超临界CO2池式换热实验与数值模拟研究

超临界传热已进行了广泛研究,但对其现象及机理的认识仍不充分,本文研究了超临界二氧化碳(supercritical,sCO₂)池式传热.实验以长度为22 mm和直径为70 μm铂丝为加热和测温元件,容器压力为8～10 MPa,加热丝热流密度范围为0～1800 kW/m²,显著高于文献中的参数范围.采用变物性层流模型进行流固耦合数值模拟,加热丝附近采用了多尺度网格技术,数值模拟与实验结果吻合良好.发现传热系数h随热流密度q_w的变化呈S形曲线,将h-q_w曲线划分成三个区域.在类临界温度前,因瑞利数Ra随q_w增大而增大,h随q_w增大而增大;当铂丝温度开始超过类临界温度后,由于超临界流体回流效应增强,h继续增大直到获得最大值.随后,由于近壁区类气膜热阻增大,h随q_w增大而减小直到获得极小值.在超过h极小值点后,由于高温下超临界流体导热系数随温度增大而增大,随q_w增大h回复到增大趋势.本文获得了全参数范围内传热系数与热流密度...     

不同长度工作面采空区瓦斯分布的数值模拟研究

煤矿回采工作面采空区漏风对采空瓦斯分布及采空区自燃发火有着重要的影响。本文对U型通风下不同长度工作面的采空区流场进行了数值模拟。回采工作面长度由100 m依次增加10 m至240 m,并且针对每一长度的回采工作面建立了对应的采空区三维物理模型,运用计算流体力学的方法对不同长度回采工作面采空区的流场进行了数值模拟。结果表明,随着工作面长度的增加,采空区进风侧瓦斯爆炸危险区域的宽度变化幅度较小;采空区中部瓦斯爆炸危险区域的宽度随着工作面长度的增加先增大后减小;随着工作面长度的增加,采空区进风侧和采空区中部瓦斯爆炸危险区域的起始位置均出现向采空区深部移动的趋势。     

大倾角综放工作面粉尘运移速度变化规律及影响因素分析

大倾角综放工作面内的粉尘运移过程主要受重力和拖曳力的作用。通过对其进行受力分析,分别建立了沿工作面方向和垂直工作面方向上的粉尘运动速度模型,研究其变化规律。结果表明:在拖曳力和重力作用下,风速、工作面倾角、粒径是影响粉尘运动速度的主要因素;沿工作面方向上,在0~0.2 s内,粉尘运动速度快速增加至接近于风速,且倾角和风速越小,逼近趋势越明显;沿垂直工作面方向,粉尘粒径越大、倾角越小,最终稳定沉降速度越快,5μm粒径的粉尘颗粒在工作面45°倾角条件下的沉降速度为0.36 m/s,与实际相符。研究结果为更好地采取措施降低采煤工作面粉尘浓度提供了理论支持。     

静态煤堆风蚀起尘机理及其粉尘扩散影响因素研究

对露天煤堆表面煤尘颗粒进行受力分析,然后结合力矩平衡原理,建立煤尘冲击起动模型,验证了煤尘颗粒的起动风速与粒径、含水率、煤堆安息角等参数间存在的多维函数关系。在此基础上,通过理论计算和静态试验,进一步研究了煤尘扩散规律及影响因素,并提出了相应的抑制起动的措施,为煤场周边大气污染评价和治理提供科学依据。     

磁尾的等离子体片边界层场向电流密度与地磁活动指数Kp的关系分析

对2001年7月～10月Cluster穿越磁尾等离子体片边界层期间观测到的172个场向电流事件进行了研究,主要分析了等离子体片边界层场向电流特性与地磁活动指数之间的关系.研究结果表明：1）等离子体片边界层场向电流的相对发生率随地磁活动的增强而增加;2）等离子体片边界层场向电流密度随Kp指数的增大而增大;在磁暴的主相阶段,场向电流迅速增大,电流密度最大达到19.05nA/m2,同时Kp增大至5;3）地磁活动指数Kp与等离子体片边界层区场向电流密度有着一致的变化关系.然而,当AE〈800nT时,等离子体片边界层场向电流密度随着AE的增加而增加,当AE〉800nT时,场向电流密度随着AE的增加而减小.从而说明,等离子体片边界层场向电流密度与Kp指数的变化关系更为密切.     

