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金博宝
体积22日,2021
货号 31
页数) 15
迪伊 https://doi.org/10.1051/meca/2021018
在线发布 2021年4月20日

©mr . Davoudi和M. Mahdi, EDP Sciences 2021出版

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1介绍

孔板作为能量耗散和压力降低的主要和重要因素之一,已在各种工业应用中得到开发。简言之,孔口是一个带有单个或多个孔的板。孔板的流量特性主要取决于孔板尺寸及其几何特征。就厚度而言,根据标准t/d<0.5(对于薄孔)和t/d>0.5(对于厚孔),孔通常分为两类,其中t表示孔板的厚度,d表示孔径。节流孔的主要用途是产生恒定的压降,如果减压达到工作温度下的蒸汽压力,就会产生气穴。空化作为一种不必要的现象,由于其腐蚀、振动、噪声、压力波动和效率降低等破坏性特征,是工业界关注的重要问题之一[金博宝1-4.].

由于简单,易于施工和合理的价格,锋利的边缘孔板是非常理想的[5.-8.].以我国翔洛地水电站工程为例,为了在机械水头135 m时完全控制闸门流速小于35 m/s,下游隧洞3孔板获得了44%的能量耗散率[9.-12].孔板广泛用作制冷设备和热泵中的制冷阀。它们也用于流体动力空化反应器,导致产生高压超级空化,这可以应用于消毒饮用水和污水[13].

悬浮在水中的不溶性气体和固体颗粒的存在导致空化核的形成。实验表明,水中总是初级微米核,这通常是由于表面张力而球形。在空化期间,这些核被引导至低压区(低于饱和蒸汽压力)并基本上生长,​​使得它们与肉眼可见。由于气泡进入高压区,它们倾向于塌陷和释放液体中的压力波。在空化期间,气泡与气泡和气泡的流体的相互作用是影响流体流动行为的非常重要的物理现象。空化流量通常分为四类,包括I型,II型,III型和IV型,根据国际自动化协会提供的控制阀空化标准(ISA-RP75.23-1995)。I型是空化自由流动。II型是初始空化,其中在流动路径中仅观察到小气泡,其可以使用声音测量装置来确定。III型是具有大而恒定的空化体积的恒定空化物流。最后,IV型流动达到最振动状态,这是该流的主要特征[14-16].

在这种压降的过程中,空化现象可以对液压装置造成各种损伤和腐蚀,例如水和油流,网络和泵送单元。空化是由几何和流体动力学参数的组合引起的。影响空化过程的主要变量是:1。设备的几何配置;2.空化区域中的绝对压力;3.临界压力,通常认为是液体蒸气压(Pυ);4.压降,其通常被认为是压力损失系数(ξ)。为了量化空化的强度,定义了非维度参数,其通常表示为防止空化对导致其力的力的比率。在本文中,空化数(σ)定义为(1)

哪里p.1是上游压力和Δp为孔板上的压降[17].根据不同状态下的空化量定义空化数σ。初始空化,用σ表示一世并显示了II型空化流态的开始,空化数σ不变C,这表明了第二和第三空化流程和Σ之间的空化流量。m作为最大振动的空化次数,其表示III和IV型空化制度之间的空化流量的空化数。基于标准ISA-RP75.23-1995和IEC 60534-8-2(智能电子设备)[1819,初始空化值由声压级(SPL)与空化数σ的半对数图实验确定。随着声级趋势的突然增加,确定了空化类型的变化[16].此外,放电系数CD.而本文的压力损失系数ξ表达式为:(2)(3)

其中V是流过孔口的流量ΔP的平均速度是孔上的压差,ρ是密度P1和P.2分别为孔板前后紧接的静压[1920.].

他和赵[21]通过多级孔口进行数值分析,并发现在雷诺数(重新)小于105.当Re大于10时,能量损失系数K显著减小5.,K的值几乎是恒定的。此外,随着收缩率(β)的增量,其被定义为管直径比的孔口直径,K值和返回的流量长度与相同的图案变化并且与收缩比趋势相反。在多级孔口,k2,即第二孔板的能量损失系数,始终小于第一孔板的能量损失系数。考虑孔板长度与管径的比值(L/D),此值应大于5.5D。因此,第二孔完全起到了耗散作用。Xeng和Qi通过实验和数值计算得到了相同的结果[22].

