运输类飞机货舱烟雾扩散数值模拟研究杨建忠,魏益祥,杨士斌,陈希远

本研究参考美国联邦航空管理局(FAA)所做货舱烟雾扩散实验,使用技术成熟且功能强大的计算流体力学(CFD)技术,建立了货舱烟雾扩散模型,对温度场和燃烧生成物包括CO,CO₂,SMOKE(烟灰)进行数值模拟,具体表现为：使用三维软件建立了货舱几何模型并用前处理软件进行了网格划分;完成了数学模型;对火源编写了源项用户自定义函数(UDF)加入FLUENT。确定了仿真与实验的对比指标,对相应云图进行了分析,并将模拟结果与FAA所做货舱烟雾扩散实验结果进行比对。比对通过后,得到了经过实验验证的CFD模型。为下一步对货舱烟雾探测系统进行数值模拟,进而协助烟雾探测系统适航审定做好了准备。     

基于FDS的运输类飞机货舱烟雾探测试验方法研究

运输类飞机货舱烟雾探测试验采用烟雾发生器产生模拟烟雾的方式来进行,为科学合理地验证货舱烟雾探测系统的有效性,开展货舱烟雾探测试验方法研究。首先采用火灾动态仿真（fire dynamics simulator,FDS）对美国联邦航空管理局（Federal Aviation Administration,FAA）开展的货舱火灾试验进行火灾烟雾数值模型验证;然后,以某型运输机货舱为模型进行建模,采用经验证的烟雾数值模型进行不同发烟位置、货舱通风/不通风、不同货舱环境压力等条件下货舱烟雾扩散规律研究和烟雾探测器对烟雾的响应研究。结果表明：当火源位于8位置时,烟雾探测系统响应时间最长,该处为最严苛火源位置;舱内烟雾扩散情况受货舱通风条件影响很大,通风条件下烟雾探测系统报警时间比无通风条件下长;货舱环境压力越低,货舱顶部的烟雾扩散范围越大,有利于烟雾扩散,烟雾探测器告警越短。最后,根据实际货舱烟雾探测试验条件,从烟雾量大小、试验工况、发烟设备、发烟位置点选择等方面设计该型飞机货舱烟雾探测试验方法。     

飞机货舱烟雾扩散受烟源温度影响的研究

目前的事故统计数据表明飞机烟雾事件发生概率大于1/10 000,因此有必要关注烟雾探测系统的符合性及其适航审定过程。基于CFD软件,研究不同烟源温度对烟雾扩散规律的影响。由仿真结果得出不同烟源温度造成热羽流浮力与颗粒之间的作用力有很大差距,影响了飞机货舱内的烟雾扩散与烟雾探测时间。     

水力旋流器内部流场模拟分析与PIV验证

以直径为140mm水力旋流器作为研究对象,采用计算流体力学(CFD)技术对旋流器内部流场进行数值模拟,并对所建立的模型进行激光粒子图像测速(PIV)实验验证。基于数值模拟和实验结果,分析了旋流器内部压力、切向速度、轴向速度和径向速度的分布。利用PIV技术对旋流器内部流场进行测量,考察了不同入口速度下旋流器圆柱段区域瞬态速度场。通过对比数值计算与测试结果表明:CFD模拟可以有效预测水力旋流器内部流场分布,帮助探索旋流器内的流动状态和分离机理;利用PIV技术测量旋流器内部流动特性和速度分布,其测量结果与CFD计算结果吻合良好,验证了数值模型的准确性。     

油船装货过程液货舱气相区油气场数值模拟

油船装货过程中液货舱油品蒸发到气相区形成油气场,油气场中油气体积分数分布规律关系着装货作业的安全。通过建立更符合实际的三维模型,并对CFD(computational fluid dynamics)软件进行二次开发,将基于VOF(volume-of-fluid)模型、膜理论与菲克定律提出的传质模型与CFD软件相结合,模拟油船液货舱装货过程舱内油气场的变化,并利用试验数据对模型的数值模拟结果进行验证。结果表明:该模型数值模拟结果与模型试验数据吻合较好,验证了数学模型及数值方法的准确性;装货过程液货舱油气场的油气体积分数呈波浪状分层状态,油气体积分数梯度在竖直方向缓慢减小;随着装载率增大,油气场对流强度先增强而后减弱,并在对流较强时,油气场形成一个明显的涡;透气口排出油气体积分数、油气总量随油品装载的进行不断增大,在装载率为70%时,增长明显。     

飞机货舱烟雾探测系统功能试验中烟雾量大小研究

根据中国民用航空规章第25部《运输类飞机适航标准》(CCAR-25-R3)相关条款的要求,烟雾探测系统必须在起火后1 min内,向飞行机组给出目视指示。然而条款中未明确给出烟雾探测系统试验中所用烟雾量的大小。如何科学、合理的确定烟雾探测试验中烟雾量的大小是烟雾探测系统合格审定试飞的关键。通过搜集资料,梳理了国外对于发烟材料以及烟雾量大小的研究方法;通过借鉴空客公司烟雾探测试验烟雾量大小的确定方法,在实验室中对某型货舱烟雾探测系统功能试验中的烟雾量大小进行了研究,为该货舱烟雾探测系统功能飞行试验铺平了道路。     

