90°方截面弯管内加装导流板的优化研究

许多工程中的弯管都存在严重的磨损和积灰问题,流场分布不均是主要原因之一.应用计算流体力学软件Phoenics对90°方截面弯管内气固两相流进行了数值模拟.模拟采用κ-ε双方程模型和IPSA两相流模型,以速度、压强等参数的流场分布图形方式输出模拟结果,分析了弯管内气固两相流流场的分布规律.弯管内不加导流板时,流场分布不均匀.在弯管中加装导流板具有均匀流场的作用,为管道磨损和积灰问题的解决提供了一条有效的途径.通过模拟分析得到了在弯管内加装导流板的最佳条件:导流板数量为3块,板的圆心角为70°,内侧板和中间板的起始位置为10°、外侧板的起始位置为0°,板间距内外两侧小、中间大.     

纵向涡强化通道内换热的数值研究及机理分析

用三维数值模拟方法研究了纵向涡发生器用于层流矩形通道的流动换热特征.研究了Re(为800~3 000)、涡发生器的冲角(分别为15°、30°、45°、60°、90°)、纵向涡发生器的形状对通道平均Nu和平均阻力系数的影响,并利用场协同原理进行了分析.结果发现:纵向涡发生器产生的二次流使全场速度和温度梯度之间的平均夹角减小,换热得到强化;纵向涡能改善包括涡发生器附近区域以及下游广阔区域的场协同性,而横向涡只可以改善涡发生器附近区域的场协同性,所以纵向涡可以强化整体换热,而横向涡只可以强化局部换热;对于光通道,协同角随Re增大而增大,但对于有纵向涡发生器的通道,协同角随着Re增大而减小.同时,在面积相同的条件下三角形小翼优于矩形小翼.     

分岔隧道相交区围岩变形规律的数值模拟

针对大连地铁促春段横通隧道建设工程,采用有限差分软件FLAC~(3D)对0°~90°不同相交角的斜T型分叉岔隧道进行了数值模拟,通过分析变形数据、变形云图、变形矢量图以及实测数据的分析对比,得出相交区围岩变形规律.模拟结果表明:横通道的建设造成交叉区的围岩2次扰动,交叉角为15°时围岩扰动最大;交叉角度在45°~90°之间时由交叉角度造成的围岩变形量并不明显而交叉角度在15°~45°之间很明显;斜隧道开挖造成的交叉区围岩的2次变形量,小于主隧道开挖时造成的围岩变形量.     

埋地分段管线在地震断层作用下的破坏模式研究

为研究埋地分段管线在地震断层作用下的破坏机制,本文以承插式PVC管为例,建立了埋地分段管线在断层作用下的有限元模型.通过改变断层与管线的交角、断层通过管线的位置,逐步施加断层位移量,对管线的破坏模式进行归纳,结果表明:当30°≤β≤45°时,管线的破坏模式主要为接口拉脱破坏;当60°≤β≤90°时,管线的破坏模式主要为管体拉伸破坏;当105°≤β≤150°时,管线的破坏模式有管体破坏、接口弯曲破坏和接口压裂破坏.研究认为,当75°≤β≤90°时,管线在受拉伸的情形下,能抵御较大的断层地面变形.     

浅埋偏压小净距隧道围岩变形影响因素数值模拟研究

通过有限元数值模拟软件模拟了浅埋偏压小净距隧道在不同间距和不同埋深条件下的开挖,研究了隧道间距和埋深对隧道围岩变形的影响。结果表明:隧道的最大变形出现在拱顶,但并不在拱顶的正中间,而是中间偏右侧;右侧隧道的拱顶、拱底和侧墙等部位的位移均比左侧隧道的大;随着隧道间距的增大,地表沉降值不断减小,而拱顶下沉累计沉降量先减小后增大;随着隧道埋深的增大,拱顶沉降量增大,地表沉降累计值减小。     

水流作用下海底管线三维冲刷扩展速度实验研究

对水流作用下海底管线三维冲刷问题进行了实验室研究,重点研究了不同的水流速度(以底面剪切力系数θ表示,θ=0.046~0.104)、管线埋厚比(e/D=0.1~0.5)、水流作用角(α=45°~90°)下的冲刷沿管线扩展速度.实验结果表明管线下方冲刷以先后两个速度沿管线向两侧扩展.建立起冲刷段扩展速度vh与θ、e/D、α等影响因素间的关系.发现管线冲刷的扩展速度随底面剪切力系数的增大而增大;随着埋厚比的增大而减小,随水流作用角的增大而增大.最后,根据实验结果建立了一套预测海底管线下方冲刷段扩展过程的经验模型,效果较好.     