testud [23根据Tulis的定义,在已发展的空化和云空化状态下,对单孔和多孔等径比锐边孔内空化产生的噪声进行了实验测试。多孔孔板的等径比(EDR)计算公式为:(4)其中dO.是同一个孔的直径,dP.为管的直径,n为孔的个数。他们发现,在发展的空化状态下,多孔孔口产生的声音远远大于单孔孔口的等效值。但在超空化过程中,两者的结果没有差异。

Fossa和Gugliemini [24通过薄和厚的孔口来调查水平流的压降,用于单相和两相流动。根据从其在单相流动的研究中获得的结果,通过薄孔口,厚度的增加导致压力下降系数的相对降低。另外,压降在两相流中的厚度上的依赖性似乎小于单相流量的相同值。

阎和索普[25[实验分析了各种空化流动制度,通过薄孔流动下游流动的影响。根据研究,通过将单相模式转变为具有气泡形成的两相模式的初期空化。此外,它们说明初始空化高度依赖于孔口直径/管道直径比(β)和管道直径本身(D)。他们还表明,初期空化数(针对特定直径)的独立性在水的流速上。xang和cai [26[发表了一个实验,其中在通过孔口流过流动的不同类型的边缘引起的压降量进行了测试,以获得最低含量。结果,产生最小压降的孔板具有最低的空化发生风险。还指出了孔口几何形状对压力损失的高影响,其中倾斜的边缘孔被认为是最佳设计,导致最低压降。吴和万铮[27]数值和实验研究了不同β比和厚度的孔板的流动。得出的结论是,压降系数仅是板的几何参数和管道直径的函数,并且与雷诺数无关。这一结果与Yan和Thorpe的结果一致。

GaN和Riffat以方形边缘孔板和2mm厚度多孔孔的单相流量的单相流动。他们报道,CFD仿真的预期损失系数显示出与单孔孔板的实验结果的偏差小于3%,并且对于单孔孔板的偏差超过8%。它们观察了在使用多孔孔板中的流动和压力的减小。

Takahashi和Matsuda [28]采用相同EDR的三个孔,多孔,多孔和锥形泡沫塌陷引起的冲击压力。从他们的研究结束,在低空化数,多穿孔的管壁和单孔孔的下游边缘附近观察到最大冲击压力。他们还提到,最大冲击压力是锥形孔口上最低的,并且在单孔孔口上最高。ai [29通过薄孔进行数值分析的能量耗散,并得出结论,能量损失系数和返回的流量长度既具有收缩率。

Rudolf等人在单相和多相流中实验了五个不同孔数和孔阶的孔。根据这项研究,虽然这些孔板中只有一个符合Idelcik的厚孔板定义,但即使是薄孔板,损失系数也会降低[30.].SIMPSON和RANADE计算地研究了孔口的各种几何参数,例如厚度,入口边缘的锐度和边缘的斜率,在空化行为上。它们介绍了多相计算流体(CFD)的动态模型的配方和数值解,并确认输入半径对空化活动具有显着影响。它们提供了一种比较和评估不同空化装置设计和操作参数的有用方法[31].此外,Mali等人。通过蜂窝状孔模拟流动,并研究了各种几何参数如流量面积,板之间的间距,板之间的间距,板(内联或偏移)之间的间距和空化特性。他们报道,流量压力符合孔口喉部的最低值和靠近板出口的最低值,并且板数量的增加会降低空化的前景。它们呈现出不同几何配置的阈值流速,上方的流动经受空化[32].

根据文章和研究薄孔,与喷射器喷嘴等厚孔不同,很明显,大多数研究已经实验完成,对这个问题的数值研究很少见。金博宝明确地用于两相流,已经在初期阶段进行了空化的研究。因此,在这种情况下,少数用于验证模型的参考。此外,对薄孔的实验研究产生压降,用于单相模式,其中研究了排出系数和压降的变化。已经研究了β比的变化。而且,孔几何因子是影响孔口性能的主要特征之一,并导致放电系数,空化长度,压降和噪声水平的变化,尚未得到完全理解。

在本作的工作中,在第一部分和双面斜坡边缘的双面倾斜边缘的双面倾斜边缘具有双面倾斜边缘的薄孔的空化流动特性的数值和实验比较是双面斜坡边缘的相同因素,单面斜坡在第二部分中比较了边缘以及具有相同EDR的多孔孔。此外,与适当的空化模型相关的多相混合模型用于模拟流过薄雾。已经考虑了各种几何参数的影响,例如流动面积和孔的边缘形状在压力下降和空化规范之类的诸如空化数和噪声水平上。鉴于CFD研究获得的结果与所获得的实验结果相比,已经建立了不同配置的空化性能。

