对流体机械内液滴与叶片的碰撞过程和冲击力的研究

The impact of drops on blades can be observed in almost all kinds of turbomachinery. On the one hand, such impact can be used to generate spray, cut down some equipment in process flows and wash ash or tar on the blade. On the other hand, it may result in pressure and efficiency drops of turbomachinery, or even lead to blade erosion. The proposed investigations are to be conducted focusing on the following three aspects. First, the temporal and spatial distributions of the secondary droplets of impact drops in the blade passages are to be recorded and quantitatively analyzed using a particle image velocimeter(PIV), a high-speed camera and a wireless telemetry system for rotary machine,to explore into the mechanisms for the deterioration of aerodynamic performance of turbomchinery. Second, the time evolution of the shock forces of the impact drop is to be measured, and its influence is to be analyzed on the characteristics and variation in temporal and spatial spectrums due to the changes in tangential and normal components of the drop impact velocity, by using a three-axis sensing head made of polyvinylidene difluoride (PVDF) piezoelectric film. The statistic features of the impact forces are also to be presented. Finally, the temporal and spatial distributions of the secondary droplets of the drop impacting on a rotating disk are to be measured. On the basis of statistics of the secondary droplet, a splashing model on drops impacting on blades is to be developed. The present proposal is to get insight into the two phase flow field with respect to the interference between airflow and drops. It will also prepare the ground for the computation and optimization of the air-liquid two-phase flow fields in turbomachinery.

几乎各类流体机械内都存在着液滴与叶片碰撞的现象。利用液滴与叶片的碰撞，可制造喷雾、减少工艺设备或冲洗叶片积灰结垢；但是，液滴与叶片的碰撞，也会造成流体机械的气动性能明显下降和恶化，还可能造成叶片磨损。本项目拟通过实验和数值模拟方法，着重进行三个方面工作：首先，通过采用PIV、高速摄影技术和转子遥测技术，实验观察和定量分析液滴与叶片碰撞后，二次液滴在叶片通道内的时空分布规律，探索液滴碰撞所导致流体机械气动性能下降的机理；其次，采用压电薄膜三维力传感器，测量液滴的切向和垂直碰撞速度分量的变化对液滴和叶片碰撞的三维冲击力的时频域特征的影响，以及该冲击过程的统计特征；最后，对液滴与旋转圆盘碰撞后的二次液滴的时空变化规律和特点进行实验测量，并通过数理统计归纳分析，建立液滴与叶片的碰撞飞溅模型。本项目可加深对流体机械内部气液两相流场相互作用机理的认识，为数值计算流体机械内的气液两相流场奠定基础。

液滴与叶片的碰撞现象广泛存在于各类流体机械内部。液滴与叶片的激烈碰撞可用于冲洗叶片表面积灰和结垢，同时也会造成叶片材料的磨损。碰撞过程中的沉积和飞溅特性也会造成流体机械气动性能的明显下降和恶化。本项目从基础研究方面对液滴与叶片碰撞过程的碰撞力和形态变化进行了实验和数值模拟研究；同时，从产品应用方面采用数值方法探究气液两相流动对流体机械气动性能的影响。. 首先，采用高精度压电力传感器探究不同因素对液滴与固体壁面碰撞力的影响。实验结果表明：系统振动对碰撞力信号的影响可以通过增大基座质量、减小碰撞盘的质量并结合低通滤波等手段予以消除；液滴直径增大时碰撞压强持续时间的增大是引起的侵蚀加重的主要原因，液滴速度增大时碰撞压强数值的增大是引起侵蚀加重的主要原因；无量纲分析表明当雷诺数小于200时需要考虑粘性对碰撞力的影响。数值模拟结果与实验结果吻合良好，可用于液滴与固体碰撞时碰撞力和形态的研究。其次，采用高速摄影技术探究液滴与旋转圆盘碰撞过程中的沉积和飞溅特性。实验结果表明：表面张力系数小的乙醇液滴在沉积过程中可获得更大的切向铺展系数，且更容易发生飞溅；提出了适用于水滴和乙醇液滴碰撞过程中判断沉积和飞溅界限的无量纲参数。再次，为了研究各类喷雾风机工质中水汽导致风机性能恶化的原因，使用商业软件ANSYS Fluent中的两相流计算模型对一台轴流式喷雾风机及一台离心式喷雾风机进行了计算，并将两相流的计算结果与风机单向计算的性能进行了对比分析。计算结果表明：若风机的工质中含有一定量的液相，将使得风机的气动性能有所降低，但降低的幅度相对较小，而实际运行的喷雾风机性能与设计性能差距较大。由于两相流计算模型只能模拟叶滴对于流场的影响，喷雾风机性能下降的主要原因是液滴撞击在叶片表面后被叶片径向甩出而增加了叶片的无用功。