基于CFD的三体船流场数值模拟可靠性研究

在Realizable k-ε湍流模式下对某高速三体船模型的黏性流场进行CFD数值模拟.不同航速下阻力的计算结果与试验数据最大误差为15.05%.分析得到三体船模型在不同航速下的自由面波形,显示出主侧体之间强烈的兴波干扰.最后计算不同航速下三体船模型的压力分布,较为理想地模拟出由于球鼻艏存在而导致的高压区,以及侧体内外两侧由于自由面高度不同而引起的压力分布的不同.结果表明:CFD数值模拟三体船黏性流场具备一定的可靠性.     

竖式移动床颗粒流动的研究

竖式移动床内通常进行着伴随传热传质的化学反应,研究床层内颗粒流动对强化床层气固热交换和化学反应具有重要的意义.以球团竖炉为背景,采用实验与模拟相结合,研究床层内颗粒流动基本规律.动力学模型和黏性流模型是计算床层颗粒流动的主要模型,且黏性流模型更适用于竖炉;结合模拟与实验结果,确定了动力模型中的待定系数为0.02 m,黏性流模型中的黏性系数为0.15 Pa.s;采用黏性流模型模拟得到,球团在竖炉内流动比较均匀,接近于"活塞流";焙烧带的倾斜壁面倾角对炉内球团顺行起很大作用.     

CuO/Al2O3作为载氧剂的流化床化学链燃烧数值模拟

以欧拉-欧拉双流体模型和气固非均相化学反应动力学为基础,嵌入了气固化学反应速率方程和反应内热源项的UDF(自定义函数)程序,对化学链燃烧燃料反应器——鼓泡流化床内气固两相流动及化学反应过程进行了数值模拟,并分析了甲烷进气速度对床内气固两相流动、传热及化学反应速率的影响.结果表明:随着甲烷进气速度增加,床内气固混合更加剧烈,气泡的产生、碰撞和破碎使得气固分布不均,流化质量下降,导致反应器内化学反应速率以及温度分布不均,床内局部存在的高温区域将使颗粒温度过高而烧结,降低了甲烷燃烧效率.     

干银鱼贮藏过程中色泽变化动力学研究

在4种不同温度(0℃、10℃、20℃、30℃)下贮藏干银鱼,利用色差计测定了干银鱼的色泽明度值,并分析了色泽变化的动力学模型.研究发现:随着时间的延长,干银鱼明度值逐渐下降,而且温度越高,下降越快;温度在10℃以内,明度值随时间变化缓慢,温度越低变化越缓慢,温度高于20℃时,明度变化较快;干银鱼色泽明度值随时间的变化适合一级化学反应动力学模型,速率常数采用阿伦尼乌斯方程,其化学反应活化能为55.654 kJ/mol.     

高温化学非平衡效应对高超声速飞行器气动力/热影响的数值研究进展

本文主要针对高温化学非平衡效应对高超声速飞行器气动力热影响的数值研究进行了综述.首先分析了高温化学非平衡流动数值模拟中的物理化学模型影响,发现组分扩散系数模型会对完全催化壁条件下的气动热结果产生影响;不同化学动力学模型对于激波/激波干扰等复杂流动区域预测的热流峰值差距甚至高达20%以上.壁面催化效应对气动热影响显著,有限催化模型目前仍在发展当中,其中运用气固表面有限速率化学反应动力学方法得到催化反应速率的模型更具发展潜力.材料烧蚀会在边界层内引入质量引射效应,同时热解气体还会与边界层中的高温空气组分发生复杂化学反应,总体上会显著降低气动热.高温化学非平衡效应对飞行器表面压强的影响主要存在两种机制:一种是激波后比热比变小会引起波后压强增大;另一种是脱体激波角变小进而减小波后压强,对航天飞机、返回舱等典型外形的升/阻力影响相对较小,而对力矩影响较大.最后,高温化学非平衡效应对高超声速湍流边界层的脉动特性产生影响,同时使壁面摩阻增加而热流降低,但并未改变湍流边界层的速度、密度、温度和组分浓度的标度律.     

