超临界CO2水平直管内冷却换热的数值模拟

为了提高CO_2热泵的传热性能,基于Fluent的数值模拟方法研究了超临界CO_2在水平圆直管内的换热特性。采用标准k-ε湍流模型对超临界CO_2流体在内径为4 mm、长度为2 000 mm的水平圆管内的冷却换热进行了数值模拟,主要探究了超临界CO_2流体在管内冷却条件下的温度场分布以及传热系数的变化规律,并研究了CO_2质量流量及进口温度对管内传热性能的影响。模拟结果表明:超临界CO_2的传热系数随质量流量的增加而变大,质量流量增加100 kg/(m~2·s~2),平均传热系数增加约为12%;随着制冷剂进口温度的增加,管内平均传热系数变小,但局部传热系数的最大值并不会发生改变,只会使其出现的节点延后。研究结果可为水平直管在CO_2热泵中的应用提供理论与数据支持。     

碳酸盐岩酸蚀裂缝渗流-传热特性

充分认识流体在碳酸盐岩酸蚀裂隙面上的渗流传热特性,实现地热能的可持续开发利用是十分必要的。针对碳酸盐岩热储非均质性和缝洞发育的突出特点,采用自主研发的实时高温常规三轴试验系统,能够真实模拟岩石裂隙的真实对流换热过程。采用试验和模拟相结合的方法,进行了碳酸盐岩裂缝渗流传热耦合机理研究。结果显示,裂缝表面进行非均匀性溶蚀,形成一条具有导流能力的人工裂缝,达到改善流体渗流条件的目的;在温度一定的条件下,对流换热系数增幅与流量、压强呈正相关;采用COMSOL Multiphysics软件对碳酸盐岩单裂隙渗流传热过程进行了模拟计算,开展了实际热储层环境条件下对流换热仿真分析,实验结果验证了数值模拟的正确性与可靠性,获得了储层温度场的演化规律。     

超超临界汽轮机高压缸旁路冷却系统流动特性的研究

采用耦合流动计算和共轭传热的数值方法研究了1 000 MW超超临界汽轮机高压缸内部旁路冷却系统内的流场特性,给出了旁路冷却系统内三维流动细节和温度与压力场的分布规律,并与未考虑内、外缸传热作用的纯流动计算结果进行了比较.结果表明:旁路冷却系统中流动形态主要受系统结构和蒸汽自身流动特性的影响;温度场分布不仅受蒸汽流动形态的影响,还取决于高压缸固体域对流体域的传热作用.研究结论验证了,耦合流动传热数值方法能够更加真实地反映旁路冷却系统内温度场的分布.     

内冷式高温高压反应器传热研究

采用一维稳态传热的方法对内冷式高温高压反应器内壁传热进行工程计算,然后在相同条件下利用Fluent软件对反应器内流场和温度场进行数值模拟,最后将两种算法得到的结果进行对比分析。研究了高温高压条件下反应器内壁的传热情况,分析了反应器内气体和内壁纵向温度分布的变化规律,结果表明:工程计算和数值模拟得到的结果是一致的,两种方法对高温高压反应器的传热计算是可靠的,数值模拟与工程计算相比更能反映出真实的高温高压反应器传热情况。     

超临界甲烷在竖直圆管内加热的数值模拟

在超临界压力下甲烷的相变现象消失,并且物性变化非常剧烈,换热过程变得相当复杂.通过数值模拟软件FLUENT导入制冷剂物性软件REFPROP中超临界甲烷的材料模型,在准确反映超临界甲烷的热力性能和传输物性变化的情况下,采用数值模拟的方法对竖直加热圆管内超临界压力下甲烷的传热特性进行了研究.在分析不同工况下超临界甲烷换热情况的基础上,重点研究了浮升力对换热的影响,并得出了适用于甲烷的浮升力影响判别标准.结果表明:换热系数随着压力的减小而增加;当流体平均温度接近临界温度,壁面温度大于临界温度时有利于换热;在高热流密度,低质量流量的条件下容易造成传热恶化;浮升力改变了径向速度分布曲线,抑制了湍动能的产生,削弱了换热.     

低质量流速光管内超超临界水传热特性的实验与数值模拟

为了研究超超临界循环流化床锅炉水冷壁和超临界水冷堆堆芯子通道中工质水的流动传热规律和机理,在压力为21~32 MPa、质量流速为410~760kg·m-2·s-1、热流密度为150~430kW·m-2的参数范围内,对Φ30mm×5.5mm垂直上升光管中超超临界水的传热特性进行了无量纲参数分析和数值模拟研究。根据实验结果,讨论了比热容比、浮升力以及热加速效应对超超临界水传热的影响。结果表明,这些无量纲参数与换热系数不存在很强的单值性关系,当采用这些参数预测超临界流体传热时需要补充其他相关参数。数值模拟采用SSTk-ω模型,模拟结果与实验数据吻合度较高,证明了该模型具有较强的适用性,并且分析了超临界流体发生传热强化和传热恶化的物理机理,证实了边界层内的大比热容工质份额和浮升力作用分别是导致传热强化和传热恶化的主要原因之一。     

