外环流气提式反应器液体局部动力学的实验研究和数值模拟

在外环流气提式气液反应器内,分别以空气和质量分数5%羧甲基纤维素（CMC）水溶液为气相和液相,对液相局部动力学进行了系统研究。应用电极示踪测试技术（ETM）测定了下降段液体速度;应用计算流体力学软件FLUENT 6.0对上升段的液体湍动能和湍动能耗散率进行了模拟计算。模拟结果表明：气体分布器对液体湍动能和湍动能耗散率有较大影响,液体湍动能和湍动能耗散率随表观气速的增大均增大,且液体湍动能呈现出较对称的波动模式。在低气速下,局部液体速率的模拟结果与实验数据吻合良好。     

城市街道内污染物扩散的数值模拟

随着我国城市汽车保有量的迅速攀升,城市中心区的空气质量与生态环境急剧恶化.利用CFD数值模拟研究街道峡谷污染物的扩散问题,对比分析了开放街道峡谷和城市街道峡谷污染物的扩散问题,证明了计算域和入流边界处湍动能k和湍动能耗散率ε取值的重要性.计算结果与经典风洞实验符合很好,证实了相同条件下城市街道峡谷的背风墙和迎风墙上的污染物浓度均大于开放街道峡谷的相应值.利用3维建筑群计算实例,指出了寻求建筑群优化布局对减小小区污染的重要性.     

间断界面上挥发性污染物传质研究

为研究间断界面动力学特性对挥发性污染物在间断界面上传质的作用,在 VOF 方法基础上,建立了忽略化学反应的挥发性污染物三维瞬态水气耦合迁移模型;在模型求解过程中,考虑水气大密度差的作用,提出全量限定离散格式。结果表明：乙醇溶液传质的数值计算结果与试验结果吻合较好;初始能量越高的水流,遇到障碍物后间断程度越高;间断程度的提高促进了挥发性污染物界面传质过程;高频水波带动空气中污染物迁移,空间上污染物浓度的波动频率随间断程度的增高而增高。     

泄洪洞出口扭曲斜切挑坎挑流数值模拟

采用RNGκ-ε湍流模型与VOF多相模型对扭曲斜切型挑坎进行水气两相流三维数值模拟,模拟了挑流水舌的空中形态,水舌挑距,水舌挑高,以及水舌速度分布、湍动能k与湍动能耗散率ε的分布情况.数值模拟成果与模型试验观测数据吻合良好,验证了该数值模拟方法的可靠性和合理性,可以为工程优化设计提供科学依据.     

青藏高原当雄地区湍流脉动耗散率特征研究

利用1998年第2次青藏高原气象科学实验（TIPEX）当雄地区观测站的湍流资料,分析了青藏高原中部地区湍流动能、温度脉动和湿度脉动耗散率的特征规律。结果表明,无量纲湍能耗散率φ_ε、无量纲温度脉动耗散率φ_N和无量纲湿度脉动耗散率φ_γ分别比风速梯度产生的能量、温度和湿度梯度产生的脉动约小20%,且随稳定度参数的绝对值的增加而呈增加的趋势;湍流输送和压力脉动项的影响贯穿于整个稳定度区间, 数值与z/L相联系。青藏高原中部地区湍流动能、温度脉动和湿度脉动耗散率的方程中系数与前人结果的差异,反映其对下垫面特征的依赖性。     

组合转子管式光生物反应器气液两相流混合特性模拟研究

通过Fluent流场分析软件对组合转子管式光生物反应器气液两相流混合特性进行模拟。以欧拉多相流模型、k-ε湍流模型为依据,分别对无内置转子光管、内置两叶片转子管、内置翼片转子管在多种倾斜角度下的速度云图、旋流数、气含率、气相速度、湍动能进行分析。结果表明：内置组合转子能够提高流体湍动程度,促进流体混合传质;翼片转子由于其特殊的结构能够显著增加管式光生物反应器中的气含率,提高气液两相间传质效果,传质效果相较于两叶片转子管和光管分别提高53.7%和26.5%;随着管路倾角由0°增大至90°,流体平均湍动能逐渐增加,内置组合转子后平均湍动能增加更加明显,与两叶片转子相比,翼片转子在0°和30°情况下混合传质效果更好。     

