应用BGK格式数值模拟微槽道中的气体流动

基于BGK-Boltzmann模型方程的气体运动论数值算法,对不同Knudsen数下、压力驱动的二维微槽道流动进行了数值模拟,目的在于将BGK格式拓展应用于对微流动(常密度、流动Kn较大)的数值计算。通过BGK数值模拟结果与N-S方程加滑移边界修正的解析解以及MonteCarlo直接数值模拟(DSMC)结果的对比,揭示了BGK方法具有模拟结果良好并且计算经济的特点;结合以前的工作,可初步认为BGK在解决Knudsen数相对较大(0.1相似文献   

用直接模拟Monte Carlo方法计算微通道的流动与换热

应用直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法模拟了平行板微通道中进口流速较低时的气体流动，应用质量守恒来处理进出口的压力边界,所模拟流动的Knudsen数的范围是0．05～1．00，涉及了滑移区、过渡区和自由区,计算了来流与平板等温以及平板时称加热两种工况，揭示了压缩性与稀薄性对所研究微平行板通道中流动与换热的影响．研究结果表明：①随着Knudsen数增大，沿程压力变化的非线性逐渐减弱，沿程速度变化与温度变化都趋于平缓，速度滑移量和温度跳跃量增大；②沿程温度变化在进出口处较为明显；③气体在微通道内的换热主要集中在进出口处，在通道中部换热很弱。     

微槽道内气体流动的数值模拟

基于微尺度流动的滑移模型,建立了二维微槽道内气体流动的计算方法,并开发了计算程序.对相关文献中微槽道内的气体流动进行了计算,得到了压力降和速度分布剖面图,计算结果与试验结果吻合较好.在此基础上,进一步研究了克努森数Kn、切向动量调节系数σv及雷诺数Re对速度分布的影响.当Kn>0.001时,边界滑移速度随着Kn的增大而增大;σv的变化对滑移速度的影响十分显著,σv减小时,边界滑移速度增大;在滑流区范围内与低Re时,Re的变化对边界滑移速度的影响很小.     

微通道内气体流动参数化数值模拟

基于ANSYS Fluent软件,对微通道内气体在不同压力驱动下的流动做参数化数值模拟分析,得出不同克努森数(Kn)的通道出口截面速度分布图和质量流率,并将仿真结果和理论研究进行比较,分析微通道内气体流动特性与宏观流动的异同,研究稀薄气体效应.模拟结果表明:在微通道中,连续介质假设失效;当微系统特征尺度很小或者工作压力很小时,微通道内的气体具有较大的Kn,出现明显的稀薄气体效应;Kn越大,稀薄气体效应越强烈;稀薄气体效应导致固壁边界的滑移速度和质量流率变大.     

滑移边界下气膜厚度阶跃变化的阶形板间气体流动

为进一步研究微尺度下气膜厚度阶跃变化的阶形板间气体流动的相关物理特性,通过代入适用于任意克努森数的新滑移边界条件修正雷诺方程,应用有限体积法迭代求解了阶形板间沿气体流动方向的气膜压力和克努森数分布曲线,沿高度方向的气体流动速度分布曲线,不同环境克努森数下的气膜承载力随速度参数的变化曲线。结果表明:随着气膜间克努森数进入滑流区时,边界速度滑移效应对流体流动特性作用明显,当气膜间克努森数进入过渡区时,一阶滑移与新滑移边界条件间的数值结果产生明显偏差。可知相对于滑移系数固定的一阶滑移边界条件,滑移系数随气膜间克努森数改变而变化的新滑移边界条件,可以更好地描述高度存在阶跃变化即气膜间克努森数跨区域分布的微尺度气体流动。     

广义Maxwell速度滑移边界模型

针对存在挤压速度情形的近连续滑移流区微轴承内气体流动,基于气固界面Knudsen层内动量和能量通量的守恒,利用Grad13矩近似的速度分布函数,详细推导广义Maxwell速度滑移边界模型,给出了其与典型Maxwell速度滑移边界的差别.研究表明在不考虑壁面温度梯度和挤压速度影响时,所得到的广义Maxwell速度滑移边界模型与典型Maxwell速度滑移模型是一致的;通过在微尺度气体轴承流动控制方程应用,获得一套适于气体轴承内流动气固表面速度滑移边界数学模型.     

