叶轮内部流动分析及结构优化

借助计算流体流动和传热问题的三维流体计算软件FLUENT,对单级离心压缩机模型的叶轮内部流场进行了数值模拟,揭示了其内部流动规律;并找出计算模型结构设计中存在的问题,有针对性的进行结构优化。     

偏离设计工况时离心泵内部流场的数值模拟

通过高效数值模拟的方法分析通流部分的气动性能,对叶轮进行优化改进,扩容改造,从而提高效率,可靠性,安全性.主要采用FLUENT,在双参考坐标系下,利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行数值离散,选用标准k-s湍流模型,SIM-PLEC方法求解,对原模型泵进行非设计工况下内部流场的叶轮和蜗壳的耦合数值模拟,主要是变转速和变流量调节.得出变转速调节下全流场的速度和压力分布均与原模型相似,但转速过低时则出现明显不同;变流量模拟时,无论是大流量还是小流量,在叶轮流道和蜗壳区均出现了较为严重的回流和漩涡区,并对这一现象进行了分析.最后对原模型蜗壳提出了一些改造意见,指出了偏心蜗壳在蜗舌处的回流情况较对称蜗壳好一些.     

基于Fluent的离心泵内部流场数值模拟

在对比了FLUENT中所提供的湍流模型以后,选取了应用范围较广的标准k—ε模型。计算完成后,分析IS100—85—250型离心泵在额定工况下和非额定工况下整机流场的速度压力分布,发现整体上的流场分布情况跟理论分析一致,而且也十分符合叶轮和蜗壳的设计原理。为了验证整机流场分析的准确性和可靠性,对该离心泵进行了性能试验,并作出了预测性能曲线,就离心泵的特性曲线进行了分析。通过扬程一流量、轴功率一流量、效率一流量特性曲线,得出模拟计算与理论分析基本吻合。最后对模拟计算作了总结。     

高压水旋转射流喷嘴的外部流场数值模拟

运用fluent软件对高压水旋转射流喷嘴的外部流场进行数值模拟。结果表明：高压水旋转射流不同于普通圆形射流,其能量不是集中在射流中心部位,而是集中在一定半径的圆环上,并具有明显的扩散现象。轴向速度从离开喷嘴后开始衰减,随着旋流强度的增加,衰减速度明显加快。模拟的结果为喷嘴参数的设计选取提供一定的理论依据,对实际工程具有一定的指导意义。     

考虑基质收缩影响的煤层气流动模型及应用

基于表面物理化学原理，提出了考虑应变与煤基质收缩耦合影响的孔隙度和渗透率理论模型。在此基础上，建立了双重介质煤层气藏三维、非平衡吸附、拟稳态条件下气水两相流动数学模型。采用全隐式方法和正交极小化方法对模型进行了数值求解，并结合沁水盆地TL003井的生产实际进行了历史拟合。结果显示该井的渗透率随生产时间的推移呈现明显的改善趋势，但由于含水层的持续补给致使15^#煤层迟迟达不到临界解吸压力，产水量却居高不下，因此建议封堵15^#煤层只单独排采3^#煤层。     

气体压强对超音速气雾化中气体流场的影响

气体雾化技术可以制备一系列高性能超细球形金属粉末．利用计算流体动力学软件Fluent模拟了雾化气体压强（P0）对超音速气雾化喷嘴气体流场的影响,以及对流场中心线上压强、速度等变化的影响规律．研究结果表明：随着P0的增大,流场内气流达到的最大速度逐渐增加;当雾化气体压强较小时,抽吸压强（△P）随雾化气体压强增大而减小;而当雾化气体压强达到某一临界值时,△P才随雾化气体压强增大而增大;抽吸压强的变化与雾化室中心线上滞止压强和马赫碟位置的变化相一致,滞点位置对抽吸压强的作用不大：导液管顶端径向分布的静压强存在一个压强梯度,并且随着雾化气体压强的增加而增大．     

标量湍流耗散的片状结构

应用直接数值模拟研究标量湍流耗散的空间结构. 在均匀标量湍流场和槽道湍流的非均匀标量湍流场中都发现了标量湍流耗散呈片状结构. 通过标量湍流耗散的输运方程的分析, 研究了脉动变形率张量在标量耗散生成中的作用, 发现脉动标量梯度在脉动变形率张量的第3主轴方向占优, 从而解释标量湍流耗散片状结构的产生原因.     

