實(shí)施色流顯示試驗(yàn)和粒子圖像測(cè)速（PIV）流場(chǎng)測(cè)速試驗(yàn)對(duì)環(huán)隙流場(chǎng)動(dòng)力特性進(jìn)行定性及定量分析,揭示內(nèi)圓臺(tái)轉(zhuǎn)速和環(huán)隙寬度對(duì)環(huán)隙流動(dòng)特性的影響.通過(guò)解析速度場(chǎng)獲取環(huán)隙徑向速度及渦量分布、時(shí)均流場(chǎng)、雷諾應(yīng)力等關(guān)鍵流場(chǎng)信息,在泰勒渦演變周期性規(guī)律的定性認(rèn)知基礎(chǔ)上研究泰勒渦動(dòng)力機(jī)制.試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)環(huán)隙寬度不變時(shí),隨著內(nèi)圓臺(tái)轉(zhuǎn)速增大泰勒渦演變周期縮短;當(dāng)轉(zhuǎn)速為9.38 r/min時(shí),渦B1出現(xiàn)先分裂后又融合的特征,體現(xiàn)為環(huán)隙流場(chǎng)穩(wěn)定性減弱;當(dāng)轉(zhuǎn)速為9.38～20.68 r/min時(shí),靜壓力主導(dǎo)流動(dòng)狀態(tài)形成弧形向內(nèi)流動(dòng)趨勢(shì);當(dāng)轉(zhuǎn)速≥24.44 r/min時(shí),環(huán)隙內(nèi)形成弧形外向流動(dòng)趨勢(shì),說(shuō)明離心力主導(dǎo)當(dāng)前流態(tài);雷諾應(yīng)力隨轉(zhuǎn)速增大而增大,且雷諾徑向正應(yīng)力>雷諾軸向正應(yīng)力>雷諾切應(yīng)力.當(dāng)內(nèi)圓臺(tái)轉(zhuǎn)速不變時(shí),隨著環(huán)隙寬度增大泰勒渦穩(wěn)定性先增后減;各工況下環(huán)隙流態(tài)主要呈現(xiàn)弧形內(nèi)向流動(dòng)趨勢(shì),說(shuō)明環(huán)隙流場(chǎng)中的靜壓力總是大于離心力. 

【文章來(lái)源】：華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2020,48(06)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

試驗(yàn)方案

·90·華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第48卷體會(huì)出現(xiàn)二次流動(dòng)，形成等距排列對(duì)轉(zhuǎn)的泰勒渦，而圓柱間的流態(tài)是由內(nèi)外圓柱轉(zhuǎn)速?zèng)Q定[1-2]．同軸旋轉(zhuǎn)圓臺(tái)環(huán)隙流動(dòng)為同軸旋轉(zhuǎn)圓柱環(huán)隙流動(dòng)的擴(kuò)展，同軸旋轉(zhuǎn)圓臺(tái)和圓柱在環(huán)隙流動(dòng)特性上有很大不同[3]．同軸旋轉(zhuǎn)圓柱的離心力沿著軸向方向均勻分布，而同軸旋轉(zhuǎn)圓臺(tái)的離心力則是沿著軸向線性變化，從而使得環(huán)隙內(nèi)流動(dòng)復(fù)雜多變[4-5]．同軸旋轉(zhuǎn)圓臺(tái)內(nèi)外圓臺(tái)間隙小而轉(zhuǎn)速高時(shí)，具有反應(yīng)空間小和高剪切力的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器的設(shè)計(jì)[6]．此外，同軸旋轉(zhuǎn)圓臺(tái)環(huán)隙流動(dòng)特性研究揭示的旋轉(zhuǎn)流體湍流控制的有效途徑，對(duì)于提升慣性約束核聚變成功率及旋轉(zhuǎn)液膜反應(yīng)器中納米材料反應(yīng)物摻混效率具有顯著的工程意義[7-8]．就該領(lǐng)域而言，文獻(xiàn)[9]指出內(nèi)外圓臺(tái)之間的環(huán)隙大小對(duì)裝置內(nèi)流動(dòng)具有很大的影響，相同條件下環(huán)隙的尺寸影響最終形成的泰勒渦對(duì)數(shù)，環(huán)隙尺寸增加時(shí)泰勒渦對(duì)數(shù)減少．文獻(xiàn)[10]指出自由液面會(huì)顯著影響流場(chǎng)，環(huán)隙內(nèi)流體是自由液面的情況與完全充滿液體的情況相比，出現(xiàn)環(huán)形渦流的臨界雷諾數(shù)較小．文獻(xiàn)[11]對(duì)圓臺(tái)環(huán)隙內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和理論分析，計(jì)算了泰勒渦的雷諾數(shù)理論估算值．文獻(xiàn)[12]采用粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)對(duì)TC流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，獲得各轉(zhuǎn)速下流場(chǎng)信息，給出TC流中層流渦、波狀渦、調(diào)制波狀渦和湍流渦的旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)范圍．本研究提出通過(guò)色流顯示及PIV流場(chǎng)測(cè)速試驗(yàn)以獲取環(huán)隙流動(dòng)細(xì)膩流場(chǎng)信息，研究不同內(nèi)圓臺(tái)轉(zhuǎn)速及環(huán)隙寬度條件下的同軸旋轉(zhuǎn)圓臺(tái)環(huán)隙流動(dòng)不穩(wěn)定性觸發(fā)條件、影響因素及控制途徑，揭示環(huán)隙內(nèi)泰勒渦運(yùn)動(dòng)的周期性規(guī)律，分析環(huán)隙流場(chǎng)特性并探明渦動(dòng)力機(jī)制．1試驗(yàn)裝置及方案試驗(yàn)設(shè)備主要包括鋁框?