复杂结构井变质量管流与地层渗流耦合模型

基于井筒液体流动与管路液体流动的流动相似性,并综合考虑了不同完井方式下地层渗流、水平段变质量管流、弯曲段和垂直段多相管流之间的耦合作用,采用整体压力系统分析方法建立了不同完井方式(裸眼完井及射孔完井)复杂结构井地层渗流与变质量管流耦合模型.该模型可求解多分支井在考虑各分支间在主井眼井底相互干扰的情况下的协调产量与协调流压以及各分支在协调点的产量贡献和各分支水平段沿程压力分布及产量分布.此外,还模拟分析了射孔完井方式下三分支水平井自喷采油时的整体压力系统.结果表明,该模型对于多分支水平井不同完井方式下协调产量及协调压力的求解具有一定的指导意义.     

混流式水轮机部分负荷下的叶片动载荷模拟

通过求解三维不稳定Reynolds平均Navier-Stokes方程,并采用RNGk-ε模型实现方程的封闭,对3个不同转轮在部分负荷下进行了包括导叶、转轮、尾水管在内的三维不稳定流动计算。结果表明:由于水轮机转轮的旋转,在部分负荷工况下,由尾水管内涡带引起的转轮内的压力脉动主要频率fr是转频fn与涡带压力脉动频率fd之差;同时转轮内压力脉动还有导叶通过频率和转频及其倍频等成分;在66%左右开度下叶片上压力脉动幅值一般大于80%左右开度下的值;在同一工况下,叶片背面的压力脉动幅值一般大于叶片正面的值。     

二维火箭发动机燃烧室化学反应粘性流场的数值模拟

用时间相关法的显式格式 ,结合两方程的k -ε湍流模型求解氢氧发动机燃烧室中的粘性化学反应流场 ,化学反应采用 9种组分、5个主要反应的有限速率的化学反应模型 ,得到了流动参数与组分的质量分数在燃烧室中的分布情况。其结果同理论分析的结果相一致 ,从而验证了用数值模拟方法取代部分实际试验的可行性及可信性     

吹气搅拌熔池内轴对称循环流速度场的计算——Ⅱ.数学模型及其应用

本文利用描述喷吹钢包内流动现象的全浮力模型及其提供的边界条件,建立轴对称循环流场的数学模型。利用以速度和压力为主要因变量的微分方程组和Κ-ε双方程湍流模型来描述流体流动,用SIMPLER法数值求解。将所得结果与相同喷吹条件下的激光测速仪测量值对比,两者吻合较好。由数学模型预示的混匀时间与全浮力模型公式计算值和示踪剂实测值相近。     

数值模拟入射斜激波／平板湍流边界层干扰流动

应用GAO-YONG可压缩湍流模型数值计算了入射斜激波／平板湍流边界层相互干扰现象。计算程序中的对流项、扩散项分别采用AUSM格式和中心差分格式离散,并用多步Runge-Kutta显式时间推进法求解空间离散后的控制方程。计算中包含了无分离流动、初始分离流动以及较大分离流动等多个情况,比较了平板壁面压力、法向平均速度剖面、壁面摩阻系数Cf以及壁面斯坦顿数St等的计算结果与实验值。结果发现：GAO-YONG可压缩湍流模型能够很好地预测入射斜激波／平板湍流边界层相互干扰下的无分离以及小分离流动,对高马赫数下的大分离流动也能得到较合理的结果,但再附点之后的壁面摩阻系数以及斯坦顿数的计算值不够理想。     

化学反应对高超声速稀薄流气动热影响研究

建立了基于非结构网格的高超声速稀薄流DSMC计算方法。发展了5组分有限速率化学反应模型、反应发生状态判定方法与求解技术,发展了DSMC热流密度高效求解方法。以高超声速圆柱外形为研究对象,针对不同飞行高度下2组分混合气体模型(不含化学反应)和5组分混合气体模型(含化学反应)的流动开展了数值模拟,给出了两种流态下的绕流流场以及热流密度分布,比较并分析了化学反应效应对流场特性,尤其是对热流密度的影响。     

