旋流器内空气柱形成及其影响因素的数值模拟

利用CFD方法,基于RSM雷诺应力模型和VOF多相流模型对旋流器内空气柱进行数值模拟,结果显示在t≈07s,空气柱基本成型,且最终结果与PIV测试结果一致.旋流器内空气柱的空气是从沉砂口吸入并从溢流口排出.在沉砂管上端,空气柱发生大幅度的径向偏摆;空气柱进入溢流管后,产生“喉结”状突起.空气柱确实消耗了一部分不必要的能量,但并不对流场造成明显的额外扰动.给矿速度的变化对空气柱的直径几乎没有影响,而旋流器结构参数的变化,如沉砂口直径、溢流口直径、锥角等,对空气柱直径影响较大.     

渐变截面型入料口夹角对旋流器流场及压降的影响

利用RSM雷诺应力模型和VOF多相流模型,通过数值试验方法考察了渐变截面型入料口夹角对Φ50 mm水力旋流器流场及压降的影响.结果表明,增大入料口夹角,切向速度增加,致使分离效率提高;与此同时,轴向速度和溢流管底端的最大径向速度也随之相应增加,导致沉砂分流比略有降低、短路流量增加,但对湍流结构影响不明显;空气柱直径同样随着夹角的增加而增大,从而有效分选空间减小.旋流器内部的压力损失主要包括主分离区域的损失和入料口区域的损失;增大入料口夹角,总压降增加,导流能力增强,当夹角为20°时,导流性能最优,但能量利用率降低.     

溢流口结构对水力旋流器性能影响的模拟分析

以工业用428 mm水力旋流器为研究对象,采用计算流体力学(CFD)技术对旋流器内流场和颗粒分级效率进行了数值模拟研究,对所建立的模型进行了验证,并在数值模拟的结果上分析了溢流口结构,包括溢流口直径、插入深度和溢流口的壁厚对水力旋流器性能的影响。重点考察了溢流口结构变化对旋流器内空气柱、压力降、分流比和分级效率的影响。模拟结果表明,溢流口结构变化对水力旋流器的性能会产生重大影响,计算所得最佳溢流口尺寸为:直径180 mm,插入深度168 mm,壁厚2 mm。     

三锥角水介旋流器结构参数对分选效果的影响

为了确定三锥角水介旋流器结构参数对分选效果的影响,采用Design-Expert 8.06软件对三锥角水介旋流器粗煤泥分选进行实验方案设计和优化。给出了精煤灰分及产率与实验影响因素之间的定量关系模型以及等高线图和三维关系图。结果表明:精煤灰分与产率随结构参数变化的规律一致,精煤灰分和产率随锥体角度及溢流管直径的增加呈上升趋势,随着筒体高度的增大呈先减小后增加的趋势。单因素结构参数对精煤灰分和产率影响的强弱顺序为:锥体角度溢流管直径筒体高度;各参数交互作用对精煤灰分影响的强弱顺序为筒体高度与溢流管直径锥体角度与溢流管直径锥体角度与筒体高度;对精煤产率影响的强弱顺序为溢流管直径与筒体高度锥体角度与溢流管直径锥体角度与筒体高度。Design-Expert 8.06软件预测的最佳参数组合对应的预测值与验证实验结果非常接近,证明了该软件的可靠性。     

锥角的搭配对加冲洗水圆柱型旋流器分级行为的影响

研制了一种新型的具有双层锥底的加冲洗水圆柱型旋流器；对锥角的搭配与分级行为的影响作了探讨。在对４种锥角搭配分别进行溢流管直径、沉砂口直径、给矿压力和冲洗水量对分级效率影响的试验后表明，当２个锥角均为９０°时，效果最好。在此条件下，其分级效率比普通圆柱型旋流器提高了１０．０７％。     

底流口直径和锥角对旋流器流场的影响

利用计算流体力学的原理与方法,在底流口直径和锥角的多个水平下对旋流器内部流场进行了数值模拟,以揭示两因素对旋流器流场的影响.结果表明:增大底流口直径,流场内的流速降低,轴向零速包络面向上收缩;增大锥角后,轴向零速包络面的大小相应改变;锥角越小,底流口直径对轴向零速包络面内速度场的影响越小,故对改善分选效果的作用也越不明显;增大底流口直径,旋流器内流场的压强降低,但底流口区域内的压强梯度增大,而锥角不同,其变化程度有所不同,这从某些程度上体现了两因素对旋流器流场的交互影响.     