超燃冲压发动机燃烧室内湍流燃烧流场的数值模拟研究

应用经显式可压缩修正的SST湍流模型,对超燃冲压发动机燃烧室流场进行了三维数值模拟,并与实验结果进行了对比.通过对燃烧室流场数值模拟结果的分析给出了湍流燃烧流场的特征.为了定量分析超声速流动条件下湍流燃烧的作用特点,基于湍流燃烧理论与湍流燃烧的数值模拟结果,通过对控制无量纲参数在流场中变化的研究发现：超声速燃烧发生的区域为充分发展的湍流区;在喷口附近湍流和燃烧的作用最强烈;超声速燃烧流动中,湍流引起的火焰非定常效应和局部火焰熄灭现象均可忽略,定常火焰面的近似假设是成立的.     

非定常等离子激励器诱导平板边界层的流动结构

采用唯象模型模拟DBD等离子激励器,通过求解Navier-Stokes方程研究了等离子非定常激励与平板边界层的相互作用.分别考察了激励强度、激励波形和激励频率对非定常等离子体激励诱导流场结构的影响.结果表明,非定常等离子激励使边界层内形成系列涡对,其涡量沿程呈指数型衰减.涡对的强度主要由等离子的有效激励强度决定,激励频率主要是对涡的平均流向间距的影响.占空因子不太大时,相邻涡对的相互作用可以忽略,激励波形对涡对影响不大.     

日冕物质抛射和冕流结构相互作用的数值研究

采用具有同心圆形闭磁场结构的二维模型作为日冕物质抛射(CME)的触发模型,并使这种触发模型分别在偏离冕流结构对称中心10°和45°的位置浮出,数值模拟这时产生CME事件的特征.模拟结果可以定性解释SOHO飞船观测到的部分CME事件特征, 模拟结果表明: (1) 在两种情况下, 二维触发模型的浮出都可以触发CME事件, 和CME事件相关的磁场结构闭合并呈现非对称性. (2) CME事件的闭磁场结构在向外传播的过程中, 将不断向电流片偏转, 这种偏转效应主要发生在几十个太阳半径的范围内, 最终CME事件沿着电流片传播. (3) 不同位置处浮出触发模型触发的CME事件, 将有不同的磁场位形, 在10°位置浮出触发模型所触发CME事件的磁场结构近似呈圆形, 而在45°浮出触发模型所触发CME事件的内部磁场结构近似呈月牙形.     

稀相气粒两相流的LES／FDF模型及其在平面尾迹两相流中的应用

推导了气粒两相流中颗粒所见流场速度的滤波密度函数（FDF,filtered density function）输运方程,建立稀相气粒多相流的LES／FDF模型并对气粒两相平面尾迹流动中颗粒的湍流扩散进行了数值模拟研究．将模拟的结果与实验数据及不使用FDF模型得出的结果进行对比,说明LES／FDF模型能够更好地描述颗粒的空间扩散．     

走廊转角条件对人员疏散规律的影响分析研究

在建立走廊转角疏散模型的基础上,将房间人员密度设置4种情况,采用计算机数值模拟软件FDS＋Evac模拟了不同转角角度,不同圆角半径的走廊转角条件下的人员疏散过程。研究表明：走廊转角角度从O°增加到90°,疏散时间先增长然后缩短最后又增长。同条件下,圆角疏散能力优于折角。圆角半径大小对人员疏散没有显著影响。研究结果为建筑走廊设计提供了参考依据。     

油泥与煤混合滤饼燃烧过程的数值模拟与分析

为解决辽河油田油泥所带来的环保、污泥排放及治理问题,利用Fluent软件平台着重对油泥和煤制成的混合滤饼在循环流化床炉内燃烧过程的温度场和速度场进行计算模拟并分析。结果表明,混合滤饼在炉内燃烧情况良好,实现了油泥彻底的无害化和燃料化,而且结合CFB锅炉技术滤饼燃烧效率更高,为油田的油泥处理处置提供全新的途径。     

大型商用厨房室内热舒适性的数值分析

大型商用厨房是一个复杂的高温高湿环境。在夏季若未采用有效的室外新风补给措施,则需要给厨房提供大量空调冷风以满足排烟需求,造成大量的能耗。本文提出一种大型中餐厨房布局,并基于分析软件FLUENT进行数值模拟,采用PMV-PPD预测模型对4种不同比例的送风情况进行热舒适性评价。结果表明,对于这种厨房布局,采用20%冷风比例的组合气幕通风方式,不仅能防止污染物逸出、降低厨房所需空调冷风风量,减少能耗,同时可获得满意的热舒适性环境。     