不同入射激波条件下激波与湍流边界层干扰的实验研究

本文在Ma=3.4超声速低噪声风洞中开展了不同入射激波条件下激波与来流壁面湍流边界层干扰的相关实验研究,得到了不同入射激波条件下的精细流场结构、壁面压力、壁面温度分布以及他们之间的相互关系.利用基于纳米示踪的平面激光散射技术(NPLS)在单位雷诺数6.30×10~6m~(-1)条件下获得了激波与湍流边界层干扰典型流场精细的瞬态流动结构图像,并对瞬态流动图像进行统计分析,得到的诱导激波振荡位置满足正态分布.同时利用大气数据系统得到了不同入射激波条件下干扰区的壁面压力分布,以及不同入射激波强度下分离区流动结构与壁面压力变化的关系.利用温敏漆(TSP)技术,得到不同入射激波条件下干扰区模型壁面温度分布,分析了激波与湍流边界层干扰过程中出现G?rtler涡引起的条带结构与入射激波强度的关系.     

基于绝对反应速率理论的PMMA/MMA溶液的黏度

基于Eyring的绝对反应速率理论研究了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/甲基丙烯酸甲酯(MMA)溶液在不同温度、不同浓度下的黏度,讨论了聚合物溶液黏性流动活化能与溶液中聚合物质量分数以及聚合物分子量的关系。最后通过拟合得出聚合物溶液的黏度与温度,溶液的浓度以及聚合物分子量的关联式。通过此模型计算出的黏度数值与文献值吻合良好。     

高超声速流动上仰异常现象关键因素数值研究

高温真实气体效应所引起气体比热比γ的降低被认为是导致航天飞机"上仰异常"的主要原因.为详细研究此问题,本文数值求解了Euler方程,化学反应源项采用有限速率模型,考虑了5个组分、17个基元反应.研究结果表明采用低比热比气体CF4作为实验气体会导致膨胀区的压力分布与真实气体效应的影响规律不一致,并不能反映出"上仰异常"现象的本质.在高温真实气体效应的影响下,化学反应所带来的影响大于振动激发的影响,对于y方向半模压力积分Cay来说是3.8倍,而对于半模力矩积分系数Cam来说是1.7倍.对比分析表明,热化学反应导致的比热比分布不均衡是导致"上仰异常"现象出现的根本原因.     

强自然对流流体的有限元解法：用于化学气相相淀积反应器

以冷壁化学气相淀积（ＣＶＤ）反应器中淀积ＴｉＮ涂层为对象，对立了适用于强自然对流流体的ＣＶＤ反应器模型。模型中包括流动、传热、传质和化学反应，计入了温度对物性参数的影响。通过编制求解该复杂模型的有限元程度，计算反应器中流型、温度及浓度的分布。定量计算了ＴｉＮ的淀积速率，计算值与实验值基本一致。该模型与程序不仅适用于本文所描述的淀积ＴｉＮ系统，也可以成为各种外延反应器和金属有机化学气相淀积反应器中计     

黏性耗散对幂律流体在多孔介质内对流换热的影响

基于Darcy-Brinkman-Forchheimer流动模型,比较了幂律型非牛顿流体在饱和多孔介质通道内充分发展的强迫对流换热过程中不同黏性耗散的影响,推导出量纲一的轴向流速分布、量纲一的温度分布,及对流换热特征参数的计算表达式,并在恒热流边界条件下,利用经典四阶Runge-Kutta法对不同情形下的黏性耗散效应进行了数值求解.模拟结果表明:对流换热特性与速度分布密切相关,不同的黏性耗散Darcy项、Al-Hadhrami项和Forchheimer项对流动换热特性有重要的影响,且布林克曼数Br、达西数Da、综合惯性参数F和幂律指数n等参数对流动换热特性也有着较大影响.     