液体激光器中温度分布的耦合分析

介质的流动改善了液体激光器温度分布的均匀性,起到了自我冷却、减小热效应的作用。应用有限单元法,对单侧泵浦液体激光器工作时涉及的传热和流动过程,进行热—流—固耦合分析,完成对液体介质温度场的数值模拟,并研究了介质流速对温度场的影响。研究结果可为改善液体激光器的冷却效果提供指导。     

超超临界汽轮机高压缸旁路冷却系统冷却特性研究

采用耦合流动计算和共轭传热的数值方法研究了1 000MW超超临界汽轮机高压缸旁路冷却系统的冷却特性,给出了系统作用下高压缸内外缸和轴端平衡活塞等固体部件的温度场分布特性,对比了有/无内部旁路冷却系统在不同条件下高压缸的温度场。研究结果表明:超超临界汽轮机高压缸旁路冷却系统能有效冷却高压缸内缸和轴端平衡活塞,使整体温度水平明显下降,高压缸外缸温度略有上升,高压缸内缸在旁路冷却系统的作用下温度分布均匀;对于阶梯式平衡活塞的冷却作用,主要取决于3段汽封长度、汽封齿间隙及平衡活塞前径向间隙。     

裂隙岩体流热耦合的三维有限元模型

利用传热学和渗流理论,建立了深部裂隙地层流热耦合传热的三维数学模型。采用渗流和导热微分方程描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流固耦合传热进行了数值模拟。数值模拟结果表明:岩体内裂隙水流所引发的热质迁移,对裂隙岩体的温度场分布有重要影响。断裂带及地下水流的存在改变了岩体的原有温度场分布。模型揭示了岩体与裂隙水流之间发生的对流换热现象,模拟了岩体内的温度场分布,实现了由点向场的转变。模拟结果与实际情况相吻合,表明采用该方法研究裂隙岩体的流固耦合传热是可行的。     

双层材料离心机转子温度场的数值分析及参数研究

为了解离心机转子系统的温度分布 ,在分析离心机转子系统传热机理的基础上 ,将双层材料的离心机转子温度场处理成求解二维轴对称稳态温度场的数学模型。利用四边形四节点等参单元的有限元方法 ,建立了计算离心机转子系统温度分布的数值计算方法 ,计算出了不同条件下的温度场分布 ,并与实验结果进行比较。对双层材料离心机转子传热特性和离心机参数进行了分析和研究。     

超临界苯烃化催化反应中焦前物分子扩散模型的研究

通过超临界相和液相条件下苯烃化反应的实验研究和催化剂的测试分析，发现Ｙ型分子筛催化剂的失活是由于副反应的存在，在催化剂表面上生成了多环大分子生物（称为焦前物）。实验结果表明，超监介反应可以抑制催化剂的结焦，超临界相催化剂活性与液相催化剂活性相比在四倍以上。本文研究超临界流体中的分子扩散传质行为，以并四苯、并五苯和并六苯为焦前物的代表物，建立超监蛤苯烃化反应过程中焦前物粗硬球分子扩散模型。     

超临界水氧化处理油田含油污泥

利用一套自设的简便实用的超临界水氧化实验装置,对运用超临界水氧化法处理油田含油污泥进行了实验研究,实验中使用过氧化氢（H₂O₂）做氧化剂,考察了反应停留时间、反应温度、反应压力和pH值等工艺参数对含油污泥中原油去除率的影响。实验结果表明,超临界水中的氧化反应能有效去除含油污泥中的原油,去除率可达95%,反应停留时间、反应温度、反应压力是影响含油污泥中原油去除率的重要因素,随反应温度、反应停留时间和反应压力的增加,含油污泥中的原油去除率增加,pH值对去除率也有影响,但不大。对指导油田生产具有一定的实用价值。     

前缘网格分布对超临界机翼气动特性的影响研究

生成合理的计算网格是保证数值模拟精度和准确度的前提条件。超临界机翼前缘半径较大且流场变化剧烈,机翼前缘的网格分布对超临界机翼的低速气动特性的数值模拟有重要影响。通过对同一构型不同机翼前缘网格分布进行数值模拟,研究了前缘网格密度对超临界机翼失速攻角、最大升力系数和分离形态的影响。结果表明,随着机翼前缘网格密度的提高,该构型的失速攻角、最大升力系数都有显著的提高;机翼的分离形态发生本质变化,由外翼先分离变为内翼先分离。     

自搅拌反应器内液相流动的数值模拟

采用数值模拟方法研究了压力能驱动的自搅拌反应器内液相流场的分布规律.首先对标准κ-ε模型、RNG κ-ε模型、realizable κ-ε模型下的模拟结果与PIV实验结果进行对比,确定了合适的湍流模型;然后研究了不同入口压力、液位高度对反应器内流场分布的影响.结果表明:标准κ-ε模型能更精确地模拟该反应器内的流场分布,反应器内流场稳定时间为12s以上.增加入口压力和液位高度均有利于反应器内流体速度均匀分布,入口压力为3MPa时几乎不存在速度死区.     

