轴流式血泵水动力特性和生物相容性的数值模拟

为了准确评价自行设计的轴流式血泵的水力性能和生物相容性,将一种黏弹性流体k-ε模型应用于该血泵内紊流流动特性的数值模拟,分析了轴流泵的泵壳与转子间狭缝中以及叶轮流道内的静压和切应力的分布规律,并将溶血指标计算方法与此黏弹性紊流模型结合,计算了黏弹性流体为工质时血泵的溶血指标,并与水为工质时的计算结果进行了对比.结果表明:在相同转速和流量条件下,质量分数为0.06%的黄原胶溶液为工质时的静压压升高于以水为工质时的相应值,质量分数为39%的甘油溶液为工质时静压压升最不明显;甘油溶液的雷诺应力和黏性切应力均高于水和黄原胶溶液的相应值;黏弹性流体为工质时泵的溶血指标比水和甘油溶液的低,且数值处于同一数量级上.该模型能较为准确地预测血泵内黏弹性流体的紊流流动特性,但血泵的结构需进一步优化和改善.     

大起伏角度下V形管道段塞流流型特性

利用室内实验装置,对大起伏角度条件下V型管道气液流型特性进行实验研究。实验中观测到7种流型,得到了不同流型的持液率波动信号,以实验数据为基础,对改进的Taitel-Dukler判别法、B?e准则、修正B?e准则的流型判别效果进行了验证。实验结果表明：严重段塞流I、II、III周期性明显,具有较大的功率谱密度（PSD）峰值,其峰值由大到小排列依次为I> II> III;环状流PSD幅值最小;V型管道前后倾角变化对严重段塞流范围影响较为明显,当V型管道下倾管倾角或者上倾管倾角增大时,管道底部下凹区域积液量增多,严重段塞流 I区域增大,环状流生成区域减小;改进的Taitel-Dukler流型判别准则计算结果与不同倾角下的实验数据基本吻合,实验观察气团流区域小于准则计算结果,准则计算环状流区域大于实验观测结果;修正B?e准则对于严重段塞流I、II流型判别效果要优于B?e准则;本实验拟合大起伏角度条件下B?e准则的修正系数为3。     

二氧化碳长输管道投产置换过程模拟分析

CO_2管道是碳捕集、利用及封存(carbon capture, utilization and storage, CCUS)技术中连接CO_2排放地和封存地或注入地的关键环节,CO_2管道投产置换主要是利用N_2惰性且高吸水性的特点完成管道清洗干燥并为随后管道调试做好准备。目前关于CO_2管道投产置换的研究较为缺乏,通过SPS软件研究了延长石油某CO_2管道在不同输送介质组成、封存压力条件下的投产置换过程,并与天然气管道的投产置换过程进行对比,比较分析了CO_2与天然气投产置换过程所需N_2量、时间和升压所需气量的不同。结果表明:在压力升至CO_2临界点附近时,CO_2密度会发生突变大幅上升,且升高单位压力所需气量减少,并在升压结束时CO_2消耗量小于天然气消耗量。管内介质组成变化对N_2置换的影响不大,CO_2在管道内更易发生相变,不宜在置换完成之后直接升压投产。     

板翅式换热器不同气液入口分配方式的分配性能对比分析

采用计算流体动力学方法对换热器单层通道处的气液相"先混合、后分配"的传统入口分配方式(方式A)和气液相"先分配、后混合"的新型入口分配方式(方式B)分别进行数值模拟。通过分析气液总流量在0.078~0.291 kg/s和液相质量分数在7.8%~91.4%内的换热器入口气液流量分布的不均匀度和流量标准方差等评价指标,对两种入口分配方式的分配性能进行评估。结果表明:相同流量条件下,方式B比方式A的气液分配不均匀度更小。流量的增大会导致两种方式的气液分配不均匀度升高,其中方式A的气液分配不均匀度增幅更大。随着液相质量分数增加,方式A的气液不均匀度降低,方式B的气液分配不均匀度小幅升高,但方式B的气液分配不均匀度一直比方式A小,且保持较低值。方式B比方式A更能有效地提高板翅式换热器的流体流动分配均匀性。     

轴流式血泵黏弹性流体水动力特性数值模拟

将一种黏弹性流体k-ε模型应用于自行设计的轴流式血泵内流动特性的数值模拟,分析了轴流泵的水动力特性,得到了泵壳与转子间狭缝中以及叶轮流道内的紊动能和紊动能耗散率的分布规律.研究发现:在相同流量和转速条件下,质量分数为O.06%的黄原胶水溶液的扬程高于以水为工质时的相应扬程,二者最大约相差35%,且计算结果与实测数据符合良好;轴流泵内黄原胶水溶液的紊动能和紊动能耗散率均显著低于水的相应值,粗略估算每千克黄原胶水溶液的机械能损失只是水的相应值的37%,表示以黏弹性流体为工质时,泵内部的黏性耗损降低,这正是黏弹性流体扬程高于水的扬程的物理原因.     

