受限空间内射流流体流动特性研究

论文摘要

水射流是近几十年快速发展起来的一种新兴技术,在机械加工、煤炭开采、动力工程和医学等领域得到广泛应用。在机械加工领域,水射流切割可以对任何金属、非金属材料进行高效的切割破碎,同时不会产生热效应,被认为有潜力的切割技术。但因上宽下窄的切缝形貌和粗糙的切割断面等缺陷影响了该技术在精细加工领域的广泛应用。目前,针对该方面的研究多从材料破碎机理角度出发,但针对射流流体在切缝中与切割断面之间相互作用规律的研究相对较少,因此本文以水力切割过程中射流流体和切割材料之间相互作用为切入点,研究射流流体在受限空间中的流体流动特性规律,探讨切缝成形机理。本文采用大涡数值模拟方法对受限空间内不同受限宽度和不同雷诺数射流流场流动特性规律进行三维瞬态数值计算。在数据分析方面运用湍流统计理论对瞬态流场进行统计处理,分析时均特性、脉动特性和雷诺应力分布规律;采用POD正交分解算法对瞬态脉动流场进行降维处理,分析低阶模态下大尺度相干结构的分布特点,同时利用含湍动能为40%的低阶模态对瞬态脉动流场进行重构,分析受限宽度对射流流场中大尺度相干结构的影响规律。主要研究结果包括:(1)受限宽度对脉动速度和雷诺应力的影响均发生在初始段和过渡阶段,而对轴向时均速度的影响集中在过渡段和充分发展段;雷诺数对轴向时均速度的影响发生在过渡段,对雷诺应力的影响出现在初始段和过渡段,而对脉动速度出现在整个流动区域内。(2)对称双壁面结构对射流流场中相干结构的发展起到抑制作用,但随着受限宽度的增加而逐渐衰减,从而解释了纵断面上时均速度、脉动速度和雷诺应力在纵向方向发展受限的现象。(3)射流流场中低阶模态拥有较大的湍动能,能较好地反映流场中大尺度相干结构的分布特征。在断面上正、反向旋转的有序涡结构交替产生,且随着射流的发展有序涡结构的尺寸逐渐增大,数量逐渐下降。(4)不同受限宽度的纵断面上时均速度、脉动速度和雷诺应力分布不均以及空间“延迟现象”,均有助于切割断面呈现上宽下窄的形貌特征。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 符号表
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 单侧受限壁面射流
•     1.2.2 双侧受限壁面射流
•     1.2.3 POD正交分解在湍流流场中的应用
•   1.3 本文主要研究内容
•     1.3.1 主要研究内容
•     1.3.2 技术路线
• 2 水射流流场数值模拟方法
•   2.1 物理模型
•   2.2 湍流大涡数值模拟
•     2.2.1 控制方程
•     2.2.2 数值模拟方法
•   2.3 POD正交分解算法
•   2.4 模型的验证
•   2.5 本章小结
• 3 受限宽度对射流流体流动特性的影响
•   3.1 射流流体流动的时均特性
•     3.1.1 横断面时均速度分布特性
•     3.1.2 纵断面时均速度分布特性
•   3.2 射流流体流动的脉动特性
•     3.2.1 横断面脉动速度分布特性
•     3.2.2 纵断面脉动速度分布特性
•   3.3 受限宽度对雷诺应力分布特性的影响
•   3.4 本章小结
• 4 雷诺数对射流流体流动特性的影响
•   4.1 射流流体流动的时均特性
•     4.1.1 横断面时均速度分布特性
•     4.1.2 纵断面时均速度分布特性
•   4.2 射流流体流动的脉动特性
•     4.2.1 横断面脉动速度分布特性
•     4.2.2 纵断面脉动速度分布特性
•   4.3 雷诺数对雷诺应力分布特性的影响
•   4.4 本章小结
• 5 受限空间内相干结构分布规律
•   5.1 各阶模态能量占比规律
•   5.2 低阶模态下相干结构的分布特性
•   5.3 重构脉动流场特性规律
•   5.4 受限宽度对低阶模态的影响
•   5.5 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 附录
•   A.作者在攻读学位期间发表的论文目录
•   B.作者在攻读学位期间取得的科研成果目录
•   C.学位论文数据集
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 贾帅

导师: 袁波

关键词: 大涡模拟,水射流,受限空间,正交分解,相干结构

来源: 重庆大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 重庆大学

分类号: O358

DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.001093

总页数: 93

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