两相燃烧的大涡模拟

两相燃烧大涡模拟研究正在取得迅速进展.和雷诺平均模拟相比,大涡模拟可以给出流动和火焰的瞬态结构,并且很多情况下可以给出比雷诺平均模拟更准确的统计结果.湍流燃烧大涡模拟的一个关键问题是亚网格模型,特别是燃烧模型.不同研究者提出了或者应用了不同的燃烧模型,但是有的模拟结果缺乏仔细的实验验证,有的统计结果和实验不符合.提出了二阶矩(SOM)燃烧模型,分别成功地用于气体湍流燃烧和液雾燃烧的大涡模拟,显示其优于其他模型.并对近年来气体燃烧、液雾燃烧、煤粉燃烧和油滴燃烧大涡模拟的研究给出了简要的综述.     

离散型两相流动的大涡模拟

大涡模拟(Large-eddy simulation,LES)的研究正在取得迅速进展.和雷诺平均模拟(Reynolds-averaged Navier-Stokes modeling,RANS modeling)相比,LES可以给出流动和火焰的瞬态结构,并且在不少情况下可以给出比雷诺平均模拟更准确的统计平均结果.本文作者及其同事从2002年开始,用大涡模拟研究了气泡-液体流动的瞬态结构.后来从2005年至今陆续研究了气体-颗粒两相流动的大涡模拟、气体绕过单个颗粒流动的大涡模拟、以及有蒸发和燃烧的油滴周围的流动的大涡模拟.本文对作者及其同事近期进行的上述离散型两相流动的大涡模拟研究给出了简要的综述,包括控制方程、亚网格模型、数值方法、主要的模拟结果及其实验验证.     

大涡模拟在超音速燃烧领域的应用研究

随着大涡模拟技术发展日臻成熟及目前计算机运算速度的提高,大涡模拟已经逐渐由理论研究阶段进入工程实用阶段.采用大涡模拟进行超音速燃烧数值模拟时,必须能够准确模拟小尺度上的燃料/空气湍流混合过程及化学反应动力学过程.本文回顾了大涡模拟中的主要亚网格模型及亚网格燃烧模型,总结了国内外采用大涡模拟在超音速燃烧研究领域的应用情况,为大涡模拟的进一步发展和应用提供参考.     

稀相气粒两相流中亚网格尺度涡对颗粒扩散影响的LES／FDF模拟

本文基于颗粒扩散率这一参数,应用LES／FDF模型对稀相气粒两相流中亚网格尺度涡对颗粒湍流扩散的影响进行了数值模拟研究．通过将使用LES／FDF模型得到的模拟结果与不使用LES／FDF模型得出的结果进行对比后,得出：对于小颗粒（小Stokes数颗粒）,大涡结构是影响颗粒空间扩散的主要因素;但是对于中等粒径颗粒和大颗粒,亚网格尺度涡对于颗粒扩散率的影响与大涡处于同一数量级．亚网格尺度涡在大多数情况下会使颗粒扩散率增大,但有时也会降低颗粒扩散率．亚网格尺度下颗粒的扩散率不仅仅取决于亚网格尺度涡的强度和Stokes数,还与流场中的大尺度涡结构有关;对于各向同性湍流中的颗粒,在亚网格尺度涡的作用下,其扩散率随粒径增大而降低．     

裂隙介质两相渗流数值模拟研究

以离散裂隙概念为基础建立了离散裂隙型模型,该模型通过对裂隙的降维处理提高了计算效率并适用于所有类型裂隙介质的渗流研究。详细阐述了离散裂隙型模型的基本原理及其两相渗流数学模型,基于Galerkin加权残量法建立了该模型的有限元数值计算格式。通过单裂隙中的Buckley–Leverett两相渗流算例验证了数值算法的正确性。以裂缝性油藏注水开发为例,应用离散裂隙型模型分别对2种不同类型的裂隙介质进行了实例研究。数值计算结果表明：裂隙的存在导致了岩体的强烈非均质性和各向异性,其中裂隙的方位、大小、连通性及其类别对裂隙介质两相渗流均有着重要的影响;正确认识裂隙的分布及其类别对于裂缝性油藏的开发动态研究及其注采井网的布置有着重要的实际意义 。     