2实验设置

本研究的测试设置如下所示图1,是根据国际标准化组织(ISO 5167)的标准5167设计的[33]并位于Shahid Rajaee教师培训大学的流体力学实验室。为了易于更换,孔板在凸缘内组装。此外,为了观察空化现象,将玻璃管安装在流动的下游,内径为d = 2“,长度为23d。控制阀位于孔的上游的25d以调节流速。阀门连接到孔口的凸缘,聚合物管,直径为1.5英寸,长度为1.5米,长度为75毫米的管道连接器,直径为60.8毫米,长度为4厘米安装压力表,最后,钢法兰连接,长度为120毫米,直径为2英寸。

压力表安装在支管配件上,精度为±0.1bar。此外,分别位于下游孔凸缘和±20mm Hg的两个真空仪,具有±0.02巴的±0.02级和±20mm Hg,并且在孔口位置的下游中的26 d中配合。为了测量流量,旋转仪在8-40米的范围内2/ h被使用。在距下游法兰的1cm距离和距玻璃管的0.5厘米处的实验期间,使用便携式声级仪表(RS-232)测量所产生的噪声。图2显示装置的管道和仪表图(P&ID)。本工程的下垫面孔板包括四个双侧斜边孔板,收缩比(β)分别为0.3、0.4、0.5和0.6;一个单侧斜边孔板和一个EDR相同为0.4的多孔孔板。上面提到的六个孔的厚度和外径分别为2和80毫米,如图3

考虑4个直径为10 mm等径比为0.4的多孔孔口与收缩比为0.4的单孔孔口进行比较。四个单孔孔板的下游和上游边缘均为45°斜度。而其他相同EDR(等径比)为0.4的孔板设计时,只在下游一侧设计一条边,以比较边的形状效果。如图所示图4,下游斜坡用1.5 mm厚的板建造,2 mm厚的板建造,并保持不接触单边倾斜边缘孔。而对于双面斜边孔板,其余边向上游倾斜。

缩略图 图1

孔口中空化的实验设置。

缩略图 图2

实验过程的管道和仪表图。

缩略图 图3

孔口0.3,0.4,0.5和0.6收缩率(β)。

缩略图 图4

其几何形状为(a)单边倾斜边的单孔孔板,(b)单边倾斜边的单孔孔板和(c)单边倾斜边的多孔孔板。

2.1第一个部分

本节的目的是调查通过双面倾斜边缘穿过孔口的流的行为。如上所述,在该部分的下研究孔口由四个单孔孔板的收缩率为0.3,0.4,0.5和0.6组成。它们分别位于嵌入法兰的地方。然后,通过打开入口控制阀,水流通过流量计和控制阀到孔部分。最终,流过玻璃管并被禁止出系统。对各种流量的每个孔进行该过程。因此,压力计所示的流量被认为是每个测试的输入。虽然输出包括孔口位置上游和下游的静压,排出流动的静压,产生的声水平和空化的长度。压力计无法测量低于8米的流速3./小时。此外,所有实验在抵壳空化方案之前在空化区域中进行,并通过系统泵的可用流速。提出了直径比为0.3和0.4的孔口的结果表12, 分别。

如从实验测试所获得的数据所示,流速的增加导致上游压力,平均声级和空化长度增加,但下游压力降低。孔口上的差压的生长也更有可能更有可能。p的压力3.由于外部流量与大气的直接连接而无情地变化,并且是关于大气的压力。在图5,所讨论的孔板的平均声级(ASL)变化是根据流量绘制的。

如图所示图5,通过增加流量,制造空化现象,使气泡崩塌所产生的声音升高,超过了人类听觉范围允许的声音极限,造成破坏。年底略微降低了孔的趋势与β= 0.3,β= 0.4,这是由于空泡长度的增加,从而改变泡沫崩溃的位置远离噪音计。通过增加流量提高上游压力,导致孔板上的压差非常高,最终导致空化的增长。图6说明了上述孔板的空化数随流量变化的变化。各孔的空化数随压力的增加而减小。压力下降持续到P2在操作温度下达到水的蒸气压。在本文中,将4960帕斯卡的压力视为实验室条件下的蒸气压。因此,限制为1的最小空化数和压力差的进一步增加不会改变前一个因素。此外,通过β的增长,空化数增加,意味着空化逐渐发生。声音级别的图表更改为空化数,如引言部分所述,表明了初生空气量。这些趋势呈现在图7

