高压氢气射流火焰的数值模拟

高压氢气泄漏并发生点火是氢火灾事故的核心场景,也是氢安全研究的基本内容。该文对高压氢气泄漏后立即点火、延迟点火以及有防护墙存在时的延时点火3种场景进行了数值模拟仿真,分析了点火时间、防护墙对温度和超压的影响。结果表明:氢气泄漏后在喷口处立即点燃会形成射流火焰,该过程不会产生明显的超压;泄漏一段时间后再进行点火,将由点火中心产生压力波并向外传播,并随着与点火中心距离的增大,最大超压降低,燃烧稳定后形成的射流火焰与立即点火时基本一致;防护墙有效削弱了压力波及火焰向墙后方的传播,墙后方的超压及温度明显降低。因此,合理设置防护墙可以缩小危险范围,缩短安全距离。     

液气射流泵内部流场的数值计算

通过闪频仪观测,泵内部流动可分为分层流、液滴流和泡状流.为了简化模拟和计算,将计算区域分为部分喉管和扩散管两块.对液气射流泵喉管内部射流流动,建立抛物型流动方程组,采用控制容积法将方程组离散,并用TDMA法求解;对扩散管内部泡状流,采用双流体模型建立液气两相流方程组,混合有限分析法离散,压力耦合半隐式方法(SIMPLE)求解.数值模拟获得液气射流泵内部流速分布.计算预测的射流碎裂位置与试验观测结果一致;壁面压力分布计算值与试验值吻合较好,趋势相近.计算结果能够较好地反映液气射流泵外部水力性能,为液气射流泵的优化设计与运行提供参考.     

船舱油液泄漏入水模拟方法

为了准确计算船舶溢油事故发生时,油舱油液泄漏入水行为过程,比较了3种不同的油舱油液泄漏入水行为模拟方法,即极简化模型模拟方法、小孔射流模型模拟方法和计算流体动力学模型模拟方法。结合事故性船舶溢油实际情景,分析这些模拟方法的适用范围和局限性,并进行实验验证。实验结果表明:耦合复杂船体结构建模的计算流体动力学模型计算方法能更准确地模拟油舱泄漏入水行为。     

混氢天然气输气站场泄漏扩散数值模拟

将氢气混入天然气管网是目前世界上实现氢气大规模输送的最有效方式。氢气爆炸极限为4.0%~75.6%，上下限范围宽，且分子直径比甲烷小，极易泄漏，给输气站场带来很大隐患。针对多组分物系混氢天然气的泄漏，基于修正的二元扩散系数及热力学因子计算方法，计算了混氢天然气三物系Fick扩散系数矩阵，用来描述混氢天然气中各组分分子间相互运动的传质过程，以FLUENT为平台进行了CFD数值模拟分析，研究发现，混氢天然气泄漏后其扩散受到障碍物及风速等因素的影响；同体积混氢天然气与不含氢天然气泄漏，混氢天然气爆炸下限扩散半径更小；较低含氢量的混氢天然气泄漏后氢气组分爆炸区域仅限于泄漏点附近。研究结果可为站场内发生混氢天然气泄漏扩散提供预警和防护指导。     

快堆蒸汽发生器小泄漏氢扩散数值模拟

为了通过微氢泄漏探测系统正确判断快堆蒸汽发生器水 /水蒸汽小泄漏 ,建立了快堆蒸汽发生器水 /水蒸汽向钠泄漏后钠水反应产生的氢沿蒸汽发生器扩散的数值模型。假设为大孔隙多孔介质 ,模拟钠在蒸汽发生器内的流动 ,引入体积孔隙率 ,面渗透率和分布阻力来模拟管束、支撑板对钠流动的扰动。根据钠水 /水蒸汽反应生成的氢气和氢氧化钠在钠中离解动力特性 ,建立氢离子和氢氧根离子的扩散方程。钠回路蒸汽发生器的注水模拟水 /水蒸汽泄漏实验表明 :微氢泄漏探测系统对蒸汽发生器钠出口处氢浓度模型计算值的响应与其实测响应吻合的很好     

高压磨料水射流过程流场压力场数值模拟

利用计算流体力学方法对高压磨料水射流过程进行了数值模拟.应用拉格朗日随机轨道模型对固体颗粒的运动轨迹进行数值模拟,采用标准湍流模型对连续相流动进行数值模拟,得到连续相速度场和压力场分布.结果表明,颗粒直径是射流过程主要影响因素,改变系统压力和喷射靶距,可以为高压磨料水射流过程的研究提供有意义的途径.     