槽道紊流中涡旋倾角的概率密度分布特征

以Del-Alamo等(2004)直接数值模拟的槽道紊流数据为基础,对比两种涡旋方向的计算方法(涡量矢量和速度梯度张量的实特征向量),并统计了涡旋与3个切面(XZ,XY及YZ)间倾角的概率密度分布.研究结果表明,在缓冲层内,涡量矢量与实特征向量存在较大的差异;涡旋以准流向涡为主,其与XZ面的倾角很小,但与YZ面的倾角很大.在缓冲层外,涡量矢量与实特征向量的夹角较小,且概率密度最大的夹角稳定在10°附近;涡旋以发夹涡为主,与XZ面主要呈±45°倾角,与XY及YZ面主要呈±55°倾角.涡旋与切面间倾角的概率密度分布特征可以由Ω状发夹涡模型来解释.     

罗山金矿节理岩体强度的PFC3D模拟及其应用

采用PFC3D数值模拟方法模拟在抗拉、抗压试验下不同倾角层理面的岩体的破坏过程,从颗粒的位移和速度分布等方面出发,阐述了节理岩体的破坏机理,并与实验室条件下获得的节理岩体强度和变形特性进行比较和分析.结果表明,单轴抗压强度在0-60°范围内随倾角α的增加而减小,在60°-90°范围内随倾角的增大而增大;单轴抗拉强度在0...     

穿越正断层埋地管线的破坏模式分析

在正断层引起的地面永久性大变形作用下,埋地管线可能会发生拉伸、剪切等形式的强度破坏,亦可能在局部受压区发生屈曲破坏。利用ABAQUS 有限元分析软件,建立穿越正断层埋地管线的空间有限元分析模型,采用非线性接触分析方法模拟正断层引起的地表永久性大变形作用下管线—土体间的相互作用,分析了不同管径、跨越角对管线破坏模式的影响。依据算例分析可知：小口径埋地管线易发生拉伸强度破坏,大口径薄壁管线易发生屈曲失效,口径0．65 m 是管线从发生强度破坏到发生屈曲破坏的临界值;当跨越角大于90°时,角度越大越易发生屈曲失效,跨越角为100°是埋地管线发生强度破坏与屈曲失效的分界点。     

CO_2再生塔导流筒流场数值模拟及结构优选

为解决某化肥厂因增产扩建导致CO_2再生塔导流筒损坏问题,在对CO_2再生塔导流筒原型数值模拟分析基础上,得到了导流筒易损部位及原因。并针对导流筒结构提出了两种改进方案,一种在导流筒与塔壁之间增加孔板;另一种在导流筒壁面上增加凸起结构。运用Ansys Fluent软件对新结构进行数值模拟,数值模拟分为三组,第一组优选孔板距导流筒的距离;第二组优选在最佳距离上孔板孔径的大小;第三组优选导流筒表面凸起结构的形式。对比改进前后结构中导流筒、塔壁、孔板上压力、速度等大小及分布情况,结合实际结构的加工安装性确定改进方案为孔板式结构。结果表明,新结构减小了导流筒的受力面积,改善入口处流体流动状态,便于制造和安装,达到了保护导流筒的目的。     