车辆转弯制动ABS模糊控制及稳定性仿真分析

在Matlab／Simlink下建立了八自由度车辆系统的仿真模型。采用模糊控制方法,设计了基于滑移率的ABS控制算法。针对车辆转弯制动工况,对15m／s、20m／s、25m／s三种车速进行了仿真分析。仿真结果表明所建立的ABS控制器能有效提高车辆的制动性能以及中低车速下的稳定性,但定性分析表明车辆在高速工况下出现不稳定现象。为此利用稳定性判定式,对车辆转弯制动ABS控制下的稳定性做了定量判定。判定结果表明,高速时车辆仅有ABS控制并不能达到稳定性控制的要求。     

基于一元线性回归由风速传感器测量值推导巷道平均风速

通过试验数据建立了风速传感器的测量值与平均风速之间的一元线性回归方程,并对拟合效果进行了评价。对参数的判断表明该方程是有效的,可以近似地把风速传感器的测量值转换成平均风速值,并在相同的巷道长度、相同的风流速度、不同断面下用Comsol模拟了风速流场分布情况。     

水平横风下的移动车辆脉动风速谱

为研究水平横风下运动车辆在不同车速/风速比情况下感受到的风速谱,利用泰勒"冻结"紊流假定,推导了移动点的自相关系数函数,通过傅里叶变换数值求解了移动点的自功率谱函数.利用已有的脉动风速谱形式,通过积分变换,直接导出了风速与车速垂直的移动点的自功率谱函数解析表达式.研究表明:由于车辆运动,导致移动点纵向脉动风速谱向高频移动,且随车速的增大,幅值呈现先减小后又逐渐增大的现象;同时,车辆运动引起移动点侧向脉动风速谱幅值随车速增大呈现先减小,后逐渐增大的变化规律.     

弹体高速侵彻混凝土的数值模拟及实验研究

进行了100 mm直径弹体800 m/s速度下侵彻混凝土靶的试验,得到了大尺寸弹体高速侵彻1 m直径混凝土间隔靶的结果.运用数值模拟,研究了大尺寸弹体高速侵彻混凝土靶中的靶板设计问题,得到了较好的靶板设计方案.数值模拟能一定程度上辅助研究大尺寸弹体侵彻混凝土靶问题,对以后的实验设置和进一步的数值模拟有指导意义.     

黄河下游洪水输沙效率及其调控

针对黄河下游洪水输沙的复杂性,根据1980～1998年实测洪水资料,以花园口-高村河段为例,建立了洪水输沙用水的人工神经网络模型.在此基础上,以提高洪水输沙用水效率为目标,根据控制原理对洪水输沙过程调控进行了模拟与仿真.根据洪水输沙的实际情况,系统设计中采用了开环控制和反馈控制两种不同的控制结构.开环控制系统中,对不同含沙量条件下洪水平均流量对输沙用水量的控制过程做了数值模拟;结果表明该河段流量对输沙用水量的调控作用明显受到含沙量的影响,当含沙量小于20kg/m3时,流量对输沙用水量减小有很好的调控作用.反馈控制系统中,对给定控制目标下河段入口断面含沙量和流量对输沙用水量的调节过程分别进行了仿真;结果表明如果设定合理的控制目标,花园口-高村河段洪水输沙过程可通过入口断面的含沙量和流量进行调控.最后,根据上述方法,对黄河下游其他河段洪水输沙进行了模拟与仿真.根据综合分析,黄河下游花园口以下河段水流含沙量为20 kg/m3时,适宜的调控流量范围是2390～2900 m3/s.     

