多场耦合模拟技术在地热开采安全性评价中的应用

在地热特别是中深层地热长期采灌作业中,常常存在储层结构变化,甚至诱发地表变形破坏等安全问题。在地热开发的多个阶段需要开展开采安全性分析与评价研究。这些过程是典型的多场耦合过程,迫切需要多场耦合模型及数值模拟技术。本文介绍两个专用多场耦合评价工具,即水岩反应引起热储结构破坏的THC模拟器和采热诱发地面变形的THM模拟器,分析了两个模型的数学原理及其开发过程,并给出应用案例。     

多场耦合模拟技术及其在地热开采安全性评价中的应用

在地热特别是中深层地热长期采灌作业中,常常存在储层结构变化,甚至诱发地表变形破坏等安全问题。在地热开发的多个阶段需要开展开采安全性分析与评价研究。这些过程是典型的多场耦合过程,迫切需要多场耦合模型及数值模拟技术。本文介绍两个专用多场耦合评价工具,即水岩反应引起热储结构破坏的THC模拟器和采热诱发地面变形的THM模拟器,分析了两个模型的数学原理及其开发过程,并给出应用案例。     

MPCCI在多物理场耦合计算中的应用

头锥结构在高速飞行状态下会产生气动热和结构传热问题,这是一种包含流场、结构场及温度场的多物理场耦合问题。在数值计算中,必须采用耦合计算的方法,才可以得到结构的准确温度和热变形情况,从而为结构设计工作做指导。本文采用松耦合策略,利用MPCCI软件,同时调用FLUENT和ABAQUS软件,以三维弹头结构为算例,计算得出了其在飞行状态下的外部流场特性,并对此弹头结构在不同飞行速度下的结构温升和热变形情况进行了对比研究,结果表明:飞行速度越大结构的温升越快,驻点的温度越高,结构热变形越大。     

时变条件下滑动轴承系统的多物理场耦合分析

针对传统非耦合分析方法无法研究轴颈、油膜与轴瓦之间的相互作用以及普通流-固耦合方法无法真实反应轴承运转工况的问题,提出了一种融合计算流体动力学、流-固耦合和热流耦合的瞬态分析方法,分析了时变条件下轴承系统速度、压力和温度的多物理场耦合,并分析了空化现象的影响,精确计算了恒定载荷下的偏心率和温升场,以及从启动到稳定过程的轴心轨迹.同时,分别考虑腔结构、轴颈转速和载荷对油膜压力、偏心率、温升和气穴的影响,并将计算结果与相关文献的实验结果进行比较.结果表明:所得计算结果与实验结果较吻合;轴承的轴心轨迹呈螺旋形;油腔数目对轴心轨迹、气穴和温升的影响很大.     

地热多孔物料微波冷冻干燥过程的多物理场分析研究

以甘露醇与乳糖等为原材料,利用液氮制备冰激凌法,制备不同初始饱和度的地热多孔物料;通过多功能微波冷冻干燥装置,冷冻干燥处理制备的地热多孔物料,建立地热多孔物料干燥过程的多物理场分析模型,并设计对应的定解条件;通过COMSOL多物理场仿真软件,结合定解条件,求解多物理场分析模型,完成不同初始饱和度与不同微波功率等条件时的物理场分析,验证地热多孔物料微波冷冻干燥过程多物理场的影响。     

电化学加工过程多场耦合仿真研究

为了研究加工区温度和气泡对电化学加工精度的影响,建立了电化学加工过程多物理场数学模型,对加工区温度和气泡进行求解。该模型包括电场模型、传热模型、流场模型、电导率模型以及阳极溶解模型。通过相关物理场之间的相互作用关系,将各模型耦合起来,对加工区温度和气泡率进行求解,并分析流速和加工电压对电化学加工过程的影响规律。     

地热储多场多相数值模拟与介尺度技术进展

热储工程系统具有很强的多样性和复杂性,随着当前地热开发利用需求的提高,裂隙介质热-流-力多场耦合复杂物理过程的高效模拟变得日益重要,它也是热储工程面临的关键技术问题。经典的多孔介质中的流动、传热和力学模拟技术已经得到了很大的发展,但其内部的多相、多物质流动和传递过程的理论仍然不成熟,裂隙介质由于本身的多尺度特性,对其热-流-力多场耦合问题的研究更为复杂,新的研究方法体系亟须建立。鉴于此,本文综述了裂隙介质热-流-力多场耦合既有的研究现状,并指明了未来面向热储工程应用的新一代裂隙介质热-流-力耦合模拟技术发展趋势及关键问题。     

