燃烧法合成二氧化钛纳米颗粒的数值模拟

为了解火焰法合成纳米颗粒过程中流体力学和颗粒动力学作用过程,利用CFD商业软件FLUENT模拟了在湍流扩散火焰中合成TiO2纳米颗粒的过程．模型在没有考虑先驱物TiCl4反应的情况下,计算了在燃烧室内的速度场和温度场．假设当气体温度超过一定数值后,所有先驱物分子迅速转化为TiO2单分子;引入Kruis的颗粒动力学模型对产物颗粒直径、比表面积等进行了预测,研究了不同的火焰结构对其性质的影响,并分析其形成原因．结果表明颗粒的烧结特征,即温度是影响一级颗粒及聚集块尺寸的关键因素;火焰温度越高,聚集块中一级颗粒的数目增长得越快,出口处一级颗粒及聚集块的尺寸也就越大．     

试气测试用燃烧池天然气燃烧数值模拟

天然气试气测试过程中传统燃烧池存在墙体拉裂和熔化的安全隐患,且无法满足长时间的放喷燃烧要求。选择合适的燃烧模型对多个工况下天然气放喷燃烧进行了数值模拟计算,分析了燃烧池的尺寸、入口流量和壁面材料的导热系数等对燃烧池壁面温度、流速分布的影响。结果表明：固定喷管位置时,燃烧池尺寸和入口流速对燃烧池壁面最高温度和温度分布影响较大;导热系数变化对内壁温度变化影响较小,但对高温区分布影响很大。研究结果可供耐火材料的筛选及燃烧池的优化设计参考。     

基于数值模拟的热风炉燃烧模型

以首钢迁安2号高炉热风炉为研究对象,采用数值模拟的方法求出不同操作条件下拱顶温度以及燃烧效率,并求得正确表达空气预热温度、煤气流量、空燃比以及煤气成分与拱顶温度和燃烧效率关系的数学模型.该模型在满足拱顶温度约束的条件下,以热风炉燃烧效率为优化目标,得到热风炉的最佳操作模式.     

偏二甲肼池火灾热动力学特性数值模拟

为探究偏二甲肼池火灾热动力学特性,对无风和有风环境下的偏二甲肼池火开展了系列数值模拟。讨论了无风时油池尺寸(1m~9m)对火焰结构、轴向及横向温度分布和辐射热流密度等热动力学特性的影响,有风时偏二甲肼池火热动力学特性随环境风速(1m/s~4m/s)变化的规律。结果表明：无风环境下,随油池边长增大,偏二甲肼池火火焰高度由2.67m增大至13.22m,火焰最高温度从1006.23℃逐渐增大到1160.92℃,横向辐射热流密度随距离增大而减小;有风环境下,风速从0 m/s增大至4 m/s的过程中,池火火焰高度减小,火焰倾角从0°逐渐增大到82.3°,轴向温度分布规律在风速达到1.5 m/s后变为单调下降,下风侧温度及辐射热流密度由于火焰倾斜显著增加;拟合得到可准确预测无/有风环境下火焰高度、火焰倾角及横向辐射热流密度的工程关联式,偏差均在15% 以内。     

循环流化床锅炉焦炭颗粒燃烧机理研究

以循环流化床锅炉飞灰为研究对象,分析了飞灰的粒径和含碳量分布,并利用扫描电子显微镜观察了不同粒径飞灰的微观形貌。结果表明,循环流化床锅炉飞灰中碳的质量分数最高的区域分布在38~58μm、90~120μm和大于150μm的粒径段,具有峰值特征;且循环流化床锅炉焦炭颗粒的燃尽与燃烧室温度、颗粒的孔隙结构及旋风分离器的性能关系密切。     

颗粒增强复合材料热性能的数值模拟研究

利用C语言编写了能生成随机分布的颗粒增强复合材料几何模型的程序,结合MSC商用有限元软件分析了颗粒的体积分数、大小以及分布形态对颗粒增强复合材料热学性能的影响。结果表明:颗粒的分布形态对材料的热膨胀变形及热传导无明显影响,但对热应力有很大影响;颗粒的大小对材料的热膨胀有一定影响;颗粒体积分数的影响和利用混合律的预测结果基本一致。     

基于流场数值模拟的多级泵转子动力学分析

根据多级泵零件二维图,应用Pro/E软件对转子系统主要部件进行实体建模,采用FLUENT软件对多级泵内部流场进行数值模拟,分析了轴向力及径向力随不同工况的变化情况,基于ANSYS软件对转子系统施加静力载荷,进行静力学、谐响应和瞬态动力学等分析.结果表明:转子系统在第1阶临界转速下的安全区运行,转子系统的振幅与转速变化呈...     