轴入导锥式旋流器内油滴聚并破碎特性

轴向进液水力旋流器因内部设有增压流道,可在低压入口条件下实现油水高效分离。采用CFD-PBM耦合方法对轴入导锥式旋流器内油滴聚并破碎行为及分离特性进行数值模拟分析,得出操作参数对油滴聚并破碎的影响规律,同时进行室内实验,对模拟结果的准确性进行验证。结果表明:研究范围内湍动能越大位置的油滴粒径越小,随着入口进液量增大,旋流器溢流及底流出口区域的湍动能增强,油滴粒径逐渐减小;对于该结构旋流器而言,一定范围内持续增加入口进液量,可提高旋流器内的切向速度进而提升分离性能,但同时也增大了油滴破碎机率,致使分离效率降低;研究范围内,进液量为3.62 m~3/h时分离效率达到最大值;增大溢流分流比,虽然可以降低底流含油体积分数,但同时也增大了溢流区域油滴间的破碎,致使分离效率降低,分流比为20%时分离效率达到最大值。     

缠绕管式换热器结构参数多目标优化数值模拟研究

为分析缠绕管式换热器关键几何结构对其流动和传热性能的影响,采用多目标遗传优化算法对壳侧的流动和传热特性进行了数值模拟研究,并对通过中心复合设计得出的实验点进行了计算。研究结果表明:缠绕管式换热器的壳侧压降随着层间距、缠绕角、同层管间距的增大而减小;壳侧换热系数随着层间距的增大而减小,随着管外径的增大而增大,随着螺旋角的增大先增大后减小。通过敏感度分析可知:螺旋角和层间距对缠绕管式换热器的流动和传热性能影响最大,在计算工况下,层间距对压降和换热系数都呈负相关;螺旋角与压降呈负相关,与换热系数呈正相关。同时,应用多目标遗传算法在连续响应面的基础上对原结构进行优化,得到3组优化结果,换热系数平均增加了2.93%,压降平均降低了40.27%,综合传热性能均好于原结构。该研究成果可为缠绕管式换热器的优化设计提供理论基础。     

高压压裂泵配流阀流场特性分析及结构参数优化

针对高压压裂泵配流效率低、配流阀工作寿命短的问题,通过流场特性仿真对配流阀的结构参数进行优化。分析阀盘升程及锥角对阀内压力、阀口流速及流量系数的影响,得出合适的阀盘升程及锥角参数。结果表明:阀盘底部所受压力最大,阀口流道中靠近阀盘底角处流体速度最大,由于流体速度方向的变化,在靠近阀座处出现固体颗粒堆积;阀盘锥角一定时,阀口流体流速及流量系数随阀盘升程增大而减小;阀盘升程一定时,阀口流体流速随阀盘锥角增大而减小,流量系数则随阀盘锥角的增大先升后降,锥角为60°时流量系数最大;阀盘锥角和升程的优化值分别为60°和15 mm,这有利于降低阀口流速,减弱高速流体对阀盘密封面的冲蚀作用,提高配流效率并延长配流阀的使用寿命。     

水箱拉丝机拉丝过程的有限元模拟仿真分析

以初始钢丝生产线为研究对象,利用ANSYS有限元分析软件对水箱拉丝机第一道次拉拔过程进行模拟仿真,研究在拉拔过程中拉拔模锥角、摩擦系数和压下量对拉拔力的影响,并对其轴向应力和径向位移分布特点进行分析。结果表明,随着模锥角的增大,拉拔力呈先减小后增大的趋势,当模锥角为8°时,拉拔力最小;随着摩擦系数、压下量的增大,拉拔力随之增大;在出口处钢丝的外层轴向应力达到最大,由外层向内层轴向应力逐渐减小,钢丝前端应力达到均匀,且钢丝的模拟径向直径小于理论直径。     

水力旋流器内部流场的数值研究

在PIV实验验证的基础上,利用RSM雷诺应力模型和VOF两相流模型对50mm水力旋流器内部流场进行了系统的数值研究.结果表明:旋流器内静压从器壁至中心逐渐下降,静压为0处即为空气柱边界,空气柱内为负压,空气柱的存在增加了分级过程的能量消耗;旋流器内切向速度分布符合组合涡特征,内部为强制涡运动,外部为半自由涡运动;零速包络面是轴向速度方向发生改变的转折面,其上部为柱形,下部为锥形,柱形段直径约为溢流管的23倍;在外旋流区域径向速度方向从旋流器器壁指向中心,内旋流区域存在方向相反、位置相对的径向速度,空气柱内径向速度基本为0.     