基于CFD的海底管道油气泄漏扩散模拟分析

针对海底管道泄漏后的油气扩散特性进行了数值模拟研究。建立了海底管道上部区域的泄漏扩散模型,利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对该模型进行了油气泄漏后的扩散模拟,并定量分析了泄漏物扩散距离。模拟结果表明:该模型及模拟方法能够在一定程度上反映油气泄漏扩散真实情况,且随着含气率增大,大油滴越易破碎成大量的小油滴,溢油扩散范围更广;随着泄漏速度增大,溢油横向漂移距离逐渐增大,且变化接近线性分布;海流速度对溢油的横向漂移有直接影响,随着海流速度增大,溢油的射流高度不断减小。     

基于重叠网格方法的襟翼舵水动力性能的数值模拟与分析

CFD技术的高效利用是当前船舶设计领域的重要课题,而可靠的数值模拟方法能更好利用CFD技术进行舵的优化设计。本文以生成更高质量的计算网格、建立更合理的襟翼舵水动力性能数值模拟方法为研究目的,以"CSSRC舵"为研究对象,采用重叠网格方法构建襟翼舵网格模型,利用针对船舶设计的自主开发软件OSHIP进行数值计算方法研究;通过模型构建、收敛性分析和数值计算,最终建立了可靠的襟翼舵水动力性能数值模拟方法。该方法数值计算结果与实验数据的相对误差在6%以内,表明该方法可靠合理,且更为简便,可应用于对襟翼舵优化设计的后续研究。     

基于混合数值方法的压气机离散噪声计算及分析

为快速估算轴流压气机离散噪声的远场声压级,采用计算流体力学(CFD)方法,对带有出口导流叶片的单级压气机进行非定常内流场数值研究,根据流场结果分析了压气机离散单音产生的位置和机理;在压气机瞬态CFD数据的基础上,运用计算航空声学(CAA)方法结合有限元/无限元技术对两个工况下的压气机噪声进行数值模拟,分析了近场/远场压气机离散噪声的辐射特性,并将模拟结果与实验值进行对比验证。数值模拟结果表明:混合数值计算方法计算结果与实验值基本相符合,可以用于压气机离散噪音的快速评估。     

不同属性烟雾融合过程可视化建模与实时绘制

为了快速精准绘制真实世界中各种各样的多烟雾融合现象,提出一种基于欧拉法的实时有效的烟雾融合模型。首先,提出域划分算法,从结构层解决了多烟雾自由随机运动的描述问题;其次,利用GPU的并行能力大幅提高了N-S方程求解速度,获得多达7种不同属性烟雾融合过程的实时绘制;再次,实现Ray-casting(光线投射)算法,清晰地表现出烟雾融合的扩散细节;最后,调节温度、速度、扩散系数和浓度等烟雾运动影响因子,灵活控制烟雾融合过程。实验表明,所做工作能够快速真实地模拟不同属性烟雾的融合。     

平衡大气边界层的数值模拟和风洞实验

通过了风洞实验和计算流体动力学(CFD)模拟的对比,结果显示CFD模拟风特性剖面与实验结果吻合情况符合工程应用的精度要求,说明CFD模拟的有效性和准确性.在进行与风洞试验对比的数值模拟时,研究了壁面Y+值对模拟结果的影响,说明了数值模拟的准确性需要精细的壁面网格的支持.另外,通过CFD数值模拟无限长风洞构造满足水平均匀性要求的大气边界层流场,模拟结果显示模拟满足水平均匀性要求的大气边界层风剖面与计算风工程中通常使用的风剖面有一定的差异,因此针对此问题需要进一步的研究.     

模块带腔地板辐射供暖系统数值模拟

为建立验证并完善模块带腔地板辐射供暖系统的CFD数值计算模型,运用数值计算模型对影响模块带腔地板辐射供暖系统的参数进行分析.建立模块带腔地板辐射供暖系统的计算模型,利用CFD软件进行模拟计算,分析供回水温度变化时地板表面平均温度,并与实验测得的数据进行对比,验证模型的正确性.利用验证后的模型,分析盘管间距对地板表面温度的影响.结果表明:所建立的CFD数值计算模型与计算方法是可行的;在供回水平均温度相同情况下,地板平均温度模拟结果与测试结果均存在1℃左右偏差,但相对偏差可以控制在5%以内.结论:盘管间距越大,模块带腔地板辐射供暖系统地板表面温度相对越低,间距对本系统的影响不可忽视.     