二甲醚均质压燃燃烧化学反应动力学机理数值模拟

应用单区燃烧模型对二甲醚(DME)均质压燃燃烧(HCCI)的化学反应动力学过程进行了数值模拟研究.通过分析在内燃机压燃燃烧边界条件下DME燃料氧化反应过程中的关键基元反应速度、关键中间产物以及自由基的浓度随曲轴转角的变化,得到了DME燃料燃烧氧化的反应途径.结果表明,DME燃料均质压燃燃烧具有明显的两阶段放热特性,即低温反应放热和高温反应放热;燃料脱氢产物的两次加氧反应是低温反应发生的关键;脱氢产物的第一次加氧反应转向脱氢产物的裂解反应是高温反应的主要途径.DME低温反应阶段的主要氧化产物包括甲醛(CH2O)和甲酸(HOCHO).     

基于颗粒流的页岩热致裂缝形成机制及数值模拟

基于离散元构建考虑页岩层理特征的颗粒流模型,进而改进微观参数标定方法并对页岩颗粒流力学模型微观参数进行系统标定,利用页岩颗粒流热力耦合模型研究加热方式、天然微裂缝及围压对页岩热致裂缝演化的影响。结果表明：100℃下即可产生热致裂缝,裂缝的宽度和数量随着温度的升高在不断增加后保持稳定;天然微裂缝的倾斜度对热致裂缝扩展存在影响,倾斜角度增大,页岩热致裂缝的延伸性变弱;围压在10 MPa以下促进页岩热致裂缝生成,10 MPa以上抑制热致裂缝的生成。     

基于随机孔模型的单颗粒多孔焦炭富氧燃烧特性

针对多孔焦炭颗粒富氧气氛中燃烧时,反应气体在颗粒孔结构中的扩散传质,内外表面上氧化还原的化学反应,孔隙结构变化等这些过程的分析,建立了以改进的随机孔模型为基础的物理和数学模型。研究了在不同浓度、温度下焦炭颗粒燃烧时,孔内化学反应速率、反应气体内扩散浓度和颗粒转化率等参数随内径的变化特性。结果表明,在研究工况的过渡控制区(1 200 K),氧化反应速率比还原反应速率高达3个数量级,随着氧浓度的增加,颗粒内部转化率变化率的拐点内移。     

金纳米颗粒烧结的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了不同尺寸Au纳米颗粒在烧结过程中晶型转变及烧结颈长大机制.研究发现纳米颗粒的烧结颈生长主要分为两个阶段:初始烧结颈的快速形成阶段和烧结颈的稳定长大阶段.不同尺寸纳米颗粒烧结过程中烧结颈长大的主要机制不同:当颗粒尺寸为4 nm时,原子迁移主要受晶界(或位错)滑移、表面扩散和黏性流动控制;当尺寸在6nm左右时,原子迁移主要受晶界扩散、表面扩散和黏性流动控制;当颗粒尺寸为9 nm时,原子迁移主要受晶界扩散和表面扩散控制.烧结过程中Au颗粒的fcc结构会向无定形结构转变.此外,小尺寸的纳米颗粒在烧结过程中由于位错或晶界滑移、原子的黏性流动等因素会形成hcp结构.     

基于多次喷射的柴油机燃烧过程数值模拟

为了研究多次喷射对4190Z_LC船舶中速柴油机缸内燃烧和排放性能的影响,设计了四种喷射方案:方案一为2次等量喷射;方案二为3次喷射;方案三为2次预喷射加1次主喷射;方案四为5次预喷射加1次主喷射。利用AVL FIRE软件进行了数值模拟。数值模拟结果表明,采用多次喷射可以有效改善柴油机的燃烧过程,降低NO_x的排放量,特别是方案四,额定工况下,NO_x的排放量仅为原机的70%。     

基于并行计算的湍流燃烧流场数值模拟研究

首先研究了数值模拟系统的主要体系结构并分析了并行计算基本原理,然后使用计算流体力学平台OpenFOAM建立湍流燃烧流动数值模拟系统并使用该系统在特定的燃烧室网格环境下对煤气和空气湍流射流扩散燃烧进行数值模拟。模拟实验结果表明:系统能够较好地展示煤气和空气湍流燃烧流动的反应特性,验证了系统设计的合理性,而且通过使用并行计算技术后发现计算速度也明显加快。     

基于随机孔模型下的单颗粒多孔焦炭富氧燃烧特性

针对多孔焦炭颗粒富氧气氛中燃烧时,反应气体在颗粒孔结构中的扩散传质,内外表面上氧化还原的化学反应,孔隙结构变化等这些过程的分析,建立了以改进的随机孔模型为基础的物理和数学模型。研究了在不同浓度、温度下焦炭颗粒燃烧时,孔内化学反应速率、反应气体内扩散浓度和颗粒转化率等参数随内径的变化特性。结果表明,在研究工况的过渡控制区(1 200 K),氧化反应速率比还原反应速率高达3个数量级,随着氧浓度的增加,颗粒内部转化率变化率的拐点内移。     