液气射流泵内部流场的数值计算

通过闪频仪观测,泵内部流动可分为分层流、液滴流和泡状流.为了简化模拟和计算,将计算区域分为部分喉管和扩散管两块.对液气射流泵喉管内部射流流动,建立抛物型流动方程组,采用控制容积法将方程组离散,并用TDMA法求解;对扩散管内部泡状流,采用双流体模型建立液气两相流方程组,混合有限分析法离散,压力耦合半隐式方法(SIMPLE)求解.数值模拟获得液气射流泵内部流速分布.计算预测的射流碎裂位置与试验观测结果一致;壁面压力分布计算值与试验值吻合较好,趋势相近.计算结果能够较好地反映液气射流泵外部水力性能,为液气射流泵的优化设计与运行提供参考.     

页岩储层两相流体润湿滞后对流动阻力的影响

通过揭示两相流体润湿滞后对启动压力和流动阻力的影响机理,基于静态润湿滞后方程及动态接触角方程,分别建立了两相流动中气泡/液滴欲移动时的启动压力模型和运动后的流动阻力模型。基于前人实验数据,应用建立的模型,分别计算得到由润湿滞后引起的不同温度和压力下的启动压力,以及不同孔隙尺度、黏度和表面张力下的流动阻力。结果表明,在页岩纳米级孔隙中,由于孔喉细小,静态润湿滞后和动态润湿滞后引起的启动压力和流动阻力较大,均不可忽略;动态润湿滞后引起的流动阻力大于静态润湿滞后引起的启动压力,且随着流速增大,这种流动阻力也持续增大,但增速幅度逐渐降低。该研究为页岩储层两相流体启动压力和流动阻力的精确表征提供了数学模型,将为页岩气开发及页岩储层中CO₂地质埋存的准确数值模拟提供部分理论基础。     

缝网页岩储层非线性耦合渗流模型研究

页岩气藏裂缝发育,流体渗流机理复杂,认识流体在缝网页岩储层中的流动规律是准确评价气藏产能的关键科学问题.本文建立多重连续/离散裂缝模型描述水力压裂后的页岩储渗空间,建立了综合考虑吸附气非线性非平衡解吸附、表面扩散,自由气黏性流和Knudsen扩散机理的非线性耦合渗流数学模型.模型认为吸附气在有机质表面发生表面扩散,并与无机质基质孔之间发生非平衡解吸附,无机质基质孔内存在黏性流和努森扩散,而天然裂缝和压裂形成的水力裂缝内只有黏性流.通过压裂水平井的数值模拟结果,揭示了缝网页岩储层中吸附气净解吸附速率的时空演变规律,发现了最大净解吸附速率由缝网逐渐向基质扩散的现象.通过多重压力系统分析,发现了裂缝中自由气、基质无机质孔隙中自由气、有机质中吸附气依次滞后的浓度扩散现象;通过对天然裂缝渗流场的分析,发现离散缝网区域包络线外的流动形式随时间依次出现:椭圆径向流、线性流和缝间干扰产生的非线性流.本文研究揭示了缝网页岩储层的渗流机理,为页岩气藏的开发提供了科学基础.     

强自然对流流体的有限元解法──用于化学气相淀积反应器

以冷壁化学气相淀积（ＣＶＤ）反应器中淀积ＴｉＮ涂层为对象，建立了适用于强自然对流流体的ＣＶＤ反应器模型。模型中包括流动、传热、传质和化学反应，计入了温度对物性参数的影响。通过编制求解该复杂模型的有限元程序，计算反应器中流型、温度及浓度的分布。定量计算了ＴｉＮ的淀积速率，计算值与实验值基本一致。该模型与程序不仅适用于本文所描述的淀积ＴｉＮ系统，也可以成为各种外延反应器和金属有机化学气相淀积反应器中计算传递过程的重要工具。