每个孔口中的空化数(σ)的减小伴随着平均声级的增加,其中该增加速率的突然变化表明了空化流动类型的变化。速率的变化发生在特定点,其实际上表明了空化流动型的开始。如图所示图7,这一点未在β= 0.3的趋势中确定,并且在本研究中对其进行的所有测试都在初始空化流程中,除了进入恒定空化范围的最后两个测试之外。图中其他趋势的圆圈点指示Σ一世,它表示为初期的空化数。在12米的流动中发生成立空气2/ h通过β= 0.4的孔口,在14米的流动中2/h通过β = 0.5的孔板,流量为18 m2/ h通过β= 0.6的孔口。在这种现象的初始流中,空化在记录的图像中没有特别明显。在图8,对测试期间的空化量的捕获照片被呈现用于β等于0.4的孔的每个流速。

表1

对收缩比为0.3的孔板进行了实验研究。

表2

对收缩比为0.4的孔板进行了实验研究。

缩略图 图5

ASL图对不同孔的流量变化的比较。

缩略图 图6

不同孔的空化数变异比较。

缩略图 图7

不同孔板的空化率随空化指数的变化趋势。(横轴为对数刻度)。

缩略图 图8

在(a) 16 (b) 18 (c) 20 (d) 22 (e) 24 (f) 26 (g) 28和(h) 28.5 m的流量下,β = 0.4孔内的空化体积的记录照片3./小时。

2.2第二节

本节的目的是比较EDR等于0.4时通过孔板的空化流动特性。这些孔板由单孔斜边孔板、单孔双边斜边孔板和多孔孔板组成,其特点见图4。在第一部分中提出了具有双面倾斜边缘的孔口流过孔口的结果。类似地,通过用单侧倾斜边缘和多孔孔流过孔口的流过。在表34.,通过前孔的流动结果显示。

如图所示表34.,流量的增长增加了上游静压,空化发生的概率,空化长度和噪音水平,但下游压力降低。出现了空化长度,空化数,压力损失系数和在这些实验中产生的声水平的变化,以便更好地理解几何形状的效果。图9由于各种流速显示空化长度变化的图表。

随着流速的逐渐增加,形成空化并加剧。由于这种增加,空化长度迅速增长。如图所示图9在低流速和空化的早期阶段,多孔孔的腔长度比相同的单孔孔,特别是具有单侧倾斜边缘的腔体的腔体长度相对较小。通过提高流速和空化程度,多孔孔的趋势比其他两个孔的趋势更快地增长。这表明在超级空穴杂交的情况下,多孔孔的不恰当性,以便在26米的流速下3./h时,空腔长度达到110 cm。两个单孔孔板的线增加的相似,大约恒定的差异3厘米到26米3./小时。如图所示图10.,流量为24米3./ h,多孔孔中的形成腔长以单个孔中的相同流速超过腔体长度。但是,如图所以图11.表明,在空腔长度与压差的关系图中,值得注意的是,在相同的压差下,多孔孔口的空腔长度最小。

图11.表明,几乎在每三个孔口中,可测量的空穴发生在2巴的压力差,并且增加压力差,腔长也增加。结果表明,直到4巴的压力差,通过多孔孔的流动获得最低空腔长度。然而,随着越来越多的压力差到超过4巴,所以上述流动获得了最大的空化长度并流过单孔孔,用单侧斜面达到最小的空腔长度。根据图10.11,显而易见的是,与双面倾斜边缘孔等孔之间的主要区别是被定义为在恒定雷诺数实际放电比理想流量流量系数的量。

这种差异在清楚地观察到图12.。在前面的孔口中给定的RE中的放电系数的值比在另一个孔中更大。所列孔口的空化数和压力损失系数之间的比较显示在数字13.14, 分别。随着流量的增加,空化发生的可能性增加,这在清楚地观察到图13.。为了通过这些孔口较低的流速,不同孔口的空化数具有不同的差距。因此,多穿孔孔口,然后具有单侧倾斜边缘的单孔孔,具有比具有双面倾斜边缘的单孔孔在相同放电的单孔孔的空间值较低。通过将流速增加到最小空化数为1的流速来降低这种差异。