阶梯溢流坝水气两相流数值模拟

阶梯溢流坝作为一种重要的消能结构已逐渐赢得广大学者和溢流坝设计者的兴趣. 为了深入地认识阶梯溢流坝面水气两相流的复杂特性, 引入水气两相流混合模型, 采用RNG k-ε 紊流模型模拟计算了阶梯溢流坝面水气两相流的流速、掺气浓度、初始掺气点和压力等特征参数. 实测结果验证了数值模拟的可靠、合理性, 有助于深入研究阶梯溢流坝的消能机理.     

不同大气稳定度下绿化街谷流动的大涡模拟

耦合大涡模拟与植被阻力、热源项模型, 提出了城市灌木绿化街谷内风场和污染物浓度分布的热、动力数学模型. 首先利用均匀植被层边界层湍流算例考核了模型的合理性以及程序的稳定性, 表明本文模型能较好模拟植被层内部速度分布, 并能对温度变化做出正确响应. 对形状因子为0.5 的理想绿化街谷, 研究了街谷大气不同稳定度对街谷内风场和污染物浓度分布的影响. 结果表明, 相比于裸露街谷, 植被层的引入减弱了街谷内环流风场强度, 同时减小了街谷顶部污染物置换速率(pollutant exchange rate, PER), 导致绿化街谷地面、背风面和迎风面附近污染物浓度增加. 对于街谷大气稳定度对绿化街谷内风场和污染物浓度分布的影响, 街谷大气强不稳定情形下, 街谷顶部、地面、背风面和迎风面附近, 风速比街谷大气中性层结时明显降低, 污染物浓度相应增加; 街谷大气弱不稳定情形下, 街谷顶部和迎风面附近, 风速有轻微减弱, 同时, 街谷地面和背风面附近, 风速有加强趋势, 导致绿化街谷内污染物浓度在迎风面和背风面比中性层结时减小, 而在两排植被层之间有所加强. 关于街谷大气稳定度对街谷顶部PER 的影响, 街谷大气弱不稳定情形街谷顶部PER 要比街谷大气中性层结时小, 而街谷大气强不稳定情形街谷顶部PER 最小.     

基于两相浑水模型的三维水沙数值模拟

本文针对悬移质泥沙输移,采用两相浑水模型进行描述,基于SELFE水动力学模型,尝试通过三维数值格式对两相浑水模型进行探索性模拟.建立了两相浑水模式的离散方程,完善了相应的边界条件,采用多组水槽资料率定并验证了模型的可靠性.并以宁蒙黄河2012年洪水为例,采用离散后的模型对宁蒙黄河青铜峡至石嘴山200 km河段进行了数值模拟.并以该河段洪水的洪峰传播特性、不同河段的环流特性、河段泥沙输移及河床冲淤等为重点关注了改进后的模型.结果表明:计算水位、地形、含沙量等数据与实测资料有较好的吻合,环流特性与理论分析一致.综合表明改善后的模型能很好的应用于悬移质泥沙的模拟.     

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.     

弯管内的液固两相流壁面防磨数值模拟

为了解决工业中液固两相流对弯管的腐蚀磨损问题,提出一种在普通弯管的弯头处每隔10°放置1个肋片的方法。采用计算流体力学软件Ansys Fluent对普通弯管和加肋片弯管进行数值仿真模拟和流场分析,结果表明:加肋片弯管在弯头处不会出现高压聚集的现象,使压力场分布均匀,增大了弯头处的平均阻力;加肋弯管中颗粒的运动轨迹发生改变,轨迹更紊乱,从而在竖直管段速度显著下降;加肋弯管的最大磨损率和平均磨损率大致为普通弯管的三分之一左右,对于弯管中的防磨有显著效果。     

三角翼前缘涡轴向速度的数值模拟研究

本文通过数值模拟的方法研究了雷诺数和攻角对76°大后掠三角翼和50°中等后掠三角翼前缘涡轴向速度的影响.前缘涡速度沿轴向的变化趋势反映了三角翼前缘涡的产生、发展及其演化过程,计算结果表明,后掠角、攻角和雷诺数共同影响前缘涡轴向速度的发展和展向分布特征,其中雷诺数是最重要的影响因素.较高雷诺数下,大后掠三角翼和中等后掠三角翼前缘涡轴向速度呈现出常见的射流型轴向速度分布;而降低雷诺数至105以内时,中等后掠三角翼前缘涡轴向速度剖面为尾流型,大后掠三角翼在较小攻角下也表现出尾流型的特征.     

