宏观不稳定现象国内外研究现状
时间:2018-03-04 15:03 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
| 正由于研究宏观不稳定性具有重要的意义，国内外学者们对其进行了大量的研究。在早年的研究中，人们多运用实验方法。其中包括压力检测法、挡板力检测法、扭矩检测法、LDA、PIV测速法等。研究人员根据实验中测得的相应信号随时间的变化情况，在后期进行一定的数据处理分析，从而研究不同条件下的宏观不稳定性频率。常用的数据处理软件为Matlab，常用的数据处理方法有常用的频谱分析方法有傅里叶变换法、Lomb周期图法、小波分析法、正交分解法等。近年来，随着计算机技术的发展，为了弥补实验中不同测量方法之间存在着较大分歧的局限性，国内外许多学者开始采用计算机流体力学（CFD）对宏观不稳定现象进行研究。CFD是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。19164 日本学者Winardi和Nagase[2]在研究海军桨搅拌器中的不稳定现象时首先明确提出宏观不稳定现象，随后各国学者进行了该方面的大量研究。Kresta和Wood[3]研究了轴向叶轮泵搅拌设备，指出宏观不稳定现象是双循环流动形式的结果，并指出宏观不稳定性的频率(fMI)与叶轮转速之间存在着一定的关系。Chappl和Kresta[4]的研究则发现水槽的几何形状也会影响宏观不稳定性。Bakker和van den Akker[5]运用计算流体动力学（CFD）对宏观不稳定性进行研究，表明宏观不稳定现象是包括水槽中流体大规模不稳定性在内的两种截然相反的涡流运动之间的相互作用的结果。金哲山、李志鹏等人[6]采用研究宏观不稳定现象时测量搅拌桨扭矩的方法，并联合采用功率谱密度和小波分析法分析桨叶扭矩信号。他们的实验既验证了通过测量桨叶扭矩研究搅拌槽内宏观不稳定现象的有效性，又也证实了小波分析与Welch平均法组合在频谱分析方面的可靠性。Hasal[7]等人在使用45°斜直叶桨在搅拌槽中（C=0.35T）进行试验，他们采用了LDV技术，对不同测量点下不同雷诺数的宏观不稳定性进行测量。随后使用正交分解（POD）法分析竖直方向与水平方向的点汇叉。实验结果表明，在叶轮的射流区，测量点的宏观不稳定现象较不明显,而在叶轮下方中心以及接近槽壁区的测量点，宏观不稳定现象较为明显。Roussinova[8-10]等人也使用了LDV测量技术研究宏观不稳定现象。他们在直径分别为1.22m和0.24m装有优尔直叶涡轮桨（D/T=0.5）的搅拌槽中研究宏观不稳定现象。结果表明，宏观不稳定现象主频率与转速的比值（即无因次频率）为0.186。他们还对槽径1.22m，使用A310桨的搅拌槽进行研究，发现不稳定频率作用周期是叶轮转动频率的几百倍。Galletti等人[11]研究了不同雷诺数、桨叶直径、流体介质及叶轮安装高度对宏观不稳定现象的影响。发现不稳定性无因次频率在低雷诺数下时是其在高雷诺数下时的七倍。搅拌槽内的液体在高雷诺数区流体流动时，会出现一个在轴附近缓慢移动并且持续数秒的大漩涡。然而，在低雷诺数区时，轴附近会出现两个相对快速的漩涡。此外，他们还使用水和不同浓度的蔗糖溶液作为搅拌介质，结果发现不稳定性频率并未改变。同时他们对不同叶轮安装高度进行测量时发现叶轮安装高度在高低雷诺区均对不稳定频率影响较小。樊建华等人[12-14]采用数字粒子图像测速仪测量了桨叶直径与搅拌槽直径比值约为0.5的涡轮桨搅拌槽内的流场，他们通过实验发现了随时间的随机脉动非常剧烈的测量值。实验采用多采样点平均的法以便准确获取时均速度场，进而发现了采样点数为1024时可以较好的消除脉动对测量结果的影响。樊建华等人还使用了DPIV方法进行实验，他们选取的采样周期为0.68s,样本数为1024个，采用窗函数法和分段平滑法进行频谱分析发现当桨叶转速为30r/min时搅拌槽内存在明显的宏观不稳定现象。该现象的周期较长，分别是桨叶扫过周期的110倍。Montes[15]等人进行实验时采用采样时间为25min、采样频率采用330Hz，对实验所得样本数据进行快速傅里叶变换分析与小波分析发现，湍流强度随着转速增大而增强，宏观不稳定频率有增大的趋势。 (责任编辑：qin) |