如图所示图14.结果表明,单孔单侧斜边孔板和多孔孔板的压力损失系数在相同系数的情况下,均有较大的差异,而压力损失系数实际表示的是跨双面斜边孔板的压力损失。换句话说,通过单孔双面斜边孔板的流量比同样通过其他孔板的流量有更小的压降。当流量达到16 m时,管线呈下降趋势3./ h是初期空化的点,在空化形成后,趋势略微升高。根据引言部分中给出的说明,还分析了用于确定这些孔口的初始空化值的​​方法,如图所示图15.。根据该半对数图,显然是初始空化集中在0.2和0.8约0.8,这意味着空化发生在1.86>σ> 1.61的空化范围内。为具有红色圆圈的每个孔口指定了该图中的初始空化值。因此,初期空化发生在10米的流速下3./h为多孔孔口,流量为12 m3./h为其他两个孔。

表3

用EDR = 0.4的单孔孔的实验结果。

表4

用EDR = 0.4的多孔孔的实验结果。

缩略图 图9

用双面倾斜边缘和具有单侧倾斜边缘的单孔孔的空化长度逆流量对流量的趋势比较。

缩略图 图10

在24米的相同流动中的空化长度比较3./ h之间(a)用双面倾斜边缘的单孔孔,(b)多孔孔和(c)具有单侧倾斜边缘的单孔孔。

缩略图 图11

空化长度逆差与多孔孔口压力差的趋势,单孔孔,具有双面倾斜边缘的单孔孔和具有单侧倾斜边缘的单孔孔。

缩略图 图12

比较了多孔孔口、单孔双面斜边孔口和单孔单边斜边孔口对流量系数的变化趋势。

缩略图 图13

多孔孔板、单边斜边单孔孔板和单边斜边单孔孔板的空化数比较

缩略图 图14

压力损失系数趋势对搅拌多孔孔的比较,单孔孔,具有双面倾斜边缘的单孔孔和具有单侧倾斜边缘的单孔孔。

缩略图 图15

不同孔板的空化率随空化指数的变化趋势。横轴是对数刻度。

3数值模拟

根据在前部分引入的实验设备,在实验中模拟流动路径。因此,由于多孔孔的特定几何形状,在3尺寸(3-D)中模拟了具有单侧倾斜边缘的多孔孔和单孔孔,而单孔孔的其余部分与第二尺寸(2-D)轴对称模拟实验试验中的一部分。本文的所有3-D模拟使用ANSYS流畅的16和由ANSYS流畅的19型模型进行的。首先,在单孔的2-D和3-D数值分析结果之间进行比较观察到具有倾斜边缘的孔和可忽略的差异。由于三维型号的数值分析比二维模型更大且耗时比2-D型号更耗时,因此我们使用了2-D模型来模拟第一节实验。

为了离散流动域,商业软件Gambit 2.4.6用于2-D型号的四边形轴对称铺设元件,以及3-D模型的三-Pave元素类型。为了获得更精确的结果,在本研究中使用了K-ωEPENTER的剪切应力传输(SST)湍流模型。

Menter开发的SST k-ω模型[34]用于表示流场中的湍流。SST K-ω模型是近壁流的K-Ω模型以及剩余流动域的K-ε模型的组成。为了计算湍流剪切应力的效果,SSTK-ω模型包含改进的湍流粘度配方。穿过孔口可以使流动暴露于分割,喷射形成或返回到孔壁,沿孔壁附近的剪切层,主要密度比和相对的压力梯度。因此,所选择的求解器模型需要在孔壁附近的流场以及质量域中模拟流场中的干扰。SST K-ω模型的规范满足了本研究中遇到的流的特征。Bardina等。[35]评估了复杂湍流情况下不同湍流求解器的效率。此外,他们建议在涉及分裂、射流形成和反向压力梯度的复杂流动情况下使用SST k-ω模型。此外,SST k-ω模型采用自动壁面函数,通过壁面附近的网格处理,可以改变边界层计算和对数律估计之间的关系。Dastane等人[36],辛普森和ranade [37]建议在复杂空化流动情况下,采用SST k-ω模型求解湍流流动。

然后,以满足考虑使用这种方法,周围的网孔的大小被罚款,边界层元素在二维模型(0.005)在洞的速度增加1.1和达到最大0.6 + 1 d和−1 d从孔的位置。该条件延伸至孔板下游5D处的最大单元尺寸为0.8,其余网格按最大单元尺寸为1的假设进行网格划分。最终的网格由二维模型约44万个单元和三维模型约130万个单元组成。中给出了收缩比为0.4的双面斜边单孔孔板的几何方案和网格结构图16.

