基于脉冲微射流控制的射流特性实验装置的设计及实验研究

摘要

随着天然气的开发利用，燃气已经成为我们的主要工业能源。燃料与空气的快速混合是提高燃料燃烧效率的关键。这就需要对射流的流动状态进行有效的控制，进而控制燃气射流的混合及燃烧过程。因此本文设计了一套基于高频微射流控制的射流特性实验装置，并利用CFD软件对不同控制条件下的射流的流场进行了实验与数值模拟，取得以下成果：　　1、利用CAD设计软件CAXA和Solidworks设计了一套脉冲微射流实验装置，主要对其中射流气体处理系统、射流管系统和脉冲激励发生器系统进行了设计，并利用流体分析软件Fluent对射流管中的扩散段和收缩段的相关参数进行了模拟分析，选取了最佳的扩散段的扩散角度，扩散角α为16°，最佳的收缩段的收缩曲线正弦曲线及收缩长度L=170 mm，保证了主射流喷嘴出口出的湍流度和边界层厚度等流动参数均符合实验设计要求。　　2、对实验装置进行装配，并对实验台进行搭建和调试，检测射流出口处的速度分布和湍流度分布，速度分布均匀，出口处平均湍流度小于0.5％，边界层厚度＜0.2R，符合设计要求。　　3、在每个微射流孔的质量流率比Cm=0.1%，占空比φ=10%的条件下，对微射流与主射流的频率比 Fv/FO（FV为微射流激励频率，FO为主射流大涡频率）在0～2.0变化时，同时微射流孔的分布方式为2、3、4、6的均匀分布方式下的外部流场的实验及模拟分析。结果表明，Fv/FO≈1时，微射流对主射流的控制效果最佳。当Fv/FO≈1时，流场中大涡卷吸与配对过程明显，对主射流的控制效果最佳，主射流与外部环境流体的混合程度最好。随着微射流孔数目的增加，虽然主射流内部的流向涡的对数增加，但其对涡环中的流体与主射流中心区域的流体的传质、混合作用减弱，因此，随着微射流孔数目的增加，其对主射流的衰减效果及与外部流体的混合效果减弱，相比之下，微射流孔数目为两个对称分布下的控制效果最佳。

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第一章 绪论

1.1射流简介

1.2流动控制技术

1.3课题的来源及研究意义

1.4本文的研究内容总述

第二章实验台的结构设计及三维建模

2.1实验装置主要进行的相关实验

2.2实验装置的设计要求及主要参数的确定

2.3实验装置工作原理及总体结构的设计

2.4气压站控制中心及缓冲室的结构设计

2.5射流管的结构设计

2.6高频微射流系统的结构设计

2.7本章小结

第三章实验台的搭建及实验设备与实验台调试

3.1实验台的搭建

3.2实验台中的系统及仪器设备

3.3实验台的调试

3.4本章小结

第四章CFD建模及模型可靠性分析

4.1 CFD简介

4.2湍流模型

4.3大涡模拟控制方程和亚格子应力模型

4.4 计算域网格划分及边界条件

4.5模型计算精度的分析

4.6本章小结

第五章流场的数值模拟及流场结构的分析

5.1自由射流流场结构的分析

5.2不同控制条件下流场结构的分析

5.3不同控制条件下对流场的对比分析

5.4本章小结

第六章结论

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果