涡旋核心分布对斜置肋片蒸汽冷却通道换热特性的影响

数值计算了宽高比为2∶1,雷诺数为1×104~6×104,肋角度分别为30°、60°、90°时蒸汽冷却带肋通道,采用流场涡旋核心显示技术分析了各肋角度下带肋通道涡旋的产生、演变过程、形态变化以及分布规律,研究了涡旋分布规律对通道换热系数的影响。结果表明:肋角度对带肋通道涡旋形态和分布规律有较大影响,90°通道主要由横向涡组成,30°、60°通道主要由纵向涡和主涡组成;纵向涡的换热特性比横向涡更好,30°、60°通道平均换热系数比90°通道高;30°通道纵向涡的分支以及流体的黏性耗散会导致纵向涡涡旋强度和尺度减小、纵向涡的换热性能削弱,这使得30°通道平均换热系数比未发生纵向涡分支的60°通道低;相对于边界层的距离、涡旋半径,涡旋强度、涡旋核心是影响涡旋强化换热的更重要的参数。该结果可为主动控制带肋通道涡旋强化换热研究提供参考。     

中浅埋深矩形巷道顶板围岩弹塑性变形

为了分析矩形巷道顶板围岩变形,采用理论推导、数值模拟以及现场监测三者相结合的方法,通过建立矩形巷道顶板梁模型,对该模型进行弹塑性分析,得到巷道顶板围岩表面以及跨中部位沿深度方向不同位置处的下沉量.同时,通过FLAC3D模拟得出在不同埋深(200～700 m)时巷道顶板的下沉量,并将模拟结果与理论计算值以及柠条塔煤矿s12001运输巷道顶板变形监测结果对比,从而对理论计算结果的可靠性进行验证.研究结果表明:在中浅埋深(≤500 m)时,理论计算的下沉位移值与数值模拟和现场监测结果接近,研究结果给出了中浅埋深时矩形巷道顶板下沉变形的理论计算式,可为矩形巷道锚杆支护设计提供理论依据.     

温度应力下海底管线屈曲分析方法的改进

海底管线在温度应力作用下的屈曲变形问题是管线设计的关键性问题之一．结合实际工程，探讨了管线屈曲变形的计算方法，分析了温差、地基土特性、管线埋深和膨胀弯设置等因素对管线屈曲变形的影响，并初步探讨了考虑初始缺陷管线的稳定性分析方法和工程对策．结果表明，管线中的应力随着温差的增加、地基土体摩阻力的增大及管线上覆土厚度的增长而增大，设置膨胀弯可以使其端部一定范围内的管线自由变形．从而释放由于温差和压差作用在管线内产生的附加应力．当管线有足够的埋深时，不发生竖向的屈曲变形．降低温度和增加埋深等措施能够有效防止管线屈曲．     

变截面烟道内导流板与布风板对再热器入口流场影响

为了分析导流板和布风板对变截面烟道内再热器入口速度分布均匀性的影响,基于N-S方程,首先对无导流板和布风板的原始烟道进行了三维流热耦合数值模拟研究;然后与仅安装导流板和同时安装导流板与布风板的烟道模型计算结果进行了对比。得到了三种不同结构条件下扩张段内流场,以及再热器入口截面速度场标准偏差系数的对比结果与变化规律。结果表明:(1)在无导流板和布风板的原始烟道中,烟气在扩张段内的速度分布极其紊乱,进而造成再热器入口速度分布极不均匀;(2)导流板的安装有利于提高再热器入口速度分布的均匀性,相对于无导流板和布风板的再热器入口截面的标准偏差系数C_v降低了15%;(3)布风板的安装不仅能够提高再热器入口速度分布的均匀性,而且能够改善布风板上游扩张段内部速度的分布情况,标准偏差系数C_v与无导流板和布风板的烟道流场结果相比降低了30.3%。     

昆明城区机动车尾气扩散的风洞实验和数值模拟

为了研究机动车尾气在城市道路沿线的扩散规律,采用风洞实验研究了昆明主城区3条典型路段(路风夹角分别为0°、45°和90°)沿线机动车尾气的浓度分布水平,并利用标准k-ε湍流模型及组分输运方程模拟了路风夹角45°条件下的机动车尾气扩散分布规律,将其模拟结果与风洞实验结果进行了对比.结果表明:13条典型研究路段沿线下风向距路肩300 m范围内,均受到机动车尾气污染物的影响;2随着采样点距离的增大,研究路段沿线下风向近地面污染物浓度总体上呈递减趋势且递减速率较大;3随着研究区域垂直高度的增加,风速不断增大且梯度变化显著,而污染物浓度逐渐减小且扩散程度愈明显;4路风夹角45°条件下,数值模拟结果与风洞实验结果变化趋势一致,对比吻合较好.     

