Dynamic Stresses in a Francis Turbine Runner Based on Fluid-Structure Interaction Analysis

Fatigue and cracks have occurred in many large hydraulic turbines after they were put into production. The cracks are thought to be due to dynamic stresses in the runner caused by hydraulic forces. Computational fluid dynamics （CFD） simulations that included the spiral case, stay vane, guide vane, runner vane, and draft tube were run at various operating points to analyze the pressure distribution on the runner surface and the stress characteristics in the runner due to the fluid-structure interactions （FSI）. The dynamic stresses in the Francis turbine runner at the most dangerous operating point were then analyzed. The results show that the dynamic stresses caused by the hydraulic forces during off-design operating points are one of the main reasons for the fatigue and cracks in the runner blade. The results can be used to optimize the runner and to analyze other critical components in the hydraulic turbine.     

基于计算流体动力学法的风场模拟和流/固耦合问题

介绍了计算流体动力学（CFD）方法中的各种湍流模型和数值求解方法,阐述了流/固耦合问题的描述方法与求解策略,分析了强耦合算法和弱耦合算法、流场和流/固耦合研究中的网格生成与更新技术,以及耦合界面的信息传递方法,指出了其网格建模中存在的一些难题.     

基于流固耦合方法的气压密封阀仿真分析

针对气压密封阀的流固耦合问题应用一种解耦分析方法,并利用循环迭代法建立了统一的流固耦合计算模型。在流固耦合模型基础上,使用有限元分析(FEA)和计算流体动力学(CFD)联合计算方法对气压密封阀进行仿真分析,得到气压密封阀在流固耦合作用下的工作特性,并且对不同结构参数的模型进行了研究。通过分析不同气体压力、控水环和密封环厚度下气压密封阀的变形,给出了气压密封阀的变形规律,同时还给出流体运动状态,为气压密封阀的优化设计提供了依据。     

基于流固耦合的新拌混凝土流动及变形仿真方法

为了能更好地评估新拌混凝土的流变特性,通过流固耦合的方法对新拌混凝土进行建模和仿真.针对混凝土拌合物无自由边界和大变形的特点,采用ALE方法描述新拌混凝土拌合物,拉格朗日方法描述装盛混凝土的容器结构,结合罚函数法实现液态混凝土与结构间的耦合作用.分别对高性能混凝土和自密实混凝土的坍落度试验进行了模拟计算,通过与实测及已有文献的计算结果相比较,验证了该方法的有效性.     

螺旋桨CFD不确定度及叶形对桨叶变形的影响

为了研究螺旋桨在水动力作用下的变形特性,通过计算流体力学(CFD)理论,结合雷诺平均Navier-Stokes方程并选用SSTk-ω湍流模型对438X系列螺旋桨的敞水性能进行数值模拟;针对4381螺旋桨设计了3套网格,并进行了螺旋桨敞水性能的不确定度分析;将CFD软件计算与有限元法求解相耦合,计算所得水动力载荷通过插值技术传递给螺旋桨,以分析桨叶应力分布及其叶梢处的变形情况.结果表明,在水动力载荷作用下,复合材料螺旋桨桨叶将产生明显变形,且不同螺旋桨所产生的侧斜和纵倾等均不同,在复合材料螺旋桨的设计和流-固耦合计算中必须加以考虑.     

静电纺纳米纤维的纺程形态模拟

采用计算流体动力学(CFD)对静电纺射流进行计算机模拟,采用POLYFLOW软件在二维空间上对稳定段射流的运动形态进行2D模拟,采用FLUENT软件对不稳定段射流运动形态进行3D模拟.采用专用前处理软件GAMBIT建立几何模型和生成网格.模拟结果显示:当溶液流速不变时,射流直径随牵伸力的增加而变小;但当牵伸力太大时,射流在运动的过程中不再仅仅是变细,在某一位置会出现先变粗再变细的情况;当牵伸力达到一定程度时,稳定射流消失.对于不稳定射流的模拟结果发现:在牵伸力小的情况下,射流容易发生弯曲;在牵伸力大的情况下,射流发生弯曲的位置即不稳定点离喷头远.模拟结果与实验结果十分吻合.     

