2021年, 第49卷, 第11期　
刊出日期：2021-11-30

  

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试验研究
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  油泥砂强旋流湍动脱附机理及室内可行性试验

  王振波, 朱卫权, 叶洋, 尹虽子, 石勇, 霍建伟, 都帅, 武金辉, 孙治谦

  流体机械. 2021, 49(11): 1-5,11. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.11.001

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  针对目前含油泥砂无害处理工艺流程繁琐、成本高昂的现状，基于旋流器内旋流场强湍动特性，将其应用于含油泥砂除油领域并展开室内可行性试验研究。通过微观分析得到油相在油泥砂中的4种存在状态：油泥中游离态油、颗粒间桥接油（絮团表面包覆油）、颗粒表面吸附油以及颗粒孔隙内微细油滴，并分别阐述了对应分离形式。采用轴流式DN50型旋流器开展室内可行性试验，结果表明：使用单级旋流器，在处理量4 m³/h、溢流比12%、破乳剂浓度100 mg/L条件下，处理后油泥砂含油率可达0.5%；使用两级串联旋流器，在处理量4 m³/h、一级溢流比12%、二级溢流比6%、破乳剂浓度100 mg/L条件下，原油回收率可达91.29%，处理后油泥砂含油率可达0.1%，低于直接排放标准值，表明旋流工艺能够实现油泥砂的高效分离、原油的高效回收和油泥砂的达标处置。
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  金属平面密封的密封特性研究

  冯春宇, 徐国钊, 徐明军, 安毅洪, 李正涛, 齐军, 刘汉广

  流体机械. 2021, 49(11): 6-11. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.11.002

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  针对影响金属平面气密封性能的因素进行探究，设计了金属平面气密封性能试验装置，探究了表面粗糙度和密封脂黏度对金属平面气密封性能的影响规律。结果表明，随着金属粗糙度降低，金属平面气密封能力逐渐增强，且金属粗糙度越低，降低同样的粗糙度金属密封效果提升的越少。涂抹密封脂对金属平面气密封性能提升显著，相似黏度为872 Pa·s的润滑脂密封效果略优于相似黏度为235 Pa·s黄油的密封效果。研究结果对于金属平面气密封金属粗糙度的选择和密封脂的选取具有一定的参考价值。
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  旋转磨料射流破碎碳酸盐岩成孔特性研究

  马国锐, 李敬彬, 李欢, 张杰, 常文天

  流体机械. 2021, 49(11): 12-17,53. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.11.003

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  采用流场可视化和地面大型物模试验研究方法，研究了旋转磨料射流流场和碳酸盐岩破碎特性。结果表明：旋转射流扩散性随着叶片扭转角度增大而增大；旋转磨料射流可有效破碎硬质碳酸盐岩，其成孔直径大且规则，壁面光滑，中心存在凸起；喷距为50 mm时，破岩直径达70 mm；在一定范围内，破岩直径随喷距、砂比的增加而增大，随喷嘴加旋截面积的减小而增大；连续送进条件下，旋转磨料射流可有效破碎锥形凸起，可连续破岩成孔，充分证明旋转磨料射流可高效破碎硬质灰岩。研究结果可望为径向水平井技术经济高效开发西部缝洞型碳酸盐岩油藏奠定基础。
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  电动汽车热泵两对腔涡旋压缩机补气特性研究

  曹健, 苏林, 张辛辛, 孙寒晴, 李康, 方奕栋

  流体机械. 2021, 49(11): 18-24. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.11.004

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  为了研究小压比、短型线的两对腔（N=2）涡旋压缩机的补气性能，采用第二制冷剂量热器法搭建了测量补气式涡旋压缩机的性能试验台，在不同热泵工况及补气压力下进行了试验研究与分析。结果显示：基于试验工况，有补气相对于无补气均可使涡旋压缩机的排气温度降低；压缩机制热量随补气压力的升高而增加，而制热COP（能效比）则随补气压力的增大先上升后下降，4个工况下峰值处的COP较无补气时分别增大了11.45%，7.28%，2.09%，3.56%；低温热泵名义制热工况下涡旋压缩机的容积效率随着补气压力的提高而逐渐增大，热泵名义制热工况下（工况3、工况4）补气压力对容积效率影响甚微，分别维持在0.55及0.50附近；所测工况下的压缩机效率随补气压力的增加先增大后减小。
设计计算
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  离心萃取器混合区内三相流的CFD-PBM模拟