对含空化现象的流动进行了稳态数值模拟,采用了多种模型和方法。其中一些方法得到的结果与实验数据有显著差异。在某些情况下,解几乎没有收敛甚至发散。结果表明,使用Singhal等人的空化模型与其他空化求解模型相比,得到的结果更接近实验数据。

为了模拟空化过程,已经提出了几种传质求解方法,其中最常用的方法是基于瑞利-普列赛特方程的简化形式。例如,Schnerr和Sauer [38],zwart等人。[39,以及Singhal等人[40,在Ansys Fluent中模拟空化过程。本文的多相模拟流动计算均采用Singhal提出的后空化模型;对该方法的验证已在各种研究案例中进行(Singhal等。[40, Ebrahimi等[41]);这具有以下优点:每单位体积N的气泡数量N不需要确定为输入。

各种实验研究显示了湍流对空化流的影响。此外,Singhal等人。提出了一种数值模型,在使用概率密度函数(PDF)方法中计算湍流压力波动的后果。该方法的必要性包括:(a)评估湍流压力波动的局部量:(5)(b)通过与假设的PDF与时间相关联的瞬时速率的组合计算时间平均相变率。在本研究中,通过仅改变相位变化阈值压力值,简化了这种行为作为:(6)

大多数工程设备中的运行液体包括溶解状态的有限量的不可凝聚气体(NCG),或者由于泄漏或通过通气。Unexpectedly, a small amount (e.g., 10 ppm) of NCG can have considerable results on the dilatation of the gas at low pressure which can result in notable quantities of local gas volume fraction, and therefore have a significant impression on the distributions of density, velocity, and pressure. Another effect can be through increasing the phase-change threshold pressure which has been neglected because of the absence of general correction.

在湍流模型中,如前文所述,在孔周围加入精细元素的K-ω SST湍流模型提供了更精确的结果。正确选择松弛因子,收敛性好,残差小。为此,除Fluent软件指南中所述的考虑外,通过降低压力、动量、蒸发质量和密度的松弛因子,解收敛得很快,经过多次迭代后,通过增加密度、蒸发质量和压力系数,得到了较好的收敛效果。另一个影响更好收敛的因素是初始化。因此,首先在不考虑空化的情况下求解。然后,通过将单相流转化为混合流,选择空化作为传递机制,获得了良好的初始化状态,并获得了初始值最佳的复杂空化分析结果。造成这种初始化的原因是易于收敛的单相流成比例的多相流。将边界条件考虑为速度入口和压力出口。操作温度为26°C,其他具体值视为默认值。

图17.图示了所达到的数值和实验结果的相似性,其指示的空化长度为约110厘米,以26米的流速发生3./h通过多孔孔板。在本研究的数值分析中,输入以速度入口的形式考虑,输出以压力出口的形式考虑。每次试验的输入速度入口由入口管道的流量和截面面积计算。对于压力出口,假设其值为得到的P3.根据实验数据得出的结果。软件计算了流动模型内每个单元的压力和速度。压力-速度耦合方程和蒸汽方程分别用simple法和quick法求解,其余方程采用二阶迎风法求解。Fina首先,对本研究的数值模型进行了分析,并将实验结果与数值结果进行了比较图18.19, 分别。

图18.,在收缩比为0.3、0.4、0.5和0.6的情况下,将实验结果与具有双面倾斜边缘的单孔孔口的模拟二维模型的结果进行比较。结果表明,随着雷诺数的增加,压差和空化长度增加,而空化次数减少。这一趋势在数值和经验数据中变得相同。如前所述,在较低流速下,数值分析结果与实验测试结果之间存在较大差异。随着雷诺数的增加,这种差异显著减小,数值结果更加准确。

相同的图表显示在图19.为了比较相同EDR为0.4的孔板的数值和实验结果。在此,如前所述,Re的增加与空化数量的减少成正比。这些趋势彼此非常相似,尽管较低雷诺数下的二维模型空化数低于从实验中获得的空化数。通过提高Re值,不仅减小了数值结果与实验结果之间的差异,而且大大减小了所有结果之间的对比度。为了分析数值模型中产生的空腔长度的变化,通过模拟压缩比为0.4的单孔双斜边孔获得的相位轮廓表示为图20.