汽车空调系统蒸发器总成数值仿真

根据计算流体力学原理(简称CFD),对一种典型的汽车空调系统蒸发器总成进行了数值模拟仿真.通过应用CFD技术对蒸发器总成进行数值仿真设计,并改进设计结构上的不合理部分,可以达到使总成内空气的速度、温度得到均匀的分布,得到适当的速度值以及降低噪声的目的.计算结果可知,仿真后的蒸发器总成数值计算模型得到了优化改进,提高了空调性能.把CFD技术应用到蒸发器总成的设计,缩短了蒸发器总成系统的研发周期,降低了成本及试验费用.     

一种发酵机搅拌装置的流固耦合有限元仿真研究

针对高黏度物料多层搅拌发酵机搅拌轴承载设计问题,基于有限元进行计算流体动力学和流固耦合分析,研究物料不同黏度下搅拌装置转矩、变形和受力情况.由搅拌装置转矩受力情况,计算出物料安全黏度极值和范围,并分析物料不同填充高度下搅拌装置的转矩.结果表明:正常工况下,搅拌装置第一层桨所受转矩最大,第六层桨末端变形最大,应力最大处在短轴上联接第一层桨的轴段上;物料强度安全黏度极值为205 Pa·s;物料填充高度对搅拌装置转矩影响不大,物料最佳填充高度范围为物料面距离搅拌槽内顶100~150 mm.     

基于计算流体力学的熔盐燃料电池电堆的仿真

基于计算流体力学技术，建立并仿真了10kW级顺流型熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）电堆的三维模型，对电堆内部的物质、动量和能量守恒过程进行了理论分析，模型考虑了MCFC电堆的一个重要组成部分-波状板，并讨论了波状板尺寸对电堆性能的影响，结果表明，在采用较大尺寸波状板的电堆中，电化学反应进行得更加充分，所建模型对电堆内部流场的设计有一定意义。     

基于CFD的发动机冷却风扇仿真优化研究

文章介绍了汽车发动机冷却风扇气动性能的CFD仿真方法,利用流体分析软件Fluent对冷却风扇进行了流场仿真分析和气动噪声计算,仿真结果与试验结果吻合较好,验证了仿真模型的可靠性。对影响冷却风扇气动性能的几何参数因素进行了分析研究,依据研究结果,针对原型风扇提出了2种改进方案,结果表明,在保证风扇冷却性能的前提下,风扇的噪声值得到了明显降低。     

湍流二元电解质流动和传质特性的数值模拟

应用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)、传质学和电化学理论, 建立了二元电解质溶液湍流运动的物理和数学模型. 针对恒电流情况, 通过数值计算研究了电解质溶液的传质和运动特性, 讨论电解质溶液平均浓度场随电解时间的演变规律和电解质湍流流场结构, 分析不同Schmidt 数以及交换电流密度大小对电解质溶液平均浓度场和脉动场的影响.     

基于CFD的旋流非接触吸盘仿真与优化

采用计算流体动力学（CFD）对一种新型气动悬浮吸盘（非接触旋流吸盘）的性能进行数值模拟,在现有吸盘结构的基础上,提出了改进方案,并对改进方案进行CFD仿真.结果表明,在耗气量变化不大的情况下,改进的吸盘结构的吸力得到了大幅提高.另外,利用正交实验方法设计实验,对非接触旋流吸盘内部导流体参数进行优化,得到了满意的参数.     

安全气囊仿真技术在乘员离位模拟中的应用研究

在汽车碰撞乘员离位保护的研究中需要准确地了解安全气囊充气过程.文章基于MADYMO软件中的计算流体力学(CFD)算法,建立了某国产品牌轿车前排驾驶员侧和乘员侧气囊的CAE模型,并通过气袋的静态起爆试验验证了气囊充气模型的准确性;将气囊模型整合于车体模型中,建立了典型的离位仿真模型,经与离位试验的对比验证,进一步从运动学和动力学的角度验证了气囊充气模型的有效性和准确性,为乘员约束系统的离位研究和参数优化提供了有效的基础模型;并针对离位儿童设计了分体式气囊,对比原车气囊,可以降低儿童头部的伤害并且提供胸部的保护作用.     

非光滑车表的空气阻力特性

基于仿生思想,将自然界中普遍存在的非光滑表面形态应用到汽车车身,利用计算流体力学数值模拟方法,研究采用非光滑车表减小汽车空气阻力的可行性.从汽车空气阻力的组成入手,通过对比光滑车表与非光滑车表汽车的外流场,分析非光滑车表对汽车压差阻力、诱导阻力、摩擦阻力的影响以及减阻机理.     

