易形变桨叶搅拌槽内流场特性研究

摘要

搅拌槽内流场不均匀且随机变化,若桨叶刚度不足,则在不稳定流场作用下易发生变形,称为柔性叶片,本文主要研究柔性叶片变形对流场的影响。选用超弹性镍钛合金制作柔性桨,通过高速相机捕获桨叶振动特性,并根据柔性桨在静止状态与平均变形下的形状分别采用钨钢和弹簧钢制作刚性直叶桨与刚性弯叶桨。
　　采用高频二维粒子图像测速技术(PIV)相位解析测量同转速(210rpm)下三种桨的搅拌槽内流场特性,如流速、尾涡、脉动、湍流动能。结果表明柔性桨平均流速更大,湍流扩散强度高,柔性桨的振动导致尾涡的径向位置较刚性桨更向外,且柔性桨的三个方向速度脉动均较刚性弯叶桨高。
　　为验证搅拌槽内流场的各向同性假设对柔性桨的适用性,分别竖直拍摄和水平拍摄得到流场的三个方向速度脉动。将三个速度分量计算的湍动能和各向同性假设计算的湍动能进行对比,发现两种方法计算的湍流动能差距很小,各向同性假设对柔性桨和刚性桨均适用,但柔性桨的两种方法得到的湍动能差别较刚性桨小。
　　通过高速相机和PIV对柔性桨的叶片振动和流场进行同步拍摄,根据不同叶片变形将流动数据分组处理,将得到的流场特性进行对比。发现高速区(Vel/Vtip≥0.65)面积与叶片变形量成正相关,与振幅成负相关。平均变形及中等振幅附近的速度分布、湍流动能、尾涡分布均最接近总体的相位解析分布。随着变形量的增加,上下尾涡核心区径向分布范围和径向分布差别均依次增大。上侧高湍流动能区(k/V2tip≥0.41)面积逐渐增大,下侧高湍流动能区面积逐渐减小。随着振幅增大,尾涡径向分布范围及上下尾涡间距均越大,高湍流动能区面积也越大。

目录

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摘要

符号和缩略词说明

第一章 文献综述

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 搅拌槽内流固耦合

1．3 柔性桨叶的研究

1．4 流场特性理论研究

1．4．1 周期性伪湍流及尾涡

1．4．2 湍流动能

1．4．3 湍流动能耗散率

1．5 PIV技术

1．5．1 测量技术发展

1．5．2 PIV应用举例

1．5．3 PIV系统组成

1．5．4 PIV主要特点

1．6 本文研究内容

第二章 实验设备及分析方法

2．1 搅拌系统

2．2 轮廓识别

2．3 二维PIV

第三章 流场特性分析

3．1 不同桨速度场分析

3．2 不同桨尾涡分析

3．3 各向同性假设验证

3．4 不同桨湍流动能分析

3．5 本章小结

第四章 振动与流场特性

4．1 位置编号设定

4．2 总体流场特性

4．3 平均变形对流动特性的影响

4．3．1 变形对速度场影响

4．3．2 变形对尾涡影响

4．3．3 变形对湍流动能影响

4．4 不同振幅对流动特性的影响

4．4．1 振幅对速度场影响

4．4．2 振幅对尾涡影响

4．4．3 振幅对湍流动能影响

4．5 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

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