含有限速率化学反应火箭燃气射流流场的数值模拟

该文在归纳、总结、分析以往火箭燃气射流流场数值模拟的基础上，结合含有限速率化学反应火箭燃气射流流场的特有规律，利用推导的ＴＶＤ组合数值模拟算子，对某火箭燃气射流流场进行了数值计算。由于含化学反应流体的流动和单一组分混合流流动之间存在着较大的差异，特别是化学反应的存在在一定程度上影响了系统能量的改变，进而改变整个流场中的压力和温度分布，同时化学反应和激波之间的相互增强作用引发了流场中的异常压力和温度，结合数值模拟的结果，分析了产生这些现象的原因，并且和以往的计算结果进行了对比。     

叶尖间隙对民用大涵道比跨音速压气机性能的影响

以某民用大涵道比涡扇发动机高压压气机进口级为研究对象,数值研究了叶尖间隙对进口级高负荷跨音速转子叶片气动性能的影响。数值结果表明：随着叶尖间隙值增加,流量-压比与流量-效率特性线向左下方偏移,最大流量、最高压比、峰值效率逐渐降低;存在间隙对该跨音转子性能影响不敏感的范围值0mm~0.3mm;当间隙值大于0.3mm,最大流量的减小与间隙的增大呈现出近似的线性关系,最高压比和峰值效率急剧下降;间隙从0.3mm增加至1.0mm,转子总压损失增大了41%;叶尖泄漏流与通道激波相互作用,泄漏流穿过激波后在叶片压力面侧形成较大的高熵值损失区域,当叶尖间隙增大到1.0mm,泄漏流平行额线方向流动,使得贴近前缘的激波变得不明显;叶尖泄漏流对叶片通道主流的影响集中在叶高80%以上区域。     

基于边界层风洞的下击暴流稳态风场特性数值模拟

针对下击暴流稳态风场模拟问题,基于计算流体动力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD),首先分别采用二维、三维冲击射流模型对下击暴流风场进行数值模拟,对下击暴流风场特性进行研究.在此基础上,根据下击暴流对桥梁结构作用主要受水平风速影响的特点,采用二维数值模拟方法对边界层风洞中设置倾斜平板模拟下击暴流水平风速风场进行了研究.最后,设计并加工了边界层风洞下击暴流水平风速模拟试验装置,在边界层风洞中进行了下击暴流水平风速风场模拟试验,并将数值模拟结果与试验结果和已有文献结果进行了比较.结果表明:下击暴流风场的二维冲击射流模型模拟结果与三维冲击射流模型模拟结果吻合较好,即二维冲击射流模型是一种有效的下击暴流风场简化模拟方法;在边界层风洞中设置倾斜平板所模拟的下击暴流水平风速风场数值模拟结果和风洞试验结果具有较好的一致性,并与冲击射流模型数值模拟结果和现场实测结果均吻合较好,即在边界层风洞中设置倾斜平板可模拟下击暴流水平风速稳态风场特性.     

火焰聚心和激波聚焦诱导爆震波

对几种不同结构形式的爆震发生器进行了数值模拟,来研究激波聚焦和火焰聚心现象、气动特性及其机理。数值计算采用多组分理想气体详细的化学反应机理、二维轴对称非定常流动Navier-Stokes方程来模拟流体动力学和化学动力学过程。数值计算发现用较低的点火能量对射流火焰燃烧器中可燃混合物点火,层流火焰在狭窄管壁作用下加速,射流火焰在轴线上汇聚过程,有利于激波的加强。强激波加速火焰,在多重激波与火焰反复作用下,激波和火焰面之间出现热点,热点迅速放大并形成压力很高的过驱爆震波,而后衰减为稳定的爆震波,不同的激波聚焦腔爆震波的形成过程不同。对数值计算的结果分析得出了起爆距离和稳定爆震距离,为进一步试验提供参考。     