基于计算流体力学方法的水线面大开口工程船阻力性能分析

运用计算流体力学（CFD）方法对工程船由船体水线面大开口所引起的船体阻力性能变化进行了分析.通过对某水线面大开口型工程船系列模型的黏性绕流进行数值模拟,得到在低航速下水线面大开口型船舶船艏开口纵向和横向尺寸变化,船艉开口纵向和横向尺寸变化以及艏艉开口相互作用对船体阻力性能的影响,为改善此类船型的船体阻力性能提供了参考依据.     

PABR 的 RTD 实验 CFD 模拟研究

为解决传统的流动和传质特性研究只能通过实验方法获得一些经验性关系的局限性问题, 采用计算流体动力学(CFD: Computational Fluid Dynamic)技术对微生态周期切换式厌氧系统(PABR: Periodic Anaerobic BaffledReactor)进行了停留时间分布(RTD: Residence Time Distribution)实验的 CFD 模拟, 以期为 PABR 构型改进、工况模拟、 风险预测与评估等工作的开展提供节省人力物力的实施方案。 利用 COMSOL 平台对 PABR 内水体的 SOLID WORKS 三维建模进行网格划分, 进而使用单向流层流模块、 稀物质传递模块及瞬态求解器, 根据PABR 试验装置实物 RTD 的边界条件进行模拟。 应用 Matlab 对其实物与 CFD 模拟的标准化曲线分别进行归一化积分求解, 判定其相似程度在可接受范围。 最后利用 COMSOL 后处理技术可视化示踪剂在 PABR 内的流动和扩散过程, 从而实现人机交互。     

文丘里气液分布管的实验研究与数值模拟

依据文丘里管渐缩渐扩的特点,设计了文丘里气液分布管,在底面出口采用挡板来阻挡中心区流体,实现液体的均匀分布。在=27 cm的空塔中,通过冷模实验观察了单个分布管内喉管段直径以及气液流量对分散效果的影响,同时应用计算流体力学CFD软件对分布管进行数值模拟,并在=1 m的空塔中,考察了由多个文丘里分布管组合成分配塔盘的分配效果。结果表明:当分布管喉管段直径较小时,在喉管段气液两相流形成分散流,经过底面出口挡板的碎流作用后,液体分布均匀;多个分布管的组合能优化分散效果,改善分配性能。     

基于系统仿真和CFD的双系统冷凝器管路优化

将制冷系统仿真与计算流体动力学（CFD）模拟相结合,对一风冷双系统屋顶机的冷凝器进行管路布置的优化研究.CFD模拟空气的流动,得到冷凝器迎风面速度分布.通过制冷系统模型,对管路布置优化前后的冷凝器和制冷系统进行仿真计算.从部件和系统两个层面评价管路布置的改善效果.在部件层面,改进后的管路布置使冷凝器的换热量提高24.1%.在系统层面,单个系统运行时的制冷量增加3.6%,制冷系统性能系数（COP）提高8.1%.本研究思路对于相关产品的优化设计具有参考价值.     

生物质气化套管采暖热环境数值模拟

为保障我国北方的生物质气化站在冬季可以安全运行,提出一种利用轴流风机与套管将生物质气化反应的余热送入净化间进行采暖的方法.采用计算流体力学(CFD)方法对采暖后的生物质气化站净化间热环境进行模拟,并使用Fluent进行计算,得出在沈阳市冬季温度最低(243.15 K)的情况下可将净化间的温度提升至254 K以上;若对净化间围护采取保温措施,则可使温度继续提高,使净化间内温度达到278 K以上,进而满足防冻要求.从而证明套管采暖方案的可行性,并为我国北方生物质气化站防冻改造提供参考.     

基于计算流体力学的熔融碳酸盐燃料电池输出性能数值模拟

对熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)的连续、动量、能量方程以及电压、电化学方程进行了数学描述，采用计算流体力学(CFD)方法，对MCFC的输出性能进行数值模拟，计算结果包括电池温度、电流密度以及功率密度分布等重要参数．并将理论模型的计算结果与kW级的MCFC温度分布实验数据进行比较，两者符合很好，证明所提数学模型具有较高的可靠性．