湍流模型和施密特数对街谷内污染扩散模拟的影响

选取不同的湍动施密特数,分别采用标准κ-ε模型和realizable κ-ε模型对孤立街道峡谷内的气流运动和污染物扩散进行了数值模拟.计算得到的气流速度场和污染物浓度分布表明,标准κ-ε模型和realizable κ-ε模型预测出极为相似的气流旋涡结构,即在峡谷内生成一个中心大致位于峡谷中央的顺时针大旋涡,并在此大旋涡的作用下污染物往峡谷的背风侧积聚.通过对比分析峡谷迎风面和背风面上的无量纲污染物浓度计算结果与风洞试验数据表明,湍动施密特数的改变并不影响计算空气流场,但改变污染物扩散方程中的湍动扩散率,增大湍动施密特数将减弱污染物的湍动扩散作用,使得峡谷顶部污染物外溢减少,从而导致峡谷内的污染物浓度计算值增大;只要给定合适的计算参数,标准κ-ε模型和realizable κ-ε模型均能预测出峡谷内的污染物扩散分布,标准κ-ε模型合适的湍动施密特数为0.4～0.6,而realizable κ-ε模型则为0.3～0.5;当取湍动施密特数为0.7(Fluent软件系统中的默认值)时,标准κ-ε模型的计算精度高于realizable κ-ε模型的计算精度.     

高速圆射流中典型非球形颗粒的扩散特性

低氧稀释(moderate and intense low-oxygen dilution,MILD)燃烧具有传热均匀、 NO_x污染物排放低的特点。新一代MILD煤粉燃烧技术主要通过高速射流引起强烈的湍流混合来实现。其中,煤颗粒在高速射流中的扩散行为非常关键。目前对球形颗粒在气固射流中扩散行为的研究已非常深入,然而化石燃料属于典型的非球形颗粒,其在射流中的扩散行为与球形颗粒具有一定的差异,该类非球形颗粒在高速射流下的扩散特性值得进一步研究。为此,该文采用玻璃珠、玻璃渣和煤粉等颗粒开展了宽Re范围下的高速两相圆射流实验,通过激光Doppler相位分析技术(phase-Doppler anemometry,PDA)获取并分析了颗粒的质量浓度、速度及湍动能分布随球形度、粒径以及射流速度的变化规律。结果表明:非球形颗粒在射流中的质量浓度、速度、湍动能分布与粒径较小的球形颗粒具有一定相似性,但其扩散行为不能仅通过Stokes数进行定量表征,除曳力之外,升力对非球形颗粒扩散也具有一定影响;与球形颗粒相比,非球形颗粒的扩散更为显著,其主要原因是其径向湍动能显著增强所致;射流速度的增加促进了颗粒的剪切层集聚和径向扩散,对非球形颗粒的促进作用更强。     

基于多相质点网格法的大气污染仿真模拟

为了准确估计不同风速条件对单点源排放的污染物浓度时空分布、粒子抬升高度、污染物扩散范围产生的影响,本文使用以多相质点网格方法（Multi-Phase Particle-In-Cell,MP-PIC）为基础的拉格朗日粒子追踪模型对污染物扩散进行大涡仿真模拟。结果表明:低风速下,受污染源阻挡作用,污染源周边形成方柱绕流现象,污染物在下风方向分裂为两股,污染物随湍流作用在计算域内波动,且计算域内分裂状况始终存在。随着风速的增大,污染物分裂情况逐渐消失,且污染物扩散范围、粒子最大抬升高度随风速增大而减小。风速为2 m·s-1时,分裂的两股污染物之间距离为5-20 m,流场稳定时下风向1 000 m至1 300 m污染物最大数浓度为70-87个·m-3;风速为5 m·s-1时,分裂的两股污染物距离为2-10 m,流场稳定时下风向1 000 m至1 300 m污染物最大数浓度为212-300个·m-3;风速为10m·s-1时,分裂情况消失,流场稳定时下风向1 000 m至1 300 m污染物最大数浓度为407-502个·m-3。     

PM2.5浓度湍流特征和通量获取的实验研究

利用PM_2.5质量浓度测量仪E-Sampler的1 Hz高频采样功能, 采用涡动相关法, 计算山东省德州大气环境实验站2018年12月27日至2019年1月7日多次污染事件的PM_2.5浓度脉动和湍流通量, 探讨PM_2.5浓度湍流特征。结果表明, 实验观测期间PM_2.5浓度湍流通量均值为0.026 μg/(m²·s); 不同污染过程中PM_2.5浓度湍流通量传输方向不同, 表明不同污染过程的污染源汇属性不同。随着湍流统计特征量(如湍流动能、水平风速标准差、垂直风速标准差、水平风速、动量通量和感热通量)增大, PM_2.5湍流垂直通量呈现指数型减小的趋势, 即先急剧减小, 然后随各变量的增长变化不大。随着PM_2.5浓度增大, 其湍流通量绝对值呈现增加趋势, 因此PM_2.5浓度湍流通量的大小与PM_2.5浓度和湍流强弱有关。不稳定条件下, PM_2.5浓度归一化标准差与稳定度参数ζ = z/L 遵循-1/3幂次关系, 即 σ_c/C_* = 6.7(-ζ)^-1/3; 稳定条件下, 实验结果相对离散。另外, PM_2.5浓度脉动方差谱曲线在高频段满足-2/3幂指数率, PM_2.5浓度脉动与垂直速度脉动的协方差谱曲线在高频段满足-4/3幂指数率。研究结果表明, 利用E-Sampler的PM_2.5浓度1 Hz高频采样功能可以得到连续且有效的PM_2.5浓度湍流通量。     