  段五华, 王澄谦, 郑强

  流体机械. 2021, 49(11): 25-32. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.11.005

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  为获得环隙式离心萃取器运行时混合区内真实气-液-液三相流流动特性，采用欧拉-欧拉多相流模型和群体平衡模型（PBM），并分别采用模拟软件ANSYS自带的MUSIG和直接正交矩量法（DQMOM）求解群体平衡模型，对∅70 mm环隙式离心萃取器混合区内气-液-液三相流进行了CFD-PBM模拟研究，以获得气-液-液三相流的相分布和液滴平均直径（d₃₂）分布。结果表明，混合区内有机相在两相混合液中分布比较均匀，但在局部地区形成了富有机相区和富水相区；流体的湍流动能和湍动耗散率在自由液面处和转筒外壁处较大，而在混合区旋涡中心处则较小；当两进口水相平均流速均为0.02 m/s，进口有机相体积分数为0.01，转速为1 800~3 600 r/min时，通过MUSIG模拟获得的混合区中气-液-液三相流中有机相的d₃₂为110~150 μm，而通过DQMOM模拟获得的混合区中气-液-液三相流中有机相的d₃₂为50~130 μm，并与试验测得的结果基本一致，且d₃₂随着转速的增大和进口有机相体积分数的减小而减小。
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  带回热器CO₂跨临界热泵系统的性能分析

  杨俊兰, 李金芮, 白杨, 姬旭

  流体机械. 2021, 49(11): 33-40. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.11.006

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  为了比较回热器对不同型式CO₂热泵系统性能的影响，建立了5种带回热器CO₂跨临界循环的热力学模型，分析了吸气过热度、蒸发温度、高压压力和气体冷却器出口温度对制冷、制热系数的影响，以及蒸发温度、气体冷却器出口温度对最优高压压力的影响，给出了不同循环的适用条件。结果表明：带膨胀机单级、双级压缩系统综合性能较好，制冷COP可分别达到2.83和3.2，制热COP可分别达到3.82和3.6，但都不适合加回热器；回热器对CO₂跨临界双级带节流阀回热器循环（TSCV+IHE）性能提高最大，过热度平均每提升5℃，COP提升约0.1；CO₂跨临界单级带喷射器回热器循环（SCEJ+IHE）适用于蒸发温度、气体冷却器出口温度均较低的情况；单级压缩比双级压缩的最优高压压力低0.5~1 MPa；提高蒸发温度和减小气体冷却器出口温度都有利于降低最优高压压力。研究成果可为CO₂跨临界循环的性能提高和优化提供参考。
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  立式蜗壳泵轴承-转子系统瞬态动力学响应研究

  刘栋, 刘子凌, 张亚玲, 王颖泽

  流体机械. 2021, 49(11): 41-47,97. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.11.007

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  为提高立式蜗壳泵的运行稳定性，数值模拟了泵内部流场，获得了不同工况下的径向力分布规律。利用“COMSOL”软件计算了“湿态”下泵轴承-转子系统瞬态响应，对比了单、双蜗壳模型泵转子的振动特性，计算了双蜗壳模型泵转子的振动位移、轴心轨迹，分析了小流量工况下导轴承油膜压力和厚度分布规律。结果表明：2种蜗壳型式下，叶轮承受的径向力均具有周期性，且随着偏离设计工况点，叶轮径向力逐渐增加；与单蜗壳模型泵相比，双蜗壳模型泵的径向力显著减小，转子振动减弱，在小流量工况下，转子在轴承处的振动峰对峰值降低了39.56%，叶轮振动总位移降低了15.17%，各个工况下，转子在导轴承处的振动峰对峰值均满足API标准的要求；“湿态”下转子系统的振动呈现周期性变化规律，转子在导轴承处的振动以半频为主，叶轮的振动以叶频为主；小流量工况下，导轴承内部油膜分布发生变化，油膜的四油楔分布导致了转子运行不稳定。
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  双温蒸发压缩/引射CO₂热泵系统的热力学分析

  张振迎, 杨建军, 郝佳伟, 高尚萱

  流体机械. 2021, 49(11): 48-53. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.11.008