微细圆管中气体流动的稀薄效应和可压缩效应

采用有限差分法计算了微细圆管中的气体流动。当Knudsen数处于10^-3与10^-1之间时,气体的稀薄效应造成流动气体与管壁之间的相对滑移。计算结果详细描述了边界滑移对管摩擦系数及流量的影响。计算还表明,虽然在微细圆管的气体流动中马赫数很小,但由于同时也具有很低的雷诺数及很小的管径、管长比,气体压缩性对质量流量仍有明显影响。     

利用格子Boltzmann方法计算页岩渗透率

针对页岩中孔隙主要分布在纳米尺度的特点,建立Knudsen数修正固体边界并考虑镜面反弹的格子Boltzmann模型。利用二维平板模型,考察Knudsen数对渗透率的影响,得出在一定误差条件下,须考虑Knudsen数修正的最大孔隙宽度。由页岩的SEM扫描图像重构得到三维数字岩心,利用新模型进行模拟流动,并计算得到绝对渗透率。结果表明:利用Knudsen数修正后,通道中间部分流体速度增大,固体边界处速度变小;压力不变,随着孔隙直径变小,Knudsen数增大,渗透率变小。     

用于Poiseuille等微槽道流的Boltzmann模型方程算法研究

基于MEMS微尺度流动特点, 将气体运动论统一算法推广应用于Poiseuille等微槽道流动计算研究, 发展可用于微流动问题的气体运动论边界条件数学模型及数值处理方法, 以不同Knudsen数的Couette剪切流、热对流以及Poiseuille等短微槽道流为研究对象进行初步计算验证, 通过将本文计算结果分别与基于微观分子颗粒输运的类DSMC模拟值、基于宏观流体力学的滑移N-S解、基于气体分子动力论的BGK-Burnett数值解及线化Boltzmann近似分析解 等的比较分析, 显示出发展的连接宏观流体力学与微观分子动力学的介观Boltzmann简化速度分布函数方程数值算法能很好地揭示近连续滑移、过渡流区气体流动现象和微弱流动变化细节, 并能较好地适应于微槽道流动问题计算研究, 可望发展起新型的模拟MEMS微槽道流动和传热问题气体运动论数值计算方法.     

COREX熔化气化炉风口回旋区CFD+DEM数值模拟

COREX熔化气化炉风口回旋区是炉况顺行的基础,在冶炼过程中起着十分重要的作用,为了描述其形状和大小,建立了CFD+DEM(ComputationalFluidDynamicsandDiscreteElementMethod)耦合模型,对回旋区形成过程及大小进行了颗粒尺度的分析.得到床层高度为04m,气体速度1174m/s的条件下回旋区颗粒空隙度分布,当吹气时间为013s时,气体入口附近有颗粒被吹开,随着时间的推进,气体动能吹开的颗粒增多,019~021s时,形成的回旋区开始稳定.对入口处不同气体速度条件下回旋区及其附近颗粒速度进行了计算模拟.模拟结果显示,风口附近颗粒在做回旋运动,并且随着入口气体速度的增大,吹开的颗粒增多,回旋区空腔增大,当入口气体速度为1174m/s和1683m/s时形成的回旋区较稳定,当入口气体速度大于2190m/s时形成的回旋区不太稳定.     

基于机理和子空间辨识的煤气混合过程集成建模

针对煤气混合过程特点，建立了基于机理和子空间辨识的集成模型.首先在分析生产工艺和数据基础上，利用蝶阀流量公式建立高炉煤气和焦炉煤气流量机理模型；然后以高炉管道2#阀和焦炉管2#阀开度、高炉煤气和焦炉煤气气源压力为输入，混合煤气压力为输出，建立4输入1输出子空间辨识模型；最后分析各子模型特点，将两种模型进行集成.仿真结果表明，所建立的模型能够有效地反映煤气混合过程的动态特性，为煤气混合过程控制提供可靠的模型基础.     

氧化球团在熔渣中熔化过程的数值模拟

基于一维非稳态导热原理建立了球团在熔渣中熔化的数学模型，并采用有限差分方法对模型进行求解.通过编程计算，分析了不同条件对球团渣壳熔化时间的影响.计算结果与球团在熔渣中的熔融实验结果相近.球团渣壳在1450，1500，1550℃渣浴中渣壳熔化时间为56，36，25s，渣壳最大厚度分别为0211，0149和0109cm；随着渣浴温度升高、球团初始温度升高，球团熔化速度变快；熔渣碱度在08~12之间时，球团熔化时间基本无变化，但当碱度继续降低，熔化时间将大幅增长；随着球团金属化率的升高、球团直径的增大，渣壳最大厚度变大，但前者对渣壳熔化时间影响不大，后者使得渣壳熔化时间增长.     

Lattice-Boltzmann simulation of microscale CH4 flow in porous rock subject to force-induced deformation

Accurate knowledge of the influence of rock deformation on the permeability of fluid flow is of great significance to a variety of engineering applications, such as simultaneous extraction of coal and gas, oil/gas exploitation, CO2 geological sequestration, and under- ground water conservation. Based on the CT representation of pore structures of sandstones, a LBM （Lattice Boltz- mann Method） for simulating CH4 flOW in pore spaces at microscale levels and a parallel LBM algorithm for large- size porous models are developed in this paper. The properties of CH4 flow in porous sandstones and the effects of pore structure are investigated using LBM. The simu- lation is validated by comparing the results with the mea- sured data. In addition, we incorporate LBM and FEM to probe the deformation of microstructures due to applied triaxial forces and its influence on the properties of CH4 flow. It is shown that the proposed method is capable of visually and quantitatively describing the characteristics of microstructure, spatial distribution of flow velocity of CH4,permeability, and the influences of deformation of pore spaces on these quantities as well. It is shown that there is a good consistency between LBM simulation and experi- mental measurement in terms of the permeability of sandstone with various porosities.     

