基于CFD技术的射流混合装置参数优化及特性研究

摘要

射流混合技术因其结构简单、操作安全、便于综合利用等优势在国民经济的许多领域得到广泛应用。植保机械中的混药装置采用这一技术,可有效地避免预混式施药的诸多弊端。因此,射流混合技术在植保机械的应用引起相关研究人员的高度注意。针对现有单侧抽吸混合装置存在的问题,本文提出一种对称结构的射流混合装置,通过FLUENT数值仿真实现其主要结构参数的优化,并进一步得到优化结构的工作特性曲线,同时对影响射流混合装置工作性能的空化现象进行了初步研究。本文进行的主要工作如下:
　　 1.基于单侧抽吸射流混合装置建立内流混合流动模型,采用组分传输模型对非等密度体系下的液体射流混合流场进行模拟,通过分析流场参数的分布规律,发现单侧抽吸时存在着较为严重的流场分布不均现象。为改善这一弊端,改进设计单侧抽吸结构为对称双侧抽吸结构。通过CFD仿真对比了两者间速度、质量分数等参数分布,验证了对称双侧抽吸结构的优势；为改善射流混合装置内流场分布均匀性研究提供了思路及理论参考。
　　 2.为了优化对称双侧抽吸装置的结构参数,借助CFD技术分别研究了几个主要结构参数(嘴管距、混合管长度、混合管进口锥角)对双侧抽吸射流混合装置基本性能及内流场分布的影响,并以最高效率下降4％为标准确定了相应参数的最优区间,为新型混合装置的设计及参数优化提供了理论依据。
　　 3.针对射流混合装置实际使用中工作参数的选择及空化现象,采用Mixture模型和Cavitation模型仿真研究了双侧抽吸射流混合装置在不同工作参数下的内流场。仿真结果表明,空化发生后装置的流量比不随工作压差变化而变化,反而保持为一定值(极限汽蚀流量比),极限汽蚀流量比随进口压强的增大而降低。同时给出了射流混合装置的工作特性曲线,并确定了装置的非空化高效率区、非空化低效率区和空化区。该研究结果为射流混合装置结构参数和工作参数的合理匹配以及安全、高效运行提供了重要参考依据。
　　 4.为了讨论射流混合装置中空泡动力学行为,文章从Rayleigh方程及液体的粘压特性出发,导出了考虑液体粘压特性关系的空泡动力学方程；借助有限差分方法求解了不同液体粘度时的修正动力学方程,分析讨论了液体粘性对空泡脉动、空泡壁面速度和空泡壁面加速度的影响。发现液体粘性在空泡的发育和溃灭过程中起到阻尼作用,且粘性越大空泡的能量耗散越大,为深入研究空化现象对射流混合装置性能的影响机理奠定了一定的基础。

目录

文摘

英文文摘

图表目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景

1.2 课题相关的研究进展

1.2.1 在线混药装置研究进展

1.2.2 射流空化研究进展

1.3 本文的研究工作

第2章 射流混合装置内部流动及CFD 理论基础

2.1. 有限空间射流基本理论

2.1.1 有限空间射流流动结构

2.1.2 有限空间射流基本特性

2.2 射流装置的工作原理与基本特性参数

2.2.1 工作原理

2.2.2 基本特性参数

2.3 射流混合装置基本性能方程

2.4 射流混合装置的空化性能

2.5 CFD技术基础

2.5.1 有限体积法

2.5.2 流体区域离散

2.5.3 常用的流场迭代求解方法

第3章 射流混合装置结构参数的优化设计

3.1 射流混合装置的数值仿真

3.1.1 计算模型

3.1.2 控制方程

3.2 单侧抽吸混合装置的数值仿真

3.2.1 结构参数及CFD建模

3.2.2 计算结果与分析

3.3 侧抽吸混合装置的数值仿真

3.3.1 结构参数及CFD建模

3.3.2 计算结果及分析

3.4 双侧抽吸混合装置的参数优化

3.4.1 嘴管距的优化设计

3.4.2 混合管长度的优化设计

3.4.3 混合管进口锥角的优化设计

3.5 本章小结

第4章 射流混合装置工作特性的分析

4.1 考虑空化的多相流仿真理论基础

4.1.1 多相流模型及控制方程

4.1.2 空化模型及控制方程

4.2 考虑空化情况下射流混合装置的工作特性研究

4.2.1 CFD建模

4.2.2 出口压力对射流装置性能的影响

4.2.3 进口压力对射流装置性能的影响

4.2.4 射流装置工作特性分析

4.3 本章小结

第5章 粘性液体中空泡动力学研究

5.1 粘性对空泡动力学影响的修正模型

5.2 粘性对空泡动力学影响的数值仿真分析

5.3 本章小结

第6章 总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的学术论文及其他科研成果