旋流分离器内三维两相流场的实验研究

为了研究内置格栅旋流分离器的分离机理,采用粒子动态分析仪测定了旋流分离器内部的三维两相流场.实验表明,主体流动为三维螺旋的向下运动,中央存在一个和底流口贯通的螺旋形空气柱;固体颗粒浓度在格栅内壁附近出现的最大值在格栅内部,随着格栅半径的减小,固体颗粒的浓度减小,在靠近空气柱附近出现最小值;底流中固体颗粒的粒径明显大于进水和出水中固体颗粒粒径.     

轴流旋风分离器特性的数值模拟

为了研究轴流旋风分离器的性能,主要分析2.5~6m/s风速下叶片间距、旋转角度及排尘间隙对旋风分离器阻力和切向速度的影响.结果表明:旋风分离器的阻力随风速的增大而增大;叶片旋转角度对旋风阻力影响不大,但旋转角度的增加可增大最大切向速度;叶片间距变化对阻力和切向速度的影响很大,在6m/s风速下,叶片间距12mm较16mm时阻力增加31.1%,切向速度增大11%;排尘间隙变大可明显增大阻力,对切向速度影响较小.叶片间距为16mm,叶片旋转圆周角为90°,排尘间隙为7.15mm的旋风分离器对A4粗灰的分离效率可达85%以上.本研究结果为轴流旋风分离器几何参数设计提供了依据.     

弹簧喷嘴雾化性能试验研究

对弹簧喷嘴进行了雾化性能试验研究,结果表明,射流一开始呈连续的液膜,然后液膜破裂成液线及最终的液滴;随着负荷的增加,弹簧喷嘴雾化锥角逐渐增大;在额定负荷下,弹簧喷嘴的雾化对称性和雾化液滴粒径平均分布情况都较为良好;随着负荷的增加,弹簧喷嘴雾化液滴的索太尔直径、最小直径和最大直径都逐渐增大.     

二甲醚的油束模型和试验研究

根据二甲醚（DME）的喷雾试验，提出了针对二甲醚燃料的油束喷雾模型，并确定了喷雾油束模型常数，该模型可以计算出喷雾特性的主要参数，包括贯穿度、索特平均直径和喷雾锥角等。模型计算和试验研究表明：贯穿度随喷孔直径、背压和喷油初速的增大而增大；索特平均直径随喷孔直径和背压的增大、喷油初速的减小而增大，喷雾锥角公式考虑了燃料物性和液、气相互运动的作用，因而与实测结果符合较好，油束模型与试验结果基本吻合。     

LPG/柴油混合燃料喷雾特性的试验研究

采用高速摄影技术,对液化石油气(LPG)、柴油以及两种LPG／柴油混合燃料(LPG质量分数分别为30％及50％)的喷雾特性进行了对比实验研究,探讨了混合燃料成分、启喷压力、喷孔直径和喷射背压等参数对喷雾贯穿和喷雾形状的影响规律．研究结果表明,在相同的喷射条件下,纯LPG的喷雾贯穿距离最短,蒸发气化速度最快;四种燃料喷雾的贯穿距离均随背压的升高而减少,而其喷雾锥角则随背压的升高而增大;当背压大于LPG的临界压力时,两种混合燃料的喷雾贯穿距离和喷雾锥角均随喷射压力的上升、喷孔直径的增大而增大;背压对贯穿距离、喷雾锥角的影响均大于启喷压力．     

工艺参数对楔横轧42CrMo/Q235复合材料层合轴界面剪切强度的影响

对楔横轧42CrMo/Q235层合轴进行轧制实验和界面剪切强度试验,研究成形角α、展宽角β、断面收缩率Ψ、轧制温度T、基材直径d等工艺参数对界面剪切强度的影响规律.结果表明:对楔横轧层合轴界面剪切强度的影响主次为:断面收缩率Ψ、轧制温度T、基材直径d、展宽角β、成形角α.层合轴界面剪切强度随着断面收缩率Ψ、轧制温度T和基材直径d的增大而增大,但过高的轧制温度与过大的基材直径将减小界面剪切强度;随着展宽角β和成形角α的增大而减小.研究结果对楔横轧层合轴模具优化设计和增强界面结合性能提供了依据.