三峡区间入流对三峡库区洪峰的影响分析

三峡区间是长江上游暴雨多发区,其洪水是三峡库区洪水的重要组成部分.长江流域1954年大洪水期间,库区30天最大洪量中区间洪水的比例达13.2%,而区间特殊的地形条件造成区间的众多支流坡度大且流程短,汇流迅速,因此有可能对库区洪峰产生更大影响.目前区间水文站点较少,不能为评估区间入流对库区洪峰的影响提供足够的水文资料.文章选取1956~2000年间的880场洪水为研究对象,在三峡库区长江干流基于HEC-RAS建立了洪水演进数值计算模型,通过对比不考虑侧向入流的洪水演进计算所得洪水过程线和实测洪水过程线,定量识别区间入流对三峡库区洪峰的贡献量和贡献率,以及对峰现时间的影响,并统计分析不同量级洪峰样本中区间入流影响的变异性.采用4套不同研究机构的糙率参数,对比不同糙率参数方案计算结果的差异,分析糙率参数的不确定性对研究结果的影响.研究发现,区间入流对库区洪峰的平均贡献量为3524m3/s,平均贡献率为15.9%,不同场次洪水之间的变异性较大.其中对大于50000m3/s洪峰的贡献量平均为12000m3/s,最大可接近25000m3/s;贡献率平均为20%,最大接近50%.在统计意义上,较大洪峰中区间入流的贡献量及其变异性较大,贡献率及其变异性略大,区间入流贡献率大的洪水场次出现频率较高;区间入流可改变库区洪水过程线形状,使洪峰提前出现,对峰现时间的影响及其变异性随贡献率的增大而增大.以上结果表明三峡区间入流对库区较大量级的洪水过程有显著影响,为保证三峡大坝及其下游的度汛安全,需要采用更为先进的洪水预报技术延长区间洪水预报的预见期,提高预报精度.     

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．     

森林凋落物堆积层导热性影响因素探究

森林凋落物堆积层的导热性对林地生态和森林防火有重要影响。为确定其作用程度,设计了交叉热线法实验装置测定了体系温度、湿度、凋落层结构对凋落物导热性能的影响:在温度为0℃~50℃、湿度为0%~100%的静风条件下,凋落物层的导热性能随着温度、湿度的增加而变大,随着空隙率的增大而显著减小,变化呈现线性关系;其表观导热系数在0.048~0.087 W/(m·K)范围内,并且各因素互相关联,其中空隙率的影响最大;进一步分析发现,凋落物层导热性能对体系的热量平衡过程以及自燃发火具有显著影响,可为凋落物的继续研究和森林防火管理提供新思路。     

表面介质阻挡纳秒脉冲放电能量特性和诱导流动特性研究

聚焦于表面介质阻挡纳秒脉冲放电(NS DBD)基本问题,设计不同结构激励器,研究放电能量特性、诱导流动特性.结果表明:单位展长激励器单次放电能量随激励电压增大而非线性增大,其值在0.1~1 m J/cm量级,与激励器长度和激励频率无关;NS DBD瞬时功率可达几百千瓦,而时均功率较低,仅为瓦量级.NS DBD诱导流动的速度较低,在0.1 m/s量级上;提升激励电压对诱导速度提升不明显;随激励频率增大有所增大.NS DBD可诱导形成冲击波,其初始运动速度稍高于音速,不同结构激励器诱导冲击波在传播位置上无明显差别,主要影响诱导冲击波个数;激励电压对冲击波传播速度无明显影响;唯象学仿真表明不同沉积能量诱导冲击波速度不同,实验对应下的沉积能量诱导冲击波波速近于音速.     

基于薄膜拍打型摩擦纳米发电机的风能收集研究

大量无线传感器网络节点的能量供给是目前限制物联网技术发展的一个瓶颈.作为新型能量收集技术,摩擦纳米发电机在环境能量收集方面有着显著优势,为解决无线传感节点供电问题提供了技术思路.本文基于摩擦纳米发电机和风致振动原理,提出并系统研究了一种薄膜拍打型摩擦纳米发电机(FF-TENG),实现了风能高效收集.本文采用仿真软件分析了薄膜拍打过程中的电场分布,利用流场显示方法展示了薄膜的运动状态.同时,研究了薄膜材料、风速、薄膜长度、薄膜串联对FF-TENG输出性能的影响规律.研究发现:随着风速提高,薄膜拍打频率增加,摩擦纳米发电机输出的短路电流增大,而输出电压和转移电荷量在风速超过4.7 m/s之后保持稳定.随着薄膜长度的增加,其拍打频率降低较快,单位长度上的发电性能呈现先增后减的规律.在双薄膜FF-TENG实验中,上游薄膜的扰动导致下游薄膜的拍打幅度更大,这使得两个短薄膜的输出电压比单个长薄膜提升了45%.通过演示实验,本文设计的薄膜拍打型摩擦纳米发电机成功地驱动了温度传感器,并点亮了至少300盏LED灯,表明其在无线传感器供电领域有着广阔的应用前景.     