由于在低流速和初始流速下观察到的空化现象,模拟的空化长度精度较低。这符合24的流速。下游流在较低雷诺数下的压降比上游流与蒸汽压之间的压差要小。也就是说,在环境温度下,下游流的平均静压高于蒸气压。因此,这些流态中的空化现象是由湍流涡和涡引起的局部压力损失造成的。在这种流动中,会出现初始空化现象,其经验值与数值结果的差异较大。它持续到24米的流速3./h,此时流动进入较高的空化区。采用非稳态模拟可以减小实验结果与数值结果的误差。

此外,在该研究的第二部分实验的模拟中,包括通过孔口的水流建模,其具有0.4的相同EDR的孔,模拟具有单侧倾斜边缘和多孔孔的单孔孔口三维。从进行的数值研究中,展示了水的质量分数的轮廓图21.。如图所示的轮廓所示,空化随着流速的生长而显然增加。在初期空化的空化的早期阶段,在实验和数值实验中获得的结果之间观察到了很大的差异。但是,在25和26米处增加空化3.在更大的空化流动状态中,空化的数值和实验长度较小。此外,通过在相同的流速通过用相同的EDR孔口比较空化长度,得出的结论是发生在每个流速通过单孔孔与双面倾斜边缘当属降低空化的量相比其他类似的孔。最终,可以观察到,通过双面倾斜边缘流入孔口的流入较高的放电系数。因此,在通过相同孔口的给定放电中,由于板上的最小压降,具有双面倾斜边缘的一个具有双面倾斜边缘的腔的最小长度。

图22.,在流量为26 m的情况下,数值试验与实验对比了产生的空化长度3./ h通过提到的孔口。在横轴的模拟模型中的孔板平板位于0.515-0.517 m处;因此,通过具有双面倾斜边缘的单孔孔,模拟腔长度分别为22.5,36.5和116cm,具有双孔孔,具有单侧倾斜边缘和多孔孔口。根据实验结果的结果表明,具有双面倾斜边缘的孔口在相同的放电时引起了最小的空化长度。

缩略图 图16

(a)在β = 0.4处带有双面斜边的单孔孔板的二维几何方案和网格结构。(b)在β = 0.4处单边斜边单孔孔板的三维网格结构。(c) EDR = 0.4时双面斜边多孔孔板的三维网格结构。

缩略图 图17

相同流动长度的数值和实验结果比较26米的空化长度3./h通过多孔孔口。

缩略图 图18

在数值和实验实验中比较了不同孔口产生的空化数变化。

缩略图 图19

在相同EDR为0.4的孔口的数值和实验分析中,将产生的空化指数趋势与Re的函数进行比较,包括:1-具有双面倾斜边缘的单孔孔口,2-具有单面倾斜边缘的单孔孔口,以及3-多孔孔口。

缩略图 图20

在(a)14(b)16(c)18(d)22(f)24(g)26(g)26(h)27(g)26(g)26(g)26(h)28(h)28m的流动中,在孔口中的空化体积的轮廓β= 0.43./小时。

缩略图 图21

EDR = 0.4,流量为(a) 14 (b) 16 (c) 18 (d) 20 (e) 22 (f) 24 (g) 25 (h) 26 m的多孔孔内空化体积轮廓3./小时。

缩略图 图22

26m水流中空化长度的比较3./ h由实验性和数值测试中的:(a)单孔孔口,具有双面倾斜边缘(b)单孔孔,具有单侧倾斜边缘和(c)多孔孔口。

4结论

在这篇文章中,通过横管的空化流动的特点和孔收缩比(直径比)为0.3,0.4,0.5和0.6,双侧倾斜的边缘数值和实验比较,结果生成的噪音,空泡长度和空化数。此外,在等径比为0.4的孔板上,对孔板边缘几何形状的影响进行了研究。结果表明,进口侧和出口侧均为斜边的单孔孔板产生的压降最小。在相同流量条件下,通过该孔板的空化数较高,流量系数较低。通过数值模拟和实验分析发现,一般情况下,在相同流量条件下,具有双面倾斜边的孔口会缩短空腔长度。而单侧斜边孔板(包括单孔和多孔孔板)计算结果的比较则分为两部分。在同样流速低于22米的情况下3./ h,多孔孔产生较低的空化,而流速大于22米3./ h,正是相反的。此外,在相同的压力差和横跨孔板上的压力小于4个条的情况下,由具有相同直径比的单孔孔引起的腔的长度大致相等且大于由多个引起的空腔长度孔孔板。然而,随着压力差的增加到4巴,具有单侧倾斜边缘的单孔孔引起最小腔长。还研究了初期空化。结论是,在上述孔中,多孔孔的初期空化较高。

在O.rder to convergence the calculation of the Singhal cavitation model along with the SST k-w turbulence solution method, it is necessary to initiate the calculation with the single-phase flow without any phase change, then enhance the calculation to multi-phase after the convergence in single-phase. Moreover, it is essential to lower the relaxation factors depending on the Ansys instruction to avoid divergence. Convergence in the computing of the present case is extremely complex to reach and time-consuming, thus using a 2-D simulation as far as possible is much more efficient than 3-D modeling.