板翅式换热器不同入口方式的气液分配抗倾斜性能对比

恶劣的海况环境引起的船体晃动倾斜会严重影响换热器内部流场的分布,降低换热器的换热效率,甚至会导致海上平台整个LNG流程停产等严重后果。通过CFD方法模拟研究板翅式换热器入口结构对单通道内的气液流场分布,研究了两种结构的("先混合、后分配"的传统封头结构,Model A;"先分配、后混合"的新型分配器结构;Model B)气液分配方式在倾斜条件下流量变化的规律。对比分析了不同倾角(3°、6°、9°和15°)作用下的两种结构的流量分配不均匀程度。研究结果发现:不同程度的倾斜,对结构内部流场的气液分配影响不同;倾角越大,气液分配均匀性所受影响越明显。在相同的倾斜条件下,Model B比Model A的流量变化率范围小,不均匀度标准方差变化范围也较小,Model B的抗倾斜性能更好,分配性能受倾斜影响小。综合结果表明,气液通过分配器"先分配、后混合"的方式(Model B)得到的流场分布能够更有效的抵抗倾斜条件带来的影响,该结构方式更适合在海上恶劣条件下工作。     

基于CFD的海洋立管系统严重段塞流数值模拟

利用CFD软件Fluent建立二维全尺寸仿真模型,对立管实验装置中的严重段塞流现象进行数值模拟研究。模拟方法中,采用液体体积函数(volume of fluid,VOF)法追踪气液界面;将长距离海底管道等效为箱体,以提高计算效率。模拟出了立管系统中的四种流型:典型严重段塞流(SSI)、严重段塞流II(SSII)、过渡流型(SST)和稳定流动;并对这四种流型的模拟结果进行了实验验证。最后,对典型严重段塞流的瞬态流动特性进行了深入分析。结果表明:采用数值模拟方法计算效率高,可准确模拟严重段塞流现象,为长距离立管系统中严重段塞流研究提供了切实可行的模拟方法。模拟工况下,气液喷发的瞬时质量流量可达入口的2.5倍以上,气液平均流速可达入口的4.5倍以上,其瞬态流动特性的分析对严重段塞流危害的准确评估有重要意义。     

考虑弹性基础的气液两相流海洋立管耦合振动分析

基于气液两相流立管系统的模态分析和气液两相流流动特性试验,预测与评估不同流态的气液两相流引起弹性基础上海洋立管的振动特性。模态分析中考虑流体密度分布的变化和不同弹性基础系数对振动模态的影响;气液两相流流动特性试验中,绘制含7种流型的流型图,测试各流型的压力波动特性并进行时频分析。模态分析与试验结果相结合,分析不同弹性基础时7种流型引起立管共振的可能性,并预测各流型引起立管振动的特性。最后,测试7种流型引起的试验装置的振动响应,验证耦合振动分析方法的准确性。结果表明:气液两相流和弹性基础对立管系统的固有频率和振型有显著影响;立管系统无弹性基础支承时,严重段塞流I、严重段塞流Ⅲ、段塞流和波动气泡流会引起立管系统的共振;基础的弹性系数较大时,两相流不会引起立管系统的共振,试验装置的振动响应与管内两相流流动参数的波动规律一致。     

LNG储罐内翻滚模型及翻滚现象的数值模拟研究

LNG的翻滚现象是LNG安全储存的重大隐患。目前对LNG储罐内翻滚发生的机理及过程还缺乏深入的研究。建立了LNG储罐内翻滚的物理模型和数学模型,并利用Fluent软件对密度差为0.5 kg/m3的5 000 m3储罐进行了数值模拟,清楚演示了储罐内发生翻滚的过程。研究表明:在重力的作用下,储罐内不同分层间由于密度差的存在,分层间的LNG会发生剧烈混合现象,即翻滚。通过模拟计算和分析,可以为储罐设计和实际生产操作提供依据。