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.     

基于AUSMV算法的井筒气液两相流瞬态流动规律模拟研究

在深层油气藏钻进中,由于井筒与地层连通且安全密度窗口较窄,极易发生物质交换,导致溢流、漏失以及溢漏同存频发,进而引起井筒内的复杂多相流动。为了实现精确控压、确保井控安全,需要掌握各种工况条件下井筒多相流动规律。针对井筒内的复杂多相流动,基于漂移模型建立井筒气液两相流瞬态流动模型,并利用高计算精度的AUSMV格式进行求解。借助MATLAB软件,编程模拟气侵下井筒内的气液两相流动规律,分析气侵量、滑脱速度等参数对井底压力、井口套压、气体速度以及气体体积分数的影响。结果表明:气侵量越大,井底压力、井口套压越大,气体体积分数达到100%的速度越快,气体逆流现象越明显;滑脱速度越大,井底压力和井口套压达到稳定状态的时间越短,气体的运动速度越大,气体体积分数几乎不受滑脱速度的影响;流动参数对井口套压、井底压力和气体体积分数影响较小。该研究可以对精确计算关井后的相关压井参数起到一定的理论指导意义。     

基于涡动力学的大跨度桥梁风效应流动控制

主梁和拉/吊索是大跨度桥梁的关键结构构件,通常具有较小的刚度和阻尼比,在来流风作用下,易在结构尾部形成周期性旋涡脱落,进而诱发涡激振动等多种形式的风致振动.主梁和拉/吊索结构的风致振动会加重结构疲劳,甚至影响桥梁运营安全.因此,发展大跨度桥梁风振控制方法,不仅可以丰富大跨度桥梁空气动力学理论,还具有重要的理论意义和工程...     

涡轮增压器涡壳流场模拟及变工况特性分析

涡壳是涡轮增压器的重要组成部分,其运行的好坏直其影响涡轮增压器效率.本文采用CFD模拟方法,对变转速时涡壳内速度、温度分布进行模拟,从而得出了涡壳内的流场分布规律和变工况特性,并提出了用增速比和减温比来衡量涡壳效率,为改进和优化涡壳设计以使其工作在最佳工况提供可靠理论依据.     

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．     

细长旋成体大迎角正则态非对称涡系结构的物理模型

在亚临界流动范围内, 对具有尖拱型头部的细长旋成体在无侧滑大迎角下利用在头部设置微扰动块取得稳定的、可重复的正则态非对称涡绕流流型. 通过对物面压力分布、截面侧向力分布和流动显示相结合的实验与分析, 揭示了细长旋成体在大迎角下这类正则态复杂涡系从头部沿轴向发展中所呈现出的非对称起始二涡和充分发展二涡、三涡等多涡系, 最后在尾部演变为类卡门涡系的复杂流型. 给出了这类涡系沿轴向演化与相应的截面侧向力变化之间的相关关系. 分析了截面侧向力分布曲线中的特征点所反映的涡系结构演化特征及其相应的压力分布特征. 在上述研究结果的基础上建立了细长旋成体大迎角正则态非对称涡系流动结构的物理模型.     

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。     

曝气池中气液两相流粒子图像测速技术

在粒子图像测速原理的基础上研究了基于快速傅立叶变换的粒子图像测速算法，并编制算法程序进行验证。通过试验研究了气液两相流在曝气池试验装置中的流动情况，应用粒子图像测速技术对装置中3种状态下气液两相流的运动参量进行测量，获得了各种流体运动参数，并应用粒子图像测速程序进行计算分析。试验结果表明当气液两相流处于状态3时，气泡在装置中具有最长的停留时间和较大的速度紊动强度，氧转移速率和效率大大提高，这为曝气池选型提供了依据。