致谢

这项工作得到伊朗德黑兰Shahid Rajaee师范大学机械工程系研究项目的支持。

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引用本文:M.R. Davoudi,M. Mahdi,通过孔口,力学和工业的空化流动的实验和数值研究金博宝22,31(2021)

所有的表

表1

对收缩比为0.3的孔板进行了实验研究。

表2

对收缩比为0.4的孔板进行了实验研究。

表3

用EDR = 0.4的单孔孔的实验结果。

表4

用EDR = 0.4的多孔孔的实验结果。

所有数字

缩略图 图1

孔口中空化的实验设置。

在文中
缩略图 图2

实验过程的管道和仪表图。

在文中
缩略图 图3

孔口0.3,0.4,0.5和0.6收缩率(β)。

在文中
缩略图 图4

其几何形状为(a)单边倾斜边的单孔孔板,(b)单边倾斜边的单孔孔板和(c)单边倾斜边的多孔孔板。

在文中
缩略图 图5

ASL图对不同孔的流量变化的比较。

在文中
缩略图 图6

不同孔的空化数变异比较。

在文中
缩略图 图7

不同孔板的空化率随空化指数的变化趋势。(横轴为对数刻度)。

在文中
缩略图 图8

在(a) 16 (b) 18 (c) 20 (d) 22 (e) 24 (f) 26 (g) 28和(h) 28.5 m的流量下,β = 0.4孔内的空化体积的记录照片3./小时。

在文中
缩略图 图9

用双面倾斜边缘和具有单侧倾斜边缘的单孔孔的空化长度逆流量对流量的趋势比较。

在文中
缩略图 图10

在24米的相同流动中的空化长度比较3./ h之间(a)用双面倾斜边缘的单孔孔,(b)多孔孔和(c)具有单侧倾斜边缘的单孔孔。

在文中
缩略图 图11

空化长度逆差与多孔孔口压力差的趋势,单孔孔,具有双面倾斜边缘的单孔孔和具有单侧倾斜边缘的单孔孔。

在文中
缩略图 图12

比较了多孔孔口、单孔双面斜边孔口和单孔单边斜边孔口对流量系数的变化趋势。

在文中
缩略图 图13

多孔孔板、单边斜边单孔孔板和单边斜边单孔孔板的空化数比较

在文中
缩略图 图14

压力损失系数趋势对搅拌多孔孔的比较,单孔孔,具有双面倾斜边缘的单孔孔和具有单侧倾斜边缘的单孔孔。

在文中
缩略图 图15

不同孔板的空化率随空化指数的变化趋势。横轴是对数刻度。

在文中
缩略图 图16

(a)在β = 0.4处带有双面斜边的单孔孔板的二维几何方案和网格结构。(b)在β = 0.4处单边斜边单孔孔板的三维网格结构。(c) EDR = 0.4时双面斜边多孔孔板的三维网格结构。

在文中
缩略图 图17

相同流动长度的数值和实验结果比较26米的空化长度3./h通过多孔孔口。

在文中
缩略图 图18

在数值和实验实验中比较了不同孔口产生的空化数变化。

在文中
缩略图 图19

在相同EDR为0.4的孔口的数值和实验分析中,将产生的空化指数趋势与Re的函数进行比较,包括:1-具有双面倾斜边缘的单孔孔口,2-具有单面倾斜边缘的单孔孔口,以及3-多孔孔口。

在文中
缩略图 图20

在(a)14(b)16(c)18(d)22(f)24(g)26(g)26(h)27(g)26(g)26(g)26(h)28(h)28m的流动中,在孔口中的空化体积的轮廓β= 0.43./小时。

在文中
缩略图 图21

EDR = 0.4,流量为(a) 14 (b) 16 (c) 18 (d) 20 (e) 22 (f) 24 (g) 25 (h) 26 m的多孔孔内空化体积轮廓3./小时。

在文中
缩略图 图22

26m水流中空化长度的比较3./ h由实验性和数值测试中的:(a)单孔孔口,具有双面倾斜边缘(b)单孔孔,具有单侧倾斜边缘和(c)多孔孔口。

在文中

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