车身单一非光滑表面与双表面耦合的减阻效果

将凹坑型非光滑表面分别布置在汽车工业研究协会(MIRA)给出的直背式模型的顶部和尾部,研究顶部非光滑和尾部非光滑单独作用时的减阻效果,并通过耦合的方法,研究顶部和尾部共同作用时的减阻效果.通过CFD数值计算方法,得出模型的尾流、压力、剪应力以及湍动能等参数,对比模型在不同形式下的减阻效果,并分析减阻原因.研究结果表明:凹坑型非光滑表面能减小模型尾部负压,从而减小压差阻力,并降低湍动能,减小能量耗散;顶部和尾部非光滑的耦合作用略强于单独作用,但小于两者之和.     

西昌市环境空气质量气象影响因素的分析研究

利用西昌市2012—2014年气象资料和空气质量资料,采用统计学方法对西昌市气候背景、地面和高空风场特征、污染系数、大气稳定度,风速、风向、稳定度联合频率进行分析,结果表明:全年的大气稳定度均以中性为主,不影响空气团做垂直方向运动,对大气污染物的扩散无明显影响;西昌市全年污染系数均以偏北风(以N和NNW为主)最大,偏南风(以SSW为主)次之,偏西风和偏北风最小,西昌市出现空气质量时好时坏的现象;整个冬季地面静风频率较高,达82%～85.4%,地面主导风向以偏南风和偏北风为主,各高度上风速最大值均出现在SSW方向上,各层风速均随高度增加而增大;地面静风是造成西昌市污染的主要原因,地面静风频率大时污染率越大,空气质量越差;由于污染源的位置关系,地面主导风向为偏南风时也是造成污染的重要原因,并以此为相关部门提出建议。     

浆料鼓泡塔内吸附剂微粒增强气液传质的研究

为了考察吸附剂微粒对气液传质的增强,研究了浆料鼓泡塔内异丙醇-水/4A分子筛和叔丁醇-水/分子筛浆料系统内吸附剂微粒对气液传质的过程.考虑液相返混及气液两相间传质,建立了浆料鼓泡塔内气液传质模型,数值求解该模型,数值模拟计算结果与实验结果吻合较好.考察了系统中加入吸附剂微粒后,不同固含率对不同平均粒径下增强因子的影响及粒径对液相传质系数的影响.结果表明,吸附剂微粒的加入使气液传质得到增强.固含率增加,气液传质增强,当固含率超过4%后,气液传质的增强变得缓慢.微粒的粒径越小,对气液传质增强越大.     

大单宽流量岸边溢洪道水力特性三维数值模拟

采用κ~ε双方程紊流模型模拟了带掺气槽岸边溢洪道具有大曲率水气交界面的水流流场,给出了溢洪道溢流堰、泄槽及挑流鼻坎的压力分布、流速分布等水力特性并对掺气槽掺气特性进行了定性分析.其中部分结果与模型试验结果吻合良好.对连续式和差动式两种不同坎型挑流鼻坎消能效果进行对比,给出各自预挖坑底板紊动能分布,结果表明多股水舌消能效果优于单股水舌,可为挑流坎型优化设计提供参考.     

黄海潮流底边界层内湍动能耗散率与底应力的估计

利用高频流速仪ADV在青岛外海潮流底边界层内一个周日(25h)定点连续观测的三维流速资料,计算并分析了秋末冬初潮流占优的陆架浅海潮流底边界层内湍动能耗散率和底应力的特征及其潮内变化.结果表明:(1)秋末的黄海,在一个周日内湍动能耗散率与底应力的变化范围分别为1.8×10-8—3.4×10-5W.kg-1与6.6×10-4—7.5×10-1N.m-2,表明在底边界层内存在着很强的能量耗散,且湍动能耗散率与底应力在潮内的变化都非常显著;(2)在充分混合的潮流底边界层内,湍流主要由海底流速剪切生成,湍动能生成与耗散基本处于局地平衡状态;(3)对于半日潮流占优的海区,湍动能耗散率与底应力都具有明显的四分之一周日的变化规律;(4)观测期间,海底以上0.45m处的拖曳系数的平均值Cd(0.45)为0.0017(对应于海底以上1.0m处的拖曳系数的平均值Cd(1.0)为0.0015),但拖曳系数存在着显著的变化(变化范围为0.0005—0.0082);平均的海底粗糙度为2.8×10-5m.     