用扩散流模型数值模拟后台阶湍流颗粒输运

建立了一个两维气固两相湍流扩散流数学模型,并且用此模型数值模拟了气固两相绕流后台阶的湍流流动.预测分析了台阶后固体颗粒的湍流输运速度,并将预测结果与Laslandes等的用两种两流体模型(k-ε-A p ,k-ε-k p )的数值预测结果及实验结果进行了比对,结果表明扩散流数学模型可以用于描述气固两相流动.它的预测效果不但与目前实用的两流体模型相当,而且还可以正确地预测固体颗粒的横向速度,在这一点上还超过了两流体模型的预测效果.     

安全阀升力系数试验研究和数值模拟

通过建立安全阀升力系数的测量装置,研究了安全阀开启高度对升力系数的影响。基于安全阀压力释放原理,构建安全阀数值模拟的三维CFD模型,计算了安全阀内部的压力场和速度场分布。计算与实验结果相比较表明,所建立的CFD模型可对安全阀排放过程进行定量分析,并可系统研究安全阀主要结构参数对安全阀升力系数的影响,优化安全阀的设计。     

GaAs量子阱的自旋扩散特性研究

基于单极自旋扩散方程,建立了(110)-晶向GaAs/(Al,Ga)As量子阱中非平衡态下的自旋扩散模型,并采用有限元方法对模型进行了数值模拟。模拟结果与实验数据的对比显示,在较低激发功率下理论与实验整体符合的很好;而在较高的激发密度,理论和实验分布在短时延处有一定的差异,可能与动态的热载流子效应有关。     

曲线坐标下波浪抛物型缓坡方程及近岸流数值模型研究

建立了曲线坐标系下的波浪抛物型缓坡方程及近岸流数值模型,对不规则岸线地形下的波浪传播变形及近岸流运动进行了数值模拟研究.首先基于曲线化抛物型缓坡方程建立了正交曲线坐标系下的近岸波浪传播数值模型;然后通过正交曲线变换建立了正交曲线坐标系下的近岸流数值模型;进而基于波浪辐射应力的概念,耦合上述数值模型,对Gourlay模型实验和Hamm模型实验中不规则岸线地形条件下的波浪传播变形及近岸流运动进行了数值模拟研究,并结合实测资料对数值模拟结果进行了验证分析;最后基于上述耦合数值模型对美国San Francisco海湾的Ocean Beach海岸波浪斜向入射所产生的波浪场及波浪破碎所形成的近岸流进行了数值模拟研究.对比分析表明,本文数值结果与实验结果或其它学者所得数值结果基本一致,从而验证了本文数值模型的有效性.     

高压匀质过程中油相液滴破碎的数值模拟

利用CFD(computational fluid dynamic)技术和PBM(population balance model)模型对高压匀质过程中油相液滴破碎的行为进行了数值模拟。得到了乳剂中油相液滴粒径大小随压力和湍流动能变化的关系,总结了粗略估计多次匀质之后液滴粒径的经验公式,并用实验对模拟结果进行了验证。结果表明,PBM模拟得到的液滴粒径随匀质压力变化的趋势与实验结果相一致,增大匀质压力获得的乳剂液滴粒径更小。     

栽有番茄的玻璃温室内气流场分布CFD数值模拟

以栽有番茄作物的Venlo型两连栋玻璃温室为研究对象,基于计算流体动力学(CFD)技术,运用多孔介质模型、组分传输模型及DO辐射模型对自然通风工况下温室内湿空气的传输过程进行了3D数值模拟,并对模拟结果进行了试验验证.结果表明:温室中部测点气流速度的模拟值与实测值变化趋势相同,总气流速度和y向气流速度的模拟值与实测值平均相对误差分别为15.0%和10.9%,所建立的CFD模型有效.温室南部气流紊流程度高,存在大小不等的涡;北侧流速均匀;温室中部作物区及冠层上方气流流动平缓,作物冠层阻力对室内气流分布模式有影响.靠近侧窗的温室空间以风压通风为主,作物冠层及侧窗上部空间热压作用明显.     

Fluent模拟LNG泄漏扩散的有效性评价

为了评价通用CFD商业软件Fluent在液化天然气(LNG)泄漏扩散模拟上的适用性和有效性,借助于Coyote、Burro等液化天然气泄漏扩散试验数据,综合国外重气模型评价项目研究成果,设计了LNG泄漏扩散Fluent模拟有效性评价方法。先采用Fluent对LNG现场试验进行建模模拟;再将模拟结果与现场试验数据做偏差统计分析,最后将偏差统计值与判断标准及其他模型模拟的偏差统计值做比较,得出评价结果。评价结果表明:Fluent能有效地模拟预测LNG泄漏扩散危害浓度变化特征,且具有较好的预测精度,Fluent应用于LNG泄漏扩散风险评价有较高的可信性。     

大型筛板塔上两相湍流的数值模

运用CFD数值模拟方法 ,建立了大型筛板塔塔板上气液两相流双流体模型 ,数值求解了三维速度场分布。文中应用κ ε模型封闭雷诺方程 ,构成了二方程湍流模型 ,附加关系采用了修正GRACE相间曳力模型。CFD模拟结果与实验值进行了对比 ,真实地反映了塔板上三维混乱的流体力学特性 ,并揭示了液相的回流现象。