纳米流体流动与传热过程的LBM并行计算

建立了描述纳米流体流动与传热过程的格子-Boltzmann模型，针对格子-Boltzmann方法（LBM）高度并行性的特点，用消息传递机制实现了平板间纳米流体流动与传热过程的LBM并行计算，分析了处理器数目与区域分解模式对计算效率的影响。结果表明，纳米粒子的微运动强化了流体与壁面以及流体内部的换热过程，LBM并行计算方法应用于纳米流体流动传热计算能够提高计算效率。     

热轧带钢发射率软测量及影响因素分析

根据现场实测带钢温度值，采用温度场反算方法计算了热轧带钢层流冷却之后卷取之前的发射率.主要分析了材料碳当量、带钢厚度、带钢所处的温度区间对发射率的影响.结果表明:带钢所处的温度区间不同，影响带钢发射率的因素不同.在高于550℃的温度区间，不同材质的带钢，其发射率在08±01之间，随材料碳当量的增加，带钢发射率稍微增大，与带钢厚度没有明显的关系；在低于550℃的温度区间，不同材质的带钢，其发射率与碳当量没有明显的关系，但随带钢厚度的增大显著降低.     

弱胶结砂岩水岩作用机制——以庆阳北石窟为例

选取庆阳北石窟赋存砂岩为研究对象，于室内分别设置冻融循环、干湿循环两组单因素风化模拟试验，经历30个周期，共计120d.结合岩样在宏观、局部、微观等不同维度下的劣化特征及表层矿物成分与元素的迁移规律对水岩作用机制全程跟踪评估.试验结果表明:在模拟试验前期，水-岩之间化学作用强烈，两组试验化学蚀变系数均发生陡增;随着试验继续，水-岩之间物理作用逐渐变强，冻融循环转为水体积膨胀对颗粒施加的拉、压应力作用，且率先在含水率最高处诱发裂隙.而干湿循环变为水对颗粒结构的机械冲刷，该过程则受水分运移及孔隙分布方式的共同支配;对于弱胶结砂岩，水-岩频繁作用导致的颗粒耦合关系改变是岩石劣化的关键.     

球团竖炉结构参数影响炉内气体流动的数值模拟

运用气固填料床动力学理论建立了球团竖炉料层内气体流动的数学模型，确立了数学模型的边界条件.运用手编程模拟研究炉内气体流动的基本规律，进而探讨竖炉结构参数对炉内气体流动的影响.结果表明:结构参数中，导风墙宽度、焙烧带宽度以及预热焙烧带高度是影响炉内气体流动的主要因素.导风墙宽度和预热焙烧带高度的增加，以及焙烧带宽度的减小会导致冷却风上行趋势减小，焙烧风下行趋势增大.同时，导风墙宽度、预热焙烧带高度以及焙烧带宽度的改变也会导致竖炉内焙烧风与冷却风之比发生改变，即流入风量比发生改变，而流入风量比是决定炉内气体流动的最主要因素.     

挡板角度对挡板布料器布料过程的影响

COREX熔化气化炉炉顶采用1个煤-万向节溜槽布料器和8个DRI-挡板布料器两种布料方式来完成布料过程，通过物理实验和离散单元法(DEM)数学模型模拟两种方法分析了挡板角度对DRI-挡板布料器的布料规律的影响.物理实验结果表明，挡板角度较小时形成较为集中的料流轨迹，挡板角度较大时形成具有一定分散度的料流轨迹.数学模型模拟获得的料流轨迹和料面形状与物理实验结果吻合较好，且利用数学模型还可进一步获得料堆内部结构和径向空隙度分布详细信息，该信息可为COREX现场合理调节煤气流分布提供一定的参考依据.     

RH真空精炼过程循环流量与混合特性的物理模拟

以某钢厂180t的RH真空精炼装置为研究原型,依据相似准则建立物理模拟试验装置,进行2因素(喷吹角度和供气流量)作用下3水平的水模型正交试验研究,深入揭示RH真空精炼过程中循环流动状态变化规律,并为其工艺和操作参数的确定提供技术依据.结果表明:供气流量及喷吹角度均会影响精炼效率,供气流量影响更显著;存在最优的吹氩方案,即流量为20m3/h,喷吹角度为45°时,混匀时间最短;在不同供气流量下,循环流量增加幅度随喷吹角度的增大而逐渐减小,最佳喷吹角度在25°~35°之间.     

一维对流扩散方程的格子Boltzmann方法

给出一维对流扩散方程的格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方法,并确定方法中的粘滞系数与对流系数的关系,计算机模拟表明理论结果是正确的。