吸附性微粒增强气液传质的一维非稳态非均相模型

为研究吸附性微粒对气液传质的增强机理，基于渗透理论，考虑微粒的吸附性，建立了吸附性微粒增强气液传质模型，并通过求解模型讨论了加入吸附性微粒后液相物性的改变、微粒到气液界面的停留时间以及微粒的粒径对气液传质的影响．结果表明，离气液界面越近，粒径越小，微粒的吸附能力越大，增强因子越大；在相同的固体含率和固液分配系数下．增强因子随微粒在气液界面停留时间的增加而增加，但是当停留时间超过一定值后，随着停留时间的增加，增强因子下降．考虑表观黏度的影响，在质量固含率小于4％时，随着固含率的增加，增强因子增加，当固含率再增加，则增强因子减小．研究表明，在液相中加入吸附微粒，对气液传质有明显影响．     

不同送风方式对空调房间内污染物质量浓度分布的影响

目的研究不同送风方式对空调房间内污染物的扩散影响,确定有利于消除污染物的送风方式,改善具有污染源的办公室的空气品质,为设计合理的空调系统提出建议.方法采用Airpak软件模拟了4种不同送回风方式、3种不同送风量和3种不同污染物散发量,通过模拟得到所选取不同位置的污染物的质量浓度,分析污染物质量浓度的分布特点,得出不同送风方式和不同污染物散发量下室内污染物质量浓度的分布情况.结果比较得出顶送侧回的送风方式比其他3种送风方式除污效果好,送风量的增加使污染物质量浓度明显降低,但是要控制在合适的风速范围内.减小污染物的排放量也使室内污染物的质量浓度明显降低.结论采用顶送侧回的送风方式,在一定风速范围内增加送风量即增加送风速度可降低室内污染物质量浓度.     

折板型竖井湍流耗散及消能机理分析

为了研究泄流过程中折板型竖井的湍流耗散特性及消能机理,对9种不同体型的竖井开展水力模型试验与数值模拟,分析不同流量下竖井内湍动能、湍动能耗散率和水动力荷载分布规律,建立折板消能计算模型,探究竖井消能机理.结果表明:折板间距过密或过疏均不利于竖井的泄流和消能,在设计流量下竖井内的流态为自由跌水流时,对应的最小折板间距为最优结构设计;10°折板倾角可提升竖井的消能效果,并减小折板上水动力荷载;建立的折板消能计算模型可较为准确地计算自由跌水流态下的消能率;竖井消能方式分为入口消能、折板消能和井底消能,不同流量下各种消能方式的能耗占比不同,小流量时以折板消能为主,随着流量的增加,入口消能和井底消能的能耗占比随之增大.     

基于k-ε模型的剪切流中湍流动能衰减规律研究

分别从理论推导和数值模拟的角度,分析了剪切流中湍流动能的衰减规律.通过简化湍流变量输运方程,采用Matlab求解了使用标准k-ε模型计算剪切流时湍动能在不同高度处的数值解,通过fluent数值模拟,验证了理论数值解,并与均匀流中的数值模拟结果进行对比,分析了在剪切流中入口湍流强度和湍流黏性比、来流速度梯度和输运方程扩散项等对湍流变量衰减的影响规律.结果表明:剪切流中存在湍流动能衰减;入口湍流强度对湍流变量输运方程生成项的影响较大,湍流黏性比对湍流变量输运方程生成项的影响较小;当入口湍流强度相同时,入口湍流黏性比越大,湍动能衰减的越快,来流速度梯度对湍动能衰减的影响越小;当入口湍流黏性比相同时,入口湍流强度越大,湍动能衰减的越慢,来流速度梯度对湍动能衰减的影响越大.     

基于主成分分析法的京津冀空气质量研究

针对京津冀空气质量问题,利用SPSS软件,建立主成分分析的数学模型,提取主成分,得出影响京津冀空气质量水平的三大污染物是NO_2,SO_2,PM2.5.高斯点源模型计算出每小时分散在相同空间位置的污染物的浓度和,得出该点上的污染物浓度;多污染源扩散模型利用坐标变换的方法和GIS技术,模拟污染物扩散,实验结果表明,污染物减少的浓度越大,污染梯度变化越大.