高压氢气储存系统泄漏的热力学模型

高压氢气储存系统泄漏的实验设计和模拟都需要了解泄漏过程中储罐内滞止参数随时间的变化以及泄漏出口处气流的物性。针对高压氢气从储罐泄漏的问题,本文建立了2种描述整个泄漏过程中滞止参数变化及出口流量变化的热力学模型:基于理想气体状态方程的理想气体模型和基于Abel-Noble状态方程的数值计算模型。这2种模型的计算结果基本一致。由于高压下气体的行为会偏离理想气体状态方程预测的结果,实际滞止温度和滞止压力的降低速度要大于理想气体假设下的降低速度。     

MINT法铝液入射角对除氢气泡分布的影响

基于我国在线除氢技术应用及研究现状,以在线MINT法中铝液精炼反应器为研究对象,采用欧拉-欧拉多相流模型模拟计算了反应器内精炼气体的分布状况. 多相流优化模拟中,选取三种铝液入射角度条件,进行混合流动数值计算和均匀性对比分析. 结果表明:随铝液入射角的变化,除氢气泡在铝液中的分布状况发生了明显改变;铝液入射角为45°,除氢气泡分布的均匀性较其他角度更佳.     

弯曲动叶对跨声速压气机转子气动性能与旋涡结构的影响

在验证数值可靠性的基础上,利用商业软件NUMECA对跨声速压气机动叶弯曲造型并进行三维数值模拟.结果表明:叶片弯曲变形改变了型面静压分布、三维激波结构以及通道内旋涡结构.反弯曲改型设计在保证稳定工作范围和总压比的前提下绝热效率得到了提升,其提升效果随着弯高、弯角而变化,最高达1.3%.正弯曲改型设计使得转子气动性能降低,且随着弯高、弯角的增大,其性能恶化趋于严重.反弯曲设计叶顶激波后移且激波强度减弱,叶顶前缘压差的减小使得泄漏流及泄漏涡强度大大降低;相反,正弯曲设计叶顶激波前移激波强度增强,且大的叶顶前缘压差加剧了叶顶泄漏流动及泄漏涡强度.     

气体离心机二维供料射流流场的数值模拟

为研究气体离心机供料射流的流动状况,采用数值求解二维Navier-Stokes方程组的方法对其进行了模拟,计算得到了不同供料角度下的流场分布.结果表明,供料射流对离心机流场在径向和轴向上的分布都有影响;供料角度为0°时,气体在轴向上反复膨胀、压缩,形成膨胀波和激波,对径向的影响较小;供料角度为45°和90°时,射流对轴向的影响减弱,对径向流动的影响显著增强.由计算结果可知,离心机环流的计算中应当对供料条件进行修正.     

激波反射对扰动界面湍流混合区影响的数值分析

发展三维可压缩多介质黏性流动和湍流流动的大涡数值模拟方法MVFT3D,对Poggi等人进行的重流体冲击加载轻流体激波管界面不稳定性实验进行数值模拟,通过Vreman SGS应力模型模拟小尺度运动对大尺度运动的影响,运用统计方法分析湍动能特征。计算结果显示,激波多次加载下扰动界面不稳定性及其诱发的湍流混合是一个非常复杂的发展演化过程,在反射激波第一次加载前湍流混合区宽度增长缓慢,湍动能按时间和空间的1.3次幂指数规律衰减,再加载后湍流混合区宽度非线性增长加快,湍动能强度迅速增强后再逐渐递减,而后期的流场则出现明显的气泡竞争现象。计算给出两次再加载的湍流混合区宽度与实验测试结果吻合,第一次再加载前湍动能随时间和空间1.3次幂指数衰减规律与Mohamed和Larue的研究结论一致。数值模拟再现了实验观察到的激波多次加载过程并描述了湍流混合区发展演化的基本物理特征,检验了数值方法和计算程序。     