處理獲得子午面流動(dòng)速度矢量場(chǎng)及渦量分布．圖3為環(huán)隙寬度14mm，內(nèi)圓臺(tái)轉(zhuǎn)速5.63r/min工況下，環(huán)隙中軸線徑向速度(U)在0～14s內(nèi)的分布特征，h為水位高度．在環(huán)隙高度(0～1)d位置，隨著時(shí)間變化其徑向速度基本不變．在高度(1.0～2.5)d位置，0～4s時(shí)徑向速度只有一個(gè)零點(diǎn)，代表該位置只存在一個(gè)反渦；在6s時(shí)刻，徑向速度出現(xiàn)3個(gè)零點(diǎn)，說(shuō)明該位置產(chǎn)生一對(duì)新渦；在8～14s內(nèi)，該新渦對(duì)不斷增長(zhǎng)并向上移動(dòng)．在高度2.5d以上位置，隨著時(shí)間發(fā)展徑向圖30～14s內(nèi)環(huán)隙中軸線徑向速度分布特征速度變化曲線向上移動(dòng)．以高度為4d位置的正極值點(diǎn)為例，可見(jiàn)0～6s內(nèi)高度上移了約0.5d；由于在6s時(shí)刻產(chǎn)生新渦對(duì)，因此在8～14s內(nèi)上移速度明顯加快，高度上移了約0.8d．圖4為d=14mm，5.63r/min工況下，子午面中軸線渦量(V)的分布特征(0～14s)．渦量分布與徑向速度分布協(xié)調(diào)一致，在高度(0～1)d位置形成一個(gè)穩(wěn)定的正渦，其渦量基本不變．在高度(1.0～2.5)d位置，6s時(shí)刻生成一個(gè)新渦對(duì)，因此出現(xiàn)兩個(gè)渦量極值點(diǎn)；在8～14s內(nèi)，渦量極值點(diǎn)不斷上移，說(shuō)明新渦對(duì)渦心不斷向上移動(dòng)．在高度2.5d以上位置，隨著時(shí)間發(fā)展渦量變化曲線向上移動(dòng)，且在新渦對(duì)產(chǎn)生以后其移動(dòng)速度會(huì)加快．圖4子午面中軸線渦量分布特征3子午面時(shí)均流場(chǎng)3.1內(nèi)圓臺(tái)轉(zhuǎn)速對(duì)時(shí)均流場(chǎng)的影響通過(guò)對(duì)環(huán)隙內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行時(shí)均化處理得到時(shí)均流場(chǎng)()，從而分析環(huán)隙子午面流動(dòng)趨勢(shì)．圖5為當(dāng)環(huán)隙寬度為14.0mm時(shí)，不同內(nèi)圓臺(tái)轉(zhuǎn)速下環(huán)隙子午圖5不同內(nèi)圓臺(tái)轉(zhuǎn)速下子午面時(shí)均流場(chǎng)(d=14mm)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：3534104