自由射流的PIV实验与数值模拟研究

论文摘要

射流是在反应堆工程领域广泛存在的一类物理现象,自由射流是对一般射流过程的简化,研究自由射流流场中流体瞬时速度的变化规律,对于了解湍流的模化方法具有重要理论意义,也对与射流相关的反应堆安全系统设计和事故后果分析具有工程应用价值。本文利用平面激光粒子成像测速技术（PIV）,对圆形出口射流的瞬时速度场进行实验研究,获得不同出口雷诺数条件下自由射流速度场、脉动速度以及雷诺应力和轴向速度梯度的分布规律,并对自由射流主体段内的湍流粘性系数进行模化,使用不同湍流模型对自由射流流场进行了数值模拟,与实验结果进行了对比研究,评价了现有湍流模型在预测自由射流流场时的性能。本文首先介绍了搭建的高精度自由射流PIV实验台架,根据日本可视化协会提出的误差评估方法,对实验测量系统进行了误差分析,确定实验台架和测量系统的保守实验误差为2.391%。选取聚酰胺树脂颗粒作为实验示踪粒子,研究了示踪粒子浓度和时均场叠加帧数对实验测量结果的影响,给出了相应推荐值。然后开展了不同雷诺数条件下自由射流实验,利用PIV技术获得了自由射流轴线无量纲速度的衰减规律,确定了自由射流起始段长度与出口雷诺数之间的关系,分析了不同出口雷诺数条件下,距离出口不同位置处轴向无量纲时均速度的变化规律,发现当出口雷诺数大于2400后,射流主体段内轴向时均速度呈现良好的自相似性,与Gortler理论解符合良好,其射流卷吸量的分布与Tollmien理论解符合良好。之后通过对瞬时速度的统计分析,对不同出口雷诺数条件下的轴向脉动速度和径向脉动速度所代表的脉动强度进行了研究,结果表明:在射流起始段内,轴向脉动强度和径向脉动强度在不同横截面均为双峰分布,峰值位于r/b1/2≈±1处,射流主体段为单峰分布,峰值位于中心轴线即r/b1/2=0处;对不同横截面无量纲雷诺应力与轴向速度梯度的研究表明,无量纲雷诺应力和轴向速度梯度均为中心对称双峰分布,且存在一定的自相似性。此外,根据雷诺应力和轴向速度梯度的分布对自由射流湍流粘性系数进行了模化,得出湍流粘性系数的分段表达式。最后,本文分别使用标准k-ε、RNG k-ε模型和大涡模拟（LES）的方法,对出口雷诺数为531.5和2444.9工况进行了数值模拟研究,并将计算结果与实验值对比。结果表明,当出口雷诺数高于临界出口雷诺数时,标准k-ε模型的计算结果更接近实验值;当出口雷诺数低于临界出口雷诺数时,LES模拟结果更接近实验值。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题的背景及意义
•   1.2 国内外研究状况
•     1.2.1 理论研究
•     1.2.2 实验研究方面
•     1.2.3 数值模拟研究
•   1.3 本文的主要工作
• 第2章 实验系统和实验方案
•   2.1 自由射流PIV实验系统
•     2.1.1 实验装置
•     2.1.2 喷射系统
•     2.1.3 成像系统
•     2.1.4 示踪粒子
•   2.2 实验流程
•   2.3 本章小结
• 第3章 自由射流的PIV实验敏感性与误差分析
•   3.1 PIV实验原理
•     3.1.1 PIV拍摄技术
•     3.1.2 PIV实验图像处理方法
•   3.2 PIV实验敏感性分析
•     3.2.1 拍摄帧数敏感性分析
•     3.2.2 粒子浓度敏感性分析
•   3.3 PIV实验误分析
•     3.3.1 误差分析模型
•     3.3.2 误差分析计算
•   3.4 本章小结
• 第4章 自由射流的PIV实验结果及分析
•   4.1 射流起始段长度与射流卷吸量
•     4.1.1 射流起始段长度分析
•     4.1.2 射流卷吸流量分析
•   4.2 射流场纵向速度自相似性
•   4.3 自由射流脉动强度分析
•     4.3.1 径向脉动强度分布
•     4.3.2 轴向脉动强度分布
•   4.4 射流场雷诺应力与轴向速度梯度
•     4.4.1 射流场雷诺应力分布
•     4.4.2 射流场轴向速度梯度分布
•   4.5 湍流粘性系数计算
•   4.6 本章小结
• 第5章 自由射流数值模拟研究
•   5.1 前处理及模拟方法
•     5.1.1 几何建模及网格划分
•     5.1.2 数学模型
•     5.1.3 网格无关性验证
•   5.2 不同计算模型与射流PIV实验速度场对比
•     5.2.1 射流起始段长度
•     5.2.2 纵向速度场分析
•   5.3 不同计算模型与射流PIV实验湍流信息对比
•     5.3.1 雷诺应力分布对比
•     5.3.2 轴向速度梯度分布对比
•   5.4 本章小结
• 结论与展望
•   结论
•   展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及取得的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨杰

导师: 王建军

关键词: 自由射流,时均流场,湍流参数,数值计算

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 哈尔滨工程大学

分类号: O358

总页数: 84

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