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  对双温蒸发压缩/引射CO₂热泵系统进行了热力学分析，分析了气体冷却器出口温度、高低温蒸发器温度对引射系数、压力提升比、系统COP的影响和相对传统双温蒸发系统的COP提升情况。结果表明，随着气体冷却器出口温度升高，引射系数增加，压力提升比不变，COP逐渐下降；随着低温蒸发器蒸发温度升高，引射系数增加，压力提升比下降，COP几乎不变；随着高温蒸发器蒸发温度升高，引射系数下降，压力提升比上升，COP增加；在相同的工况下，压缩/引射系统的COP相对于传统双温蒸发系统的COP提升率范围为3.7%~18.8%。气体冷却器出口温度越高，低温蒸发器蒸发温度越低，高温蒸发器蒸发温度越高，压缩/引射系统的COP相对于传统双温蒸发系统的COP提升效果越明显。
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  接触式机械密封孔隙率及密封间隙研究

  於秋萍, 孙见君, 马晨波

  流体机械. 2021, 49(11): 54-61. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.11.009

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  基于逾渗理论，求解了密封界面不同网格层数下的逾渗阈值；分析了两粗糙表面的接触状态；根据W-M函数及其变式，通过MATLAB软件模拟，获得了不同表面形貌下接触式机械密封界面的孔隙率和密封间隙高度比。研究结果表明，两表面的形貌参数相同或相近时，侧接触特征明显，两表面的形貌参数相差越大，越接近于粗糙面与平面的接触；基于密封界面侧接触的初始孔隙率数值表达式与MATLAB模拟结果一致，验证了侧接触的正确性。本文研究为揭示机械密封界面泄漏机理和完善接触力学分析提供了新思路。
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  超高温气体调节阀热流固耦合数值分析

  杜大喜, 胡庆斌, 王军

  流体机械. 2021, 49(11): 62-68. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.11.010

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  针对传统超高温气体调节阀可调比范围小，特别是在小开度情况下密封面磨损较为严重，无法满足长寿命生产需求的问题，设计了一种夹套式水冷结构凸轮挠曲调节阀。采用ANSYS对该阀门的流场、温度场及应力场进行了热流固耦合计算，给出了阀腔内高温空气速度/温度分布、阀体温度分布、阀体应力分布等计算结果，同时评估了高温空气介质温度突变对阀体的冷热冲击影响，以及冷却水量对阀体温度分布的影响。仿真结果表明流道内最高流速可达550 m/s以上，且最高温度和最大应力区域主要位于阀座处；阀门两端给定-25，0，25 kN时，流道内应力变化不超过1 MPa；而通入450~1 320 K高温空气时，局部区域最大应力达140~180 MPa。通过优化冷却结构和冷却水用量，阀座最高温度不超过800 K，阀体外壁温度不超过314K，基本满足设计需求。
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  带闪发器中间补气的R290热泵系统性能分析

  宁静红, 孙庆烨

  流体机械. 2021, 49(11): 69-75,911. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.11.011

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  对以R290为工质的闪发器中间补气的高温热泵系统进行性能分析，得出：随补气前压力比增大，R290闪发器高温热泵系统的平衡补气压力增大，相对补气量减小，压缩机总功耗减小，系统制热量减小，压缩机排气温度升高。系统存在最佳补气前压力比，使系统获得最优的性能系数。蒸发温度为30℃、冷凝温度为85℃时，补气前压力比为1.5时获得最大性能系数3.61。随蒸发温度增加，平衡补气压力增加，相对补气量减小，压缩机总功耗增加，制热量增加，系统性能系数减小。随冷凝温度升高，相应平衡补气压力升高，相对补气量增大，压缩机总功耗减小，制热量减小，系统性能系数增加。在最佳补气前压力比为1.5工况下，与常规高温热泵系统比较，性能系数提高18.57%，压缩机排气温度下降10.03℃。研究结果为进一步开发R290为工质的闪发器中间补气的高温热泵系统提供理论基础。
应用技术
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  低温工况空压机组换热器冰堵故障分析及预防措施

  刘志龙, 陈旭, 谢传东, 刘晓明, 曹斌

  流体机械. 2021, 49(11): 76-80. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.11.012

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  针对低温工况下某轨道交通空压机组用板翅式换热器发生冰堵故障问题，开展了空压机组高低温试验研究，获得了不同工况下压缩机组运行的温度参数，利用该温度参数计算了压缩气体流经各部件时的析水量并结合空压机组的工作特点，剖析了换热器冰堵产生的主要原因，提出了一种消除冰堵故障的解决方案并进行了试验验证。研究成果为空压机组在低温工况的安全可靠运行提供保障。
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  基于DPM模型V型球阀固液两相流冲蚀研究