气体离心机取料支臂附近流场的数值模拟

为研究气体离心机取料支臂附近的流动状况,数值模拟了取料支臂附近的流场。采用矢量分裂的有限体积法求解不同出流条件下的N av ier-S tokes方程。采用二阶总变差减小原理,捕捉激波,同时将支臂外部和内部的流动结合起来进行计算。讨论了激波和气体粘性对流场的影响。得到了不同取料情况下的流场分布图像。结果表明:所采用的计算格式很好地捕捉到了激波和边界层,验证了计算方法的有效性,为数值模拟实际离心机支臂附近的流动状况和支臂损耗的计算打下了基础。     

水下超声速气体射流的力学机制研究

介绍了对水下超声速气体射流的力学机制的实验研究. 在自行设计研制的实验系统里, 高压空气通过缩放喷嘴(拉伐尔)喷入一个3维水槽中. 射流在不同的工况下运行, 即过膨胀、适配和欠膨胀状态. 用一台CCD摄像机, 对射流流场进行了可视化. 实验发现, 超声速气体射流在水中的喷射, 总是伴随着很强的流体振荡, 而这种振荡与射流气相介质中的激波反馈现象有关. 对射流压力场进行了详细的测量, 证实了气相介质中的激波反馈现象. 但是, 这里讲的激波反馈不同于超声速气体射流在开放大气空间中释放时的声学反馈(声学反馈引起尖锐刺耳的声调). 它是这样一个过程：封闭在射流气袋中的激波引起射流内部的大幅度的、周期性的压力脉动; 然后, 压力脉动引起射流振荡, 包括大幅度气体膨胀现象的出现. 为了验证这种激波反馈现象, 我们对流场进行了详细的压力测量. 设计了三种压力测量装置, 即浸没在水中的压力探头; 在喷管装置侧壁上的压力测量; 在喷管装置前壁上的压力测量. 实现了对喷嘴下游、喷嘴附近以及喷嘴上游的压力测量, 而且各压力测量结果体现了很好的一致性. 研究表明, 射流的每一次振荡, 都引起一次压力的突然增加, 激波反馈的平均频率为5~10 Hz.     

超音速风洞扩压器激波串现象的数值模拟

超音速扩压器性能研究具有非常重要的工程实际应用价值。该文为加深对超音速风洞扩压器内流场结构的理解,采用Fluent软件对“收缩段等直段扩张段”型扩压器流场进行了数值计算,较好模拟了扩压器中由激波/边界层干扰诱导的复杂流场的流场特性,再现了流场中的“激波串”和“伪激波”现象,与文献结果吻合较好。并以比较精细的二维网格计算结果对激波串的形成机理和典型流动结构进行了分析,同时应用于实际工程,对某超音速风洞扩压器不同二喉道长度状态下的扩压效率进行了比较。     

流动环境中热水负浮力射流的近区数值模拟

在试验研究的基础上,应用基于RNG方法的考虑负浮力的作用的kε-湍流模型,,对流动环境中由于温差引起的平面热水负浮力射流进行数值模拟.计算采用了混合有限分析方法离散控制方程,物理变量采用交错网格布置,用SIMPLEC算法求解离散方程.计算得到的流速场、温度场与试验结果符合良好,表明该模型和方法可用于平面热水负浮力射流特性的预报.     

发动机冷却风扇叶顶间隙泄漏量计算公式的构造

为了提高发动机冷却风扇叶顶间隙泄漏量的工程计算精度,基于泄漏量测量和流动显示试验以及间隙内部泄漏流动过程分析,构造了带有导流环的风扇叶顶间隙泄漏流动模型。深入研究了在静压力50~250Pa下3种带有导流环的风扇叶顶间隙流动结构的泄漏特性,通过流动显示试验,测量得到了泄漏流的涡旋结构和叶顶泄漏涡的轨迹。在经典泄漏量Martine和Egli泄漏经验计算公式的基础上,通过引入动能载越效应修正系数,应用修正后的计算公式对泄漏量进行计算并与试验结果值做了比较。研究结果表明:改进模型的计算结果与试验结果值接近,基本吻合;可为改进和提高发动机冷却风扇的气动性能提供理论依据。