地基塌陷过程中埋地管线的有限元分析

地基塌陷往往影响埋地管线的正常使用和安全,针对这一课题,在室内模型箱试验的基础上采用Ansys软件建立有限元模型,应用单元生死技术模拟了土体塌陷范围不断扩大的过程,得出随着地基塌陷埋地管线内应力及沉降的变化过程曲线。通过与室内试验数据对比,证明了本数值模拟方法的可行性。进而又通过图像分析找出了管线的控制截面及控制力,并研究了埋地管线的壁厚和下卧层土体刚度在地基塌陷过程中对管线变形的影响规律,得到了一些具有工程实际意义的结论,为沉陷区域埋地管线设计和数值分析提供理论依据。     

荷载作用下老采空区上方地表移动变形规律的数值模拟研究

利用数值模拟方法,分析了开采深度和松散层厚度对采空区地表移动及变形量的影响,系统地讨论了地表移动变形规律.试验结果表明:地表残余下沉量和变形量随着开采深度的增大而减小,随着松散层厚度的增大而增大.     

一种模拟人工裂缝与水平井筒夹角的新方法

针对人工裂缝与水平井筒存在夹角时的模拟问题,提出了一种基于Eclipse数值模拟中PEBI网格加密法的新型处理方法,利用此方法与传统的笛卡尔网格加密法进行了对比,并研究了直井注水–水平井采油的正方形五点井网中夹角对开发效果的影响。结果表明:新方法在处理人工裂缝与水平井筒有一定夹角的情况时,收敛性更好,模拟结果更合理,且能同时模拟多条缝;以15°为递增单元从15°增大到90°,水平井压单缝的条件下,夹角为90°时的开发效果最好,受见水早的影响,夹角为45°时的开发效果最差。     

边箱式π型断面涡振性能及导流板措施参数研究

π型断面因构造简单与受力性能好,被广泛应用于桥梁建设中,但其抗风性能差,易产生涡激振动问题.本文以边箱式π型断面桥梁为研究对象,采用宽高比10∶1的π型断面刚体节段模型进行同步测振测压试验,并且通过计算流体力学方法加以对比验证,研究π型断面涡振性能与导流板抑振机理.试验结果表明：边箱式π型断面在0°、±3°风攻角下发生显著涡激振动,通过在断面两侧加设特定形式及尺寸参数的导流板措施可抑制断面竖弯及扭转涡振.其中,倒L型导流板措施气动优化效果显著,可有效消除涡振振幅,而水平导流板措施的抑振效果有限,相较于竖弯涡振,扭转涡振对于水平导流板尺寸参数更为敏感.通过对比数值模拟结果与表面气动压力分布,表明倒L型导流板措施能够优化断面气动外形,削弱断面上下表面旋涡脱落尺度和能量,同时降低断面所受的周期性气动力,从而有效抑制断面涡振.     

倾斜角对周向重叠三分螺旋折流板换热器性能的影响

对倾斜角为16°,20°,24°,28°,32°单头(即16°CO,20°CO,24°CO,28°CO和32°CO)和32°双头(即2-32°CO)6种周向重叠三分螺旋折流板换热器(coth STHXs)以及作为对比的弓形折流板换热器的进行数值模拟,并与已有的实验数据进行比较。采用速度矢量图和压力云图叠加速度矢量的方式分析特殊剖面上局部参数。研究结果表明:数值模拟结果与实际吻合良好。螺旋折流板方案壳侧通道存在迪恩涡二次流,相邻折流板重叠区内的管排可抑制缺口泄漏,周向重叠结构有利于强化传热;在相同流量下,壳侧换热系数随倾斜角的增大而减小。20°CO倾斜角方案的性能最优,在相同压降下,其壳侧换热系数比其他方案的系数高,且流道内的迪恩涡二次流明显较强。弓形折流板方案的性能最差,其流道中存在流动死区,且壳侧压降远高于所有螺旋折流板方案;在相同压降下,其壳侧换热系数最低,但在相同流量下的壳侧换热系数在所有方案中位列第3,紧随16°CO和20°CO方案之后。