交混翼对方形棒束通道内超临界流动传热影响的初步研究

以CFD软件FLUENT为工具对超临界水堆的三维带交混翼的方形单通道模型进行了数值模拟.模型考虑了交混翼的仰角对于通道内温度分布及流场的影响,结果表明,交混翼造成流体绕流,使得流道内冷热流体混合,从而使得流道内流体的温度分布均匀,有效改善了燃料棒表面温度分布情况,降低热点温度;交混翼在15°、30°、45°和50°四种仰角情况下,30°仰角情况更有利于温度区域均匀.     

模拟发动机工况下二甲醚喷雾燃烧实验及仿真研究

在定容弹内模拟发动机实机工况的高温、高压环境(920K,6.0 MPa),借助专用共轨系统产生100 MPa压力进行二甲醚喷射实验,通过定容弹内混合气体中的氧气浓度来控制二甲醚的燃烧,使用高速摄像机观察并记录二甲醚在超临界和亚临界条件下的喷雾及燃烧形态。基于实验结果,采用FORTE软件开发二甲醚喷雾燃烧仿真模型,其中耦合了二甲醚氧化还原反应动力学模型。实验和仿真结果表明,二甲醚在两种喷射条件下的喷雾贯穿距离无明显差异,而超临界条件下的液相贯穿距离较短;与亚临界条件相比,超临界条件下二甲醚喷雾着火时刻略早,火焰举升距较小,并且燃烧时释放出了更多的热量;仿真模型较好地拟合了二甲醚喷雾燃烧实验结果。     

燃气喷射对高温空气燃烧室内流动影响的数值研究

用所开发出的计算程序 ,在高温空气燃烧炉燃气烧嘴的多种喷射方式下 ,通过改变烧嘴的间距、烧嘴的同向或逆向喷射以及烧嘴的周向布置个数等条件 ,对炉内三维等温流场进行了相应的数值模拟·分析了炉内的流场结构及流动特性·模拟结果表明 :合适的烧嘴间距、燃气的逆向喷射以及多个烧嘴的对称布置等方式均能获得炉内合理的流场结构 ,并有效地利用回流区混合的低氧条件 ,从而实现高温空气低氧燃烧的技术关键·模拟结果与相似模型炉的实验研究资料相符合     

寒区隧道围岩水热耦合数值分析

寒区隧道土体中的水分迁移和相变是冻害问题的主要诱因.基于混合物理论,建立考虑水分迁移和水冰相变的联合求解微分方程对水热耦合问题进行求解,并使用 COMSOL Multi-physics 软件进行模块开发,实现渗流-温度耦合数值模拟,进而将模拟结果与土柱冻结实验的结果进行对比,证明水热耦合模型是正确的.最后以西藏自治区米林隧道为例,对温度场、水分场模拟分析并对是否考虑水分迁移的温度场进行对比.结果表明:随着时间的增加,隧道顶部边界气温由-0.82℃降低到-9℃,隧道内部边界温度由-0.74℃ 降低到-11.11℃,并在3月份隧道温度回升;含冰量峰值出现在1月份,在3月份含冰量开始下降.同时,未考虑水分迁移的温度场中热传导速度较快,证明相变潜热对隧道中温度场的分布影响远大于液态水靠重力迁移造成的热对流传热.研究成果直观反映富水寒区隧道的冻害发生过程,具有一定的参考价值.     

液氮冻结温度场均匀性实验液氮冻结温度场均匀性实验

针对液氮冻结过程中存在温度场分布不均匀的现象,采取在供液铜管上分段打孔及改变打孔方式和位置的方法,设计了四种供液管改进方案,并对这四种方案进行了模拟实验,分别分析其冻结温度场的均匀性和冻土发展速度,同时将改进方案与传统供液方式进行对比。结果表明,改进方案优于传统方案;四种方案中尤以方案三的效果最好,其管壁温度分布最均匀,冻土发展均衡且发展速度较快,液氮消耗量较少。这一研究结果为进一步解决液氮冻结均匀性问题提供了新思路。     

金属大变形过程中温度场的Abaqus模拟

基于Abaqus有限元仿真软件,在考虑到变形热、摩擦热和接触热等因素的情况下,建立了轧件内部温度场的数学模型和轧件空冷及水冷的数学模型,并利用实验获得的金属高温物性参数,对金属的大变形过程进行了有限元建模和仿真,模拟了金属变形过程中纵剖面的温度场分布及变化规律。模拟结果表明,在金属大变形过程中,金属表面的温度变化较大,且是非线性下降的,而金属内部温度变化较小,同时温度与变形量之间相互影响;在热变形过程中,不能忽视金属与环境温度的热交换,这在一定程度上影响着金属表面的温度分布情况;金属与外界发生热交换,交换的热量与外界温度和换热系数有关;金属的变形热对温度场的分布有明显的影响。