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壅塞空化器的数值分析与实验研究

作　者: 徐俊超
导　师: 张凤华
学　校: 湖南工业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 壅塞空化壅塞空化器背压壅塞管数值模拟空化噪声
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

水力空化具有能量利用率高、处理量大、设备简单、操作方便、维护费用低、易于实现工业规模化等优点，近年来被业界认为是一项很有潜力的新型水处理技术。目前水力空化装置还未能很好地解决增加空化区域占水体的体积比和使空泡有效溃灭的问题，导致水力空化的空化效果还无法满足工业污水处理应用的需求。为了提高水力空化装置的空化效果，寻求一种水力空化处理工业污水的新方法具有重要的学术价值和现实意义。根据水力空化机理及气液两相流壅塞原理，本文针对壅塞空化器产生的壅塞空化效果展开研究工作。利用FLUENT软件对7种不同壅塞管直径在不同背压下进行数值计算和对应的空化噪声信号测试，研究壅塞管直径和背压对壅塞空化器空化效果的影响规律。研究结果表明，不同壅塞管直径的壅塞空化器在背压小于或等于临界压力值时都会出现壅塞流动现象。壅塞截面上游壅塞管轴心线上的各种特征参数如压力、气体体积分数、马赫数等都不会受背压的影响；当壅塞管中形成混合比较均匀的气液两相流时，从壅塞管的中段至壅塞截面气液两相流动的马赫数逐渐增加，在压力梯度最高点达到最大，其最大值为0.98，十分接近1。在壅塞流动的条件下，增大背压或壅塞管直径，最大压力梯度值会增大，壅塞截面会向上游移动。不同壅塞管直径的壅塞空化器都有最佳的背压范围，且随着壅塞管直径的增大，最佳的背压范围会逐渐缩小。在最佳的背压范围内，壅塞管直径和背压对空化器的空化效果影响较小。壅塞空化器在适当的运行参数下出现壅塞空化流动，可以同时满足空化效应的空泡产生、发育和溃灭需要不同流场压力的要求，有效地提高了水利空化装置的空化效果，为其应用于工业污水处理奠定了技术基础。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-15
  1.1 课题的研究背景及意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-13
    1.2.1 射流空化  10-11
    1.2.2 孔板空化  11-12
    1.2.3 漩涡空化  12-13
  1.3 论文研究思路及主要内容  13-15
第二章基础理论  15-32
  2.1 空化机理  15-21
    2.1.1 水中的气核  15
    2.1.2 空泡动力学  15-18
    2.1.3 空化效应  18-21
  2.2 气液两相临界流  21-23
    2.2.1 均匀平衡模型  21
    2.2.2 均匀非平衡模型  21-22
    2.2.3 非均匀平衡模型  22-23
    2.2.4 非均匀非平衡模型  23
  2.3 壅塞空化现象  23-29
    2.3.1 直管中气液两相混合流的壅塞空化现象  24-26
    2.3.2 射流泵发生极限工况时的壅塞空化现象  26-28
    2.3.3 经过倒角的圆柱管在定常和非定常流动下的壅塞空化现象  28
    2.3.4 在阶梯圆管中的稳态绝热闪蒸流的壅塞空化现象  28-29
  2.4 空化噪声  29-32
    2.4.1 空化噪声特性  29-30
    2.4.2 空化噪声数学模型  30-32
第三章壅塞空化器流场的数值模拟  32-51
  3.1 模拟软件 FLUENT 的简介  32-33
  3.2 湍流的数值方法及模型  33-35
    3.2.1 标准 k 模型  34
    3.2.2 重整化（RNG） k 模型  34-35
    3.2.3 可实现（Realizable） k 模型  35
  3.3 多相流模型  35-38
  3.4 壅塞空化器的计算模型  38-40
    3.4.1 划分网格  38-39
    3.4.2 模型假设  39
    3.4.3 算法及边界条件  39-40
  3.5 模拟结果及分析  40-49
    3.5.1 质量流量的影响  40-41
    3.5.2 壅塞空化流动  41-43
    3.5.3 马赫数  43-45
    3.5.4 背压对空化的影响  45-48
    3.5.5 壅塞管直径对空化的影响  48-49
  3.6 本章小结  49-51
第四章空化噪声信号的测试  51-63
  4.1 实验装置  51-52
  4.2 实验方法  52-53
  4.3 空化噪声信号测试结果分析  53-61
    4.3.1 功率谱分析法  53-55
    4.3.2 声压级差法  55-59
    4.3.3 空化噪声能量比值法  59-61
  4.4 本章小结  61-63
结论与展望  63-65
参考文献  65-69
攻读学位期间主要的研究成果  69-70
致谢  70

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