基于多物理场耦合的电子器件性能分析

考虑电子器件实际工作过程中受到电、热、力多个物理场的耦合作用,基于顺序耦合计算理论,构建了电子器件的多物理场耦合分析方法。以某型电子插槽为对象,通过实例分析计算,对该分析方法进行了具体应用。最后,通过实验对该分析方法的准确性进行验证,结果表明:仿真计算误差在4.6%以内,能够用于电子器件的性能预测与优化。     

关于多场耦合问题的几个概念探讨

从湍流脉动的高阶关联项以及湍流的雷诺方程出发,指出了动量场、能量场、质量场等相互耦合现象可以湍流脉动关联项和时均项中同时存在,并提高了脉动合和时间均耦合的概念,指出了在引入湍流模型即对雷诺时均方程使用湍流统计矩方程进行了封闭后,动量,能量及质量之间的耦合现象可由时均耦合来描述。介绍了多相耦合的概念及求解耦合问题的基本思路和方法。     

容积导电能量传递多场耦合数值模拟

容积导电模型研究可用于容积导电系统的设计和能量传递参数的优化.笔者考虑电路、电场和温度场的相互耦合关系,建立了容积导电的三维多场耦合模型.该模型在电路层面上实现了容积导电的仿真,皮肤组织温升的实时监测,为能量传递的优化设计提供了直接的理论指导.利用软件FEM3.5搭建了容积导电多场耦合模型,从多物理视角验证了容积导电能量传递的可行性,为进一步优化能量传递效率奠定了基础.     

平板热反应器的多场耦合建模及仿真研究

化学反应器中的化学反应过程是能量,物料平衡及物料动量,热量和物料传输等联系紧密的多物理场耦合过程.该过程涉及的物理化学问题非线性度较高,求解难度也会增加.本文对平板化学热反应器在建立其化学反应、动量传输、能量传输和物料传输的多物理场耦合数值模型的基础上进行了研究,通过COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件的化学工程模块按照由简入繁的建模思路,逐步对所涉及的物理场进行耦合,完成对物料热反应关键控制参数温度、浓度和流速等在反应过程中变化情况的掌握,有助于产品质量控制和安全生产.     

电磁感应矫平工艺的多物理场耦合仿真研究

电磁感应矫平方法具有效率高、易操作的特点,在薄板矫平工艺中有良好的应用前景.以船厂使用的固定式一字型线圈感应矫平工艺为例,基于COMSOL Multiphysics有限元仿真软件建立了三维电磁-热-力耦合感应矫平有限元模型.该模型输入AH36钢板随温度变化的物理性能,以对接焊件残余应力与焊接变形作为初始状态,采用顺序耦合的方法计算矫平过程中电磁场、温度场与结构场的变化,从而验证了温度场与电磁场在矫平过程的双向耦合关系,得到焊接件在矫平后的变形量.通过自行搭建的感应矫平实验平台测试矫平工艺中的温度变化与变形量,验证了该有限元模型的准确性与有效性.     

多场耦合作用下氯离子分布场的数值模型

为了研究温度场、湿度场和CO2分布场对氯离子分布场的影响,基于Fick扩散定律和质量守恒定律,主要考虑氯离子扩散系数、湿度以及氯离子结合和释放4个敏感参数,推导了混凝土中氯离子三维分布场控制方程,给出了初始条件和边界条件.利用ANSYS内部集成的参数化程序设计语言APDL建立了数值分析框架.结合试验参数,进行了湿度场作用下混凝土中氯离子分布场的数值计算,并进行了模型参数敏感性分析.结果表明:该模型可以实现不同边界条件下二维和三维多场耦合的数值计算.湿度扩散系数、氯离子扩散系数、边界氯离子浓度以及氯离子结合等温线的取值对氯离子浓度分布影响显著.数值计算结果与实验结果吻合良好,数值模型具有足够的可靠性.     

