更剧烈。(5)尾涡空化旋转发生器的空化效应随入口流量的增加而先增大后减小,即流量存在一个最佳值使空化效应最强。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-21
  1.1 引言  12-13
  1.2 水力空化及空蚀问题  13-14
  1.3 课题的工程和学科背景  14-16
  1.4 国内外研究进展  16-18
    1.4.1 水力空化在生物化工中的强化作用  16
    1.4.2 水力空化在环境保护废水处理中的应用  16-17
    1.4.3 水力空化对混合的强化  17
    1.4.4 水力空化在石油和矿业的钻井工程中的应用  17
    1.4.5 水力空化装置动力特性数值模拟研究  17-18
  1.5 应用前景、存在问题与发展趋势  18-19
    1.5.1 应用前景及存在问题  18-19
    1.5.2 发展趋势  19
  1.6 课题研究内容和意义  19-21
第二章水力空化基本理论  21-40
  2.1 引言  21
  2.2 空化机理  21-25
  2.3 水力空化的发生与发展  25-32
    2.3.1 空化初生及空化数  26-29
    2.3.2 空化的发展  29
    2.3.3 空化泡的溃灭  29-32
  2.4 空化引发的效应  32-35
    2.4.1 空泡溃灭产生的能量  32-35
    2.4.2 空化的能量效应  35
  2.5 空泡动力学及汽液两相流  35-38
  2.6 空化的分类  38-40
第三章孔板水力空化数值模拟  40-60
  3.1 引言  40
  3.2 模拟软件FLUENT 简介  40-42
  3.3 空泡动力学模型  42-48
    3.3.1 空泡的静力平衡条件  42-43
    3.3.2 空泡运动方程  43-45
    3.3.3 蒸汽空泡的突然膨胀  45-46
    3.3.4 蒸汽空泡的突然压缩  46-47
    3.3.5 纯气体的绝热膨胀和压缩  47-48
  3.4 数学模型与计算方法  48-53
    3.4.1 湍流数值方法  48-49
    3.4.2 k-ω 湍流模型  49
    3.4.3 多相流空化模型  49-51
    3.4.4 计算方法  51-53
  3.5 模拟结果与分析  53-59
    3.5.1 初步分析  54-55
    3.5.2 沿管轴汽含率  55
    3.5.3 操作条件的影响  55-57
    3.5.4 物性参数的影响  57-59
  3.6 本章小结  59-60
第四章孔板水力空化实验  60-73
  4.1 引言  60
  4.2 实验装置  60-61
  4.3 实验原理  61-67
    4.3.1 羟自由基捕捉剂  61-63
    4.3.2 测定方法  63-67
  4.4 实验方法  67-68
    4.4.1 实验过程  67
    4.4.2 对比实验  67-68
  4.5 实验结果分析  68-72
    4.5.1 入口压力的影响  68-69
    4.5.2 孔径的影响  69
    4.5.3 小孔个数的影响  69-70
    4.5.4 孔板比周长α的影响  70-71
    4.5.5 实验汽含率分布  71-72
  4.6 本章小结  72-73
第五章孔板—液哨型组合水力空化理论及实验  73-83
  5.1 引言  73
  5.2 实验装置  73-74
  5.3 悬臂式簧片哨振动空化机理  74-75
  5.4 悬臂式簧片哨振动空化的可能性分析  75-77
    5.4.1 液体的强度  75-76
    5.4.2 空化阀  76
    5.4.3 气泡的运动  76-77
  5.5 实验结果分析  77-82
    5.5.1 簧片哨性能研究  77-79
    5.5.2 水流空化数的影响  79-80
    5.5.3 入口压力的影响  80-81
    5.5.4 簧片尖端到孔板距离的影响  81-82
    5.5.5 簧片自由端长度的影响  82
  5.6 本章小结  82-83
第六章尾涡旋转空化发生器实验研究  83-87
  6.1 引言  83
  6.2 实验装置  83-84
  6.3 实验原理  84
  6.4 实验结果分析  84-85
  6.5 本章小结  85-87
第七章结论与展望  87-89
参考文献  89-96
致谢  96-97
攻读学位期间发表的学术论文  97

水力空化及CFD数值模拟

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