  王佳琪, 何世权, 李力, 刘帅帅

  流体机械. 2021, 49(11): 81-85. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.11.013

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  针对V型球阀应用在流体介质中含有固体颗粒、纤维等工况场合问题，以DN50的V型球阀为研究对象，通过FLUENT软件对3种不同开度的V型球阀内固液两相流场进行分析，运用DPM离散相模型，液相视为连续介质，固相颗粒设置为离散介质，在拉格朗日坐标系下求解颗粒运动方程，采用迭代计算方法实现固液两相耦合。通过模拟得到V型球阀内液固两相流场特性，得到颗粒的运动轨迹图和冲蚀磨损分布规律。结果表明：在转动角度30°和50°时，阀内负压明显大于80°时，从-56.358 kPa降至-9.553 kPa；随着开度增大，阀内最高流速由55.959 m/s²降至4.865 m/s²，阀内流速逐渐局域平缓；冲蚀速率也随着开度增大而下降，从1.22×10^-3 kg/（m²·s）下降到3.02×10^-8 kg/（m²·s），这是因为开度增大，流速趋于平缓，减小了颗粒与壁面的碰撞，抑制了阀门的冲蚀破坏现象。
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  基于Archard理论的硬密封磨损寿命分析

  王祺武, 李志鹏, 李捷

  流体机械. 2021, 49(11): 86-91. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.11.014

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  针对硬密封阀门因密封面磨损而导致其密封失效的问题，采用Archard磨损模型，并借助ANSYS有限元软件模拟密封面的接触，以密封副初始挤压量为0.08 mm的硬密封为例，利用离散化的计算方法逐步对0.02，0.04，0.06 mm磨损深度下的密封面接触压力进行仿真求解，计算出不同磨损深度下密封面的正压力及穿透量并进行分析，推测其磨损趋势并得到密封面的磨损寿命，计算得到当密封失效时即密封副不再有挤压量时，阀门的使用寿命可达5 854次启闭，并发现硬密封的磨损可大致分为3个阶段进行。通过此类方法预测阀门使用寿命，可为硬密封阀门的结构设计及相关密封磨损的寿命研究提供一定的基础和参考。
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  高转速泵地震工况下转子动力学分析

  薛亚丽, 石红

  流体机械. 2021, 49(11): 92-97. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.11.015

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  以核电站用某型高转速辅助给水泵转子为研究对象，为验证地震工况下转子动力学是否满足设计要求，对转子进行数值模拟分析，主要包括转子的各阶临界转速及振型图；转子不平衡质量引起的受力载荷；地震工况下的叶轮运行位移量与激励频率关系曲线等。模拟计算结果表明，该高转速泵临界转速满足设计要求，以第一弯曲临界转速为例，第一阶弯曲临界转速（21 200 r/min）大于额定转速的1.25倍（10 000 r/min）；临界扭转频率（231 Hz）满足设计要求（大于1.1倍的激励频率（146.6 Hz））；在最恶劣的地震工况下转子的最大运行偏移量（0.021 3 mm）小于设计要求的转子系统最小配合间隙（0.31 mm），转子谐响应满足设计要求，即转子动力学满足设计要求。
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  转子式压缩机的可靠性建模与分配

  迟莹, 李红旗, 朱红伟

  流体机械. 2021, 49(11): 98-104. https://doi.org/10.3969/j.issn.1005-0329.2021.11.016

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  可靠性设计对于大规模生产的转子式压缩机尤为重要，而建模与可靠性分配是可靠性设计的基础，直接影响着设计结果。针对压缩机可靠性研究与设计相对薄弱的问题，运用可靠性理论，根据转子式压缩机的系统特点、结构和运行特性，将压缩机划分为七个子系统，在此基础上建立了压缩机及泵体系统的可靠性框图模型；基于所提出的当量运行时间的概念，分别采用重要度和复杂度分配法、评分分配法进行了转子式压缩机及泵体系统的可靠性指标分配。在18 000 h、可靠度0.99的情况下，泵体系统的可靠度为0.998 6；分析了泵体系统的5种分配方案下泵体系统和部件可靠度变化，确定了泵体系统最佳分配方案：理论上泵体系统评价总分最低为5时达到最优，为压缩机部件的可靠性设计奠定基础。