等离子木纤维净化器多物理场耦合仿真分析

通过建立等离子木纤维净化器仿真模型,利用Comsol多物理场耦合仿真分析软件对等离子木纤维净化器中放电装置所涉及的多物理场进行耦合仿真分析,研究等离子木纤维净化器的放电装置中的放电电压幅值、介质相对介电常数和放电电极线直径对电场强度的影响。结果显示,当等离子木纤维净化器的放电电压为21kV、电极线直径设置为1mm、相对介电常数较高的材料作为放电介质时,等离子木纤维净化器所产生的电场强度越大。     

铝合金超声波半连铸多场耦合的模拟与实验

针对铝合金超声波半连铸过程,建立了声场、流场和温度场耦合的数学模型.利用Fluent模拟得到了声场、流场和温度场分布.仿真结果显示,超声波的导入对宏观流场与温度场分布具有重要影响,在超声输出振幅一定的条件下,选择频率为20kHz的超声波处理铝熔体能够获得较为理想的流场与温度场,从而有效促进熔体的传热、传质与柱状晶向等轴晶的转变.通过测量实验铸锭的晶粒尺寸,发现经超声处理的铸锭凝固组织显著细化,长度与宽度方向的平均晶粒尺寸分别较未经超声处理的减小了133μm与32μm.文中还结合数值模拟结果分析了超声波对铝合金大铸锭的细晶机理.     

一种新型微波加热腔体多物理场耦合分析

本研究设计了一种新型固态微波功率源馈电的金属腔体加热装置.从电磁场与物质相互作用的物理机理出发,分析了被加热物体中电磁场,热场及流体场的耦合作用,并分别通过COMSOL Multiphysics和自己编写的时域有限差分算法程序建立数学模型对多物理场耦合进行了计算.最后,通过实验验证了数学模型的正确性及该腔体对微波吸收效率和加热均匀性的提升.该设计可应用于加热低损耗媒质.     

煤炭地下气化干馏气渗流运动多场耦合数值模拟

基于传热，渗流力学及弹塑性力学理论，建立了气化煤体温度场，干馏气渗流场和煤体变形场耦合数学模型，研究发现，在煤炭地下气化过程中，因高温条件，煤体的物理力学参数不再是一个常数，而变为温度的函数，为了提高数值模型的精度，对相关的物理力学参数进行了标准化热趋势研究，根据有限元法原理，介绍了其耦合求解方法，并结合计算实例，对计算结果进行了分析，根据计算结果，非等温度条件下干馏气压实测值和模拟值之间的拟合情况明显好于等温条件下的拟合情况，且实测值高于理论值，计算值和实测值的一致性表明，对气化盘区温度场，渗流场及应力场的数值模拟是正确的。     

多物理场耦合仿真对流在微波加热中的作用机理研究

微波炉加热水或者牛奶等液态食物时,在温度横向分布向不均匀的同时会出现比较明显的纵向不均匀,其特点是上部的温度高于底部温度,最终导致微波加热不充分.为了分析温度纵向不均匀性产生的作用机理,以进一步提高加热效果,本文使用了多物理场仿真软件,模拟了微波与常规电热器等底部加热方式加热一杯水时温度变化的情况.通过分析对流现象对电场与温度分布的影响,我们发现：由于微波加热的不均匀导致对流只发生在局部区域,无法形成类似于电热器底部加热方式中自下而上的对流,最终导致了温度分层的现象.     

基于多物理场耦合的非晶合金变压器短路特性分析

非晶合金变压器具有显著的节能优势,但是抗短路能力不足。针对在实际试验研究中非晶合金变压器绕组短路系列故障设置困难问题,本文基于电磁场-结构力场-温度场的瞬态多物理场耦合理论,建立变压器有限元三维模型。仿真了低压侧出口三相短路条件下非晶合金变压器矩形绕组的短路特性,研究了非晶合金变压器发生短路时温度剧烈升高所带来的热应力对绕组形变的影响。并对单独电磁力作用和电磁力热应力耦合作用下的绕组应力和形变进行了对比,计算结果表明热效应会对变压器形变产生较大影响,造成矩形绕组多处严重变形损坏。短路温升是变压器变形损坏不可忽略的因素,同时也是提升变压器抗短路能力中需要重点考虑的问题。     

基于多物理场耦合的混凝土湿热变形数值模拟

为研究混凝土湿热耦合变形,基于混凝土微观组成结构特点,根据多物理场耦合作用和多孔介质湿热传输原理,建立了混凝土湿-热-力多物理场模型.并利用COMSOL数值仿真软件和提出的混凝土湿膨胀系数,在人机交互环境下,实现湿-热-力耦合数值求解.首先以Hundt试验为算例,验证了耦合模型和求解方法的可行性,然后利用该方法对某隧道混凝土湿热耦合变形进行了模拟计算.将多物理场耦合数值模拟结果与解析-有限元结合解法计算结果和现场光纤光栅监测结果对比表明,基于多物理场耦合的混凝土湿热耦合变形数值模拟更接近监测结果,更能反映实际物理过程且具备更好的通用性.