射流流量计关键技术研究

论文摘要

射流流量计利用附壁效应附加反馈通道产生流体振动,在较宽流速范围内,振荡频率与流量呈线性关系。射流流量计因其理论计量下限极低而具有广泛的应用前景,但现有的射流流量计在工程应用中表现出一些不足:计量下限比理论上高得多;信噪比较低;缺少用于指导结构参数设计和性能优化的设计准则。这些不足限制了它的应用范围。本论文针对现有射流流量计计量下限高、信噪比较低等问题,对射流交替诱发流体振动进行了基础理论及设计方法研究,设计出具有垂直引流流道及双出口结构的射流流量计,并在此基础上完成了射流流量计的样机研制和性能试验,建立了射流流量计结构形式、尺寸参数及性能优化设计准则。论文提出了以垂直引流流道结构提高射流流量计抗干扰性能的设计方法,该方法将流体振动平面和管道轴线置于不同平面内,以降低上游管道内流量压力脉动对射流振荡器内部流场的干扰,使流体能够在低流速下产生稳定的射流附壁和交替振荡,提高了抗干扰性能,降低了射流流量计的计量下限;提出了双出口结构的设计方法,提高了射流振荡器的切换性能和附壁稳定性,增强了反馈通道内的压力信号,在降低计量下限的同时提高信噪比。第1章以大量的国内外文献调研为基础,介绍了射流理论的概况、射流技术的控制特性和优缺点、流量计的发展历史、分类和现状,在此基础上介绍了射流流量计的背景、特点及应用,重点介绍了了射流流量计的性能优势和工程应用中所表现出来的不足。为了解决射流流量计所存在的问题,提出了本课题针对射流流量计关键技术的研究。同时介绍了流动数值计算的背景、特点以及在流体力学理论研究和工程设计的应用。最后,提出了本课题的方案背景、研究意义和研究的主要内容。第2章对射流理论进行了深入而系统的研究。针对自由淹没平面湍射流,采用k-ε湍流模型对流动进行数值计算与模拟,分析了射流内部流场的分布特征;采用大涡模型对射流中的拟序结构进行了研究,模拟了射流紊动结构中的大旋涡结构和旋涡配对现象,分析了这些旋涡的产生、合并和消亡过程对射流沿轴线方向发展的影响,揭示了射流的本质机理。第3章对射流的附壁效应进行了深入的研究。建立了射流附壁的数学模型,研究了碰撞角度及附壁点位置与几何尺寸及物理参数的关系,控制喷嘴的尺寸、控制流的流量及压力对射流附壁的影响;采用流动数值计算的方法,研究了射流附壁和切换过程中流场的分布变化情况,研究了分流劈对流量恢复、压力恢复、附壁稳定性及切换灵敏性的影响。第4章对射流流量计的结构设计进行了研究,包括射流振荡器的设计准则,及与之相匹配的内部流道结构设计方案,其中针对现下射流流量计所表现出来的性能不足,提出了采用垂直引流流道及双出口结构的设计方式。根据设计准则,建立了用于数值研究和实验研究的射流流量计结构模型,分析研究了射流流量计中斯特劳哈数的影响因素和压力损失影响因素等。第5章建立了用于射流振荡器流动数值计算的控制方程和仿真模型,对其内部流场进行了数值计算,模拟了射流附壁与交替切换振荡现象,研究了流场分布变化规律,揭示了射流交替诱发流体振动的机理。在此基础上研究了射流振荡器结构参数对射流振荡器性能及斯特劳哈数的影响,进而对射流流量计性能的影响。建立了射流振荡器结构尺寸参数优化设计准则。第6章对射流流量计进行了系统的实验研究。建立了射流流量计实验研究平台,依据射流流量计设计准则设计了射流流量计样机,对其进行了可行性实验研究,验证了射流交替诱发流体振动的可行性,以及流体流速与振动频率的线性关系,研究了压力损失与流速之间的关系。对射流流量计样机进行了优化设计实验,研究了结构参数对射流流量计性能的影响。比较了本论文所设计的射流流量计与普通射流流量计的性能差异。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 射流概述
• 1.1.1 流体力学基础
• 1.1.2 射流理论
• 1.1.3 射流技术简介
• 1.2 流量计概述
• 1.2.1 流量计发展历史及现状
• 1.2.2 流量计分类及现状
• 1.2.3 流体振动流量计概述
• 1.2.4 流量计的发展趋势及展望
• 1.3 射流流量计概述
• 1.3.1 射流流量计的原理
• 1.3.2 射流流量计的优点
• 1.3.3 射流流量计的局限性
• 1.3.4 射流流量计的应用及性能
• 1.4 流体力学数值方法概述
• 1.5 本课题研究概述
• 1.5.1 课题的意义
• 1.5.2 课题的研究目标
• 1.5.3 课题的主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 第2章 射流机理研究
• 2.1 射流流场分布特征
• 2.1.1 计算模型与边界条件
• 2.1.2 射流结构与流场分布
• 2.1.3 射流一致性特性研究
• 2.2 射流拟序结构研究
• 2.3 本章小结
• 第3章 射流附壁模型及研究
• 3.1 射流附壁数学模型
• 3.1.1 射流速度分布模型
• 3.1.2 无控制流射流附壁模型
• 3.1.3 控制流对射流附壁影响研究
• 3.2 射流附壁数值研究
• 3.2.1 射流附壁机制研究
• 3.2.2 附壁射流流场分布
• 3.2.3 射流切换研究
• 3.3 分流劈对射流附壁效应影响研究
• 3.3.1 劈距研究
• 3.3.2 分流劈对附壁射流流场的影响
• 3.3.3 分流劈对射流附壁切换性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 射流流量计结构研究与理论分析
• 4.1 射流流量计结构研究
• 4.1.1 射流元件结构研究
• 4.1.2 内部流道结构研究
• 4.2 斯特劳哈数影响因素研究
• 4.3 本章小结
• 第5章 射流振荡器的数值计算与仿真
• 5.1 射流振荡器模型
• 5.1.1 控制方程
• 5.1.2 几何模型
• 5.1.3 网格与初边条件
• 5.2 射流振荡器流场分布研究
• 5.2.1 流场的流速分布
• 5.2.2 流场的压力分布
• 5.2.3 流场各处压力随时间变化规律
• 5.2.4 双出口流量随时间变化规律
• 5.2.5 射流切换机理研究
• 5.2.6 入口流速与振动频率的关系
• 5.3 结构参数对性能影响研究
• 5.3.1 射流喷嘴宽度对性能的影响
• 5.3.2 位差对性能的影响
• 5.3.3 侧壁张角对性能的影响
• 5.3.4 劈距对性能的影响
• 5.3.5 控制喷嘴宽度对性能的影响
• 5.3.6 反馈通道宽度对性能的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 射流流量计的实验研究
• 6.1 射流流量计实验平台
• 6.1.1 实验装置
• 6.1.2 射流流量计样机
• 6.2 可行性实验研究
• 6.2.1 射流流量计中的流体振动
• 6.2.2 频率与流速的关系
• 6.2.3 压力损失与流速的关系
• 6.3 优化设计实验研究
• 6.3.1 射流喷嘴宽度对流量计性能的影响
• 6.3.2 控制喷嘴宽度对流量计性能的影响
• 6.3.3 出口直径对流量计性能的影响
• 6.3.4 侧壁张角对流量计性能的影响
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 附录 1 论文数学符号说明
• 附录 2 攻读博士学位期间获得的成果及荣誉
• 致谢