连续柱状晶Cu-12Al合金线材无模拉拔变形行为

在拉拔速度1.0~1.4 mm/s、变形温度600~900℃的条件下, 对具有连续柱状晶组织的Cu-12%Al(质量分数)合金线材进行了无模拉拔成形, 分析了变形后合金的显微组织和力学性能, 研究了线材无模拉拔变形行为. 结果表明: 在拉拔速度1.0~1.4 mm/s、变形温度600~900℃的条件下, 连续柱状晶组织Cu-12%Al合金线材在无模拉拔成形过程中没有发生再结晶现象. 当拉拔速度为1.0 mm/s时, 随着变形温度从600℃升高到900℃, 连续柱状晶组织Cu-12%Al合金线材的晶界在无模拉拔成形过程中逐渐变得不平直; 无模拉拔成形后合金线材的延伸率随着变形温度的升高而降低, 抗拉强度随着变形温度的升高而升高. 在变形温度为600℃的条件下, 当拉拔速度为1.1~1.2 mm/s时, 无模拉拔成形对合金线材组织的影响不明显; 当拉拔速度达到1.3~1.4 mm/s时, 合金线材连续柱状晶晶界变得不平直; 在本文实验范围内无模拉拔速度的变化对合金线材延伸率和抗拉强度影响不大.     

超临界态煤油流动与对流传热特性数值研究

本文采用湍流模拟方法结合煤油的10组分替代模型对国产RP-3航空煤油在水平圆管中的超临界态流动及对流传热特性进行了研究.湍流模拟采用RNGk-两方程模型以及增强壁面处理方法,煤油热物性和输运参数的确定基于10组分替代模型,并采用广义状态对应法则（ECS）结合考虑真实气体效应的Benedict-Webb-Rubin方程计算.同时,通过网格无关性研究以及与煤油加热圆管实验数据的比较验证了数值方法的可靠性.在本文研究的流动条件下,对于壁面热流为1.2和0.8MW/m2的算例,当管壁温度略超过煤油的拟临界温度时将发生传热恶化现象,并且恶化程度随着热流密度的降低而减小;而在壁面热流为0.5MW/m2时则不再出现传热恶化.通过分析传热恶化前后近壁区湍流强度可知,传热发生恶化以及传热性能的再次恢复与近壁湍流强度的变化有关.经典的传热公式如Sieder-Tate公式、Gnielinski公式可以基本反映亚临界区煤油的传热关系,但不能预测煤油的传热恶化现象.而考虑超临界特性的Bae-Kim修正公式可以描述煤油的传热恶化.另外,研究发现：当煤油进入超临界态时,管道摩擦阻力将显著增加.     

低温下混凝土单轴压缩破坏及尺寸效应细观有限元分析

考虑混凝土材料各相组分特征,建立了细观层次有限元分析方法,模拟了不同尺寸几何相似混凝土试块在室温及低温下的静态单轴压缩破坏响应,探讨了低温下混凝土单轴压缩名义强度退化行为及尺寸效应影响规律.研究结果表明,随着温度的下降,单轴压缩名义强度显著增强,混凝土脆性不断增大,尺寸效应行为更显著.当温度达到-120℃时,混凝土材料...     

堆积体地层隧道围岩注浆效果水-力耦合分析

根据饱和非饱和渗流理论,结合公路隧道工程实例,通过渗透力与应力耦合的三维有限元模拟,分析了注浆层厚度、围岩与注浆层渗透系数比对堆积体地层隧道涌水量以及对围岩和支护结构的影响.分析结果表明:①注浆层厚度对涌水量影响较小,注浆层渗透系数对涌水量影响很大,控制注浆层渗透系数在1.0E-9 m/s以下可以有效地满足隧道施工和安全运营的需要;②水-力耦合效应使围岩应力、位移、塑性区范围及支护结构应力增大,注浆对其具有明显的改善作用.     

高位抽采下近距离煤层采空区复合致灾数值模拟研究

从煤矿井下安全生产的角度出发,以西铭矿近距离煤层采空区的特点为例,建立了一种高位巷抽采下近距离煤层采空区三维模型。通过Ansys Fluent对采空区气体流动控制方程和非均匀瓦斯释放源项、浮煤耗氧源项进行三维稳态解算发现,随着高位巷抽采流量的不断增大,抽采瓦斯总量逐渐升高,抽采浓度和抽采效率逐渐降低,在抽采流量升至30 m3/min后,所有变化趋势变缓。上部邻近煤层高氧浓度富集区不断增大,下部遗煤处无明显变化。研究表明,采用抽采流量都为20 m3/min的高位巷与上隅角埋管相结合的瓦斯抽采方法能有效控制采空区复合致灾隐患。