基于液体静压支承转台的动力学分析与数值模拟

根据实际工程中的液体静压支承系统,将油膜力简化为弹簧支承,建立了工作转台的有限元模型,对工作转台的动力学特性进行了分析。通过数值模拟,研究了单个油腔供油量相同和总供油量不变两种状况下,油腔数目对液体静压支承工作转台振动频率的影响。保持各个油腔供油量相同,在一定的供油范围内,不同油腔数目的液体静压支承工作转台的振动频率随着油腔数目和单个油腔供油量的增大而增大,且这种增大是非线性的。保持总供油量不变,且油腔数目较多(大于6)时,可以不考虑油腔数目对工作转台低阶振动频率的影响。这对进一步研究液体静压支承系统整体的动力学特性提供了一定的理论依据。     

电站锅炉燃烧过程数值模拟的收敛性分析

对电站锅炉燃烧过程数值模拟的收敛性进行了详细的分析 .研究表明 :燃烧过程所有控制变量的残差是随迭代次数震荡减小的 .在燃烧迭代的初始阶段 ,残差的下降较快 ;之后 ,随着迭代次数的不断增多 ,残差的降幅减小 ;最后 ,各变量残差会随迭代过程的进行呈现出周期性的变化 ,即计算残差的平均值趋于定值 ,这时 ,在残差的一个震荡周期内的模拟速度、紊动能和温度等参数变化很小 ,燃烧计算有可能假收敛 ,在这种情况下 ,如果将迭代继续下去 ,假收敛的计算参数会随迭代次数缓慢变化 ,只有当迭代次数足够多时 ,即计算次数大于某一个大数后 ,锅炉燃烧计算的速度场、紊动能场和温度场等参数不再随迭代次数变化而变化 ,燃烧计算才达到收敛 .     

基于不规则颗粒的砾岩力学性能数值模拟研究

砾岩非均质性强,力学性质复杂。本文基于离散元方法,使用三维激光扫描技术获取了真实砾石的颗粒形态,建立了含不同粒径颗粒的砾岩三维数值模型。基于此数值模型开展单轴抗压模拟实验,将实验结果与均质数值岩心对比,分析了砾岩破坏形式和规律,讨论了颗粒粒径大小和颗粒形态对砾岩力学性质的影响。结果表明:在加载过程中,由于砾石颗粒的阻碍,裂缝需绕过砾石颗粒逐步贯通,从而导致岩样的位移和破坏形式较为复杂,没有形成与均质岩心类似的剪切带。在加载初期裂纹数目少、增加缓慢,在应力峰值附近裂纹数量迅速增加,岩样瞬间破坏,表现出较为明显的“鼓涨”效应。砾石颗粒粒径对砾岩的破坏机理和形式影响不明显,但随着粒径的增加,砾岩单轴抗压强度和弹性模量降低。相对于圆形颗粒,基于真实砾石颗粒形态的数值模型,能够模拟砾石间的摩擦力,拥有更高的强度,能更好的反应砾岩力学性质。     

热载荷作用下颗粒增强复合材料温升分布数值模拟

对在严酷太空环境中服役的航天器而言,高低温交变是严重影响颗粒增强复合材料性能的关键因素之一.热载荷将造成材料表面和内部温升发生变化,进一步导致材料产生热变形和热应力,严重影响材料的力学性能.颗粒增强复合材料中,增强体具备与基体材料不一样的热传导属性,且分布不规则,使得热量在复合材料中的稳态热传导以及温升分布规律极其复杂.论文基于等效夹杂方法,提出一种求解分布热载荷作用下复合材料温升分布场的数值分析方法,并利用共轭梯度法和快速傅里叶变换法提升数值分析方法效率.分析结果表明,颗粒增强体形状、大小、位置和热传导属性对颗粒增强复合材料内部温升分布有着显著影响.     

颗粒材料力学特性的数值模拟

针对颗粒介质特殊的力学特性,研究了二维颗粒堆积体中力的传递与分布,应用离散元理论建立数值模拟模型,并计算了堆积体中的接触力.结果表明,计算结果与物理试验现象较为吻合,在模拟中同时反映了颗粒介质中的拱效应和双峰现象.     

太阳能热发电用高温相变蓄热器的数值模拟

对采用单级相变材料(PCM)蓄热的太阳能热发电用高温相变蓄热器的蓄热过程进行了数值模拟。得到了采用单级蓄热时熔化过程中PCM温度和液相率随时间的变化曲线及不同时刻液相率的分布云图。通过对曲线和云图的分析,在保证蓄热量的前提下,提出了采用3种PCM级联蓄热的高温相变蓄热器的设计方案,并对其蓄热性能进行了模拟。结果表明,采用级联蓄热的方案减小了蓄热的总时间,且有效地降低了单级蓄热末期"死区"对蓄热性能的影响,使PCM的液相率分布更加均匀,为太阳能热发电用高温相变蓄热器的优化设计提供了理论依据。