采用流体网络与气热耦合方法的涡轮叶片复合冷却结构改型设计

将流体网络方法应用于高性能涡轮叶片复合冷却结构的设计中,开发了气热耦合数值计算方法,并对其进行了可靠性验证．对采用复合冷却方式的某型高压动叶内部冷却结构进行基于流体网络分析的快速预测,评估其气动与传热特性．针对网络分析结果,提出3种改进措施,即调整不同冷却通道冷却气体流量、减小通道转弯结构流阻、以及调整局部高温区的内冷几何结构．通过全三维燃气．固体叶片一冷却气流耦合计算验证,指出改型设计降低了叶片表面最高温度,整体温度分布更加均匀,冷气入口参数匹配合理．结果表明,计算方法大大缩短了涡轮叶片复杂冷却结构的设计周期．     

SOFA技术对减轻锅炉水冷壁结渣的可行性分析及数值模拟

研究了水冷壁结渣的两个主要原因即还原性气氛和风粉气流,并提出了解决措施:适当的减弱还原性气氛,防止灰熔点降低.在深刻探讨水冷壁结渣成因的基础上,分析了采用SOFA技术解决这一问题的可行性,并利用CFD数值模拟得出了氧量、温度和氮氧化物生成的特点,模拟的结果为减轻水冷壁结渣和工程应用提供了一定的指导意义.     

水驱油两相流物理模拟相似参数的敏感性分析

提出了相似参数的敏感性分析方法, 定义了表征目标函数对相似参数依赖程度的敏感因子. 以五点法井网为基础, 建立了考虑重力、毛管力、油水和岩石压缩性等因素影响的三维两相水驱油物理模拟的相似准则. 通过相似参数的敏感性数值实验, 定量分析了各个相似参数对于水驱油计算结果的影响程度, 即对各个相似参数的敏感因子进行比较, 确定了各个相似参数的主次关系. 结果表明: 各个相似参数的敏感因子在10^-4 ~10⁰, 为定量确定水驱油物理模拟主要相似参数, 实现部分相似提供了理论依据和设计原则.     

层叠式锂离子电池展向温度分布的分析解及基于分析解的热设计优化

大型锂离子动力电池的热相关问题是限制其在电动汽车上大规模应用的主要问题之一.单体电池的热模型是进行电池热设计、改善电池热特性的重要工具.根据热模型的求解方法,可分为数值解和分析解两类.在现有文献的研究中,数值解占据了主要地位.但是,分析解因具有计算量小、可实现设计变量的全局优化等优点,在电池热设计和电池组热管理系统中可发挥重要作用.例如,在电池热设计中,分析解可全面考察多个设计参数连续变化下对电池热特性的影响,以进行多设计参数下的全局优化.本文首先对一款大型层叠式锂离子电池进行了数值热模拟和实验验证,数值热模拟的结果与多枚热电偶的实验测量结果吻合良好;然后,基于数值热模拟的结果提取了层叠式电池温度分布和产热率分布的主要特点,进而假设温度呈展向平面分布、产热率均匀分布;针对简化后的电池热问题,利用双重积分变换方法提出了分析解;最后,使用分析解开展了电池的热设计优化工作,讨论了不同电芯尺寸和极耳布置方案下的电池热特性.     

进口热斑在无导叶对转涡轮高压级中迁移的控制因素分析

为揭示进口热斑在1＋1／2（无低压导叶）对转涡轮高压级中迁移的控制因素,运用三维非定常黏性流场计算程序对某1＋1/2对转涡轮模型级在有无进口热斑条件下的流场进行数值模拟．结果表明,在进口总压分布相同的条件下,同无进口热斑的工况相比较,进口热斑的引入基本不会对高压涡轮的负荷产生影响,高压涡轮的负荷与进口压力分布直接相关;热斑在高压导叶中未发生周向和展向迁移;热斑在高压动叶中的迁移扩散路径主要由冷热流体在高压动叶入口处的周向气流角、二次流及浮力等3种因素控制．     

区域构造应力场对煤与瓦斯突出影响的数值模拟分析

依据地质动力区划方法,对鹤壁八矿进行Ⅰ～Ⅴ级活动断裂划分,确定了区域构造的特征。分析了煤层的顶板岩性和构造断裂特点,并在此基础上建立了构造应力计算模型。结合对矿区地应力测量和岩体应力状态分析,确定了岩体应力状态的分布规律。通过对结果的分析,认为区域构造应力场控制鹤壁八矿地应力的分布状态,从而决定煤与瓦斯突出呈区域性分布。确定了易发生煤与瓦斯突出的应力升高区的位置,为开采煤层时何时何地采取防突措施提供了科学依据。