炼钢转炉顶吹氧气射流特性的CFD数值分析

联合标准的k~ε湍流模型,建立了转炉顶吹可压缩氧气射流的CFD模型.对氧气在拉瓦尔喷管内外的射流行为进行了数值模拟研究,考察了不同操作压力以及环境温度下氧射流的流动行为,并分析了射流激波现象.实验结果表明,当操作压力小于设计压力时,喷管出口处形成斜激波,压缩波与膨胀波交替进行;当操作压力大于设计压力时,喷管出口形成扇形膨胀波,膨胀波与压缩波交替进行.模拟结果也表明,环境温度增加,射流动压基本不变,但超音速区长度增加.通过回归分析,给出了射流核心长度与操作压力的定量关系.     

球形容器泄爆及其外部伤害效应

为了研究球形容器泄爆及其外部伤害效应,利用小球容器和大球容器建立了2种尺寸的球形容器泄爆测试系统。在研究球形容器泄爆内部压力变化特性时,利用大、小球容器分别开展了无膜泄爆和泄爆片泄爆2种实验,得到了如下结论:当大、小球容器泄爆时,随着泄爆口直径的增加,最大泄爆压力减小,压力上升速率减小,正压持续时间减小;当无量纲化泄压比较小时,无膜泄爆峰值压力随泄压比的增大而减小,且呈线性变化。在研究球形容器泄爆外部伤害效应时,分别进行了大、小球容器压力伤害范围实验,获取了大、小球容器泄爆口周围空间不同位置处的压力峰值,并结合超压伤害阈值标准,判断其对人员的伤害作用,从而划定了压力伤害的范围。     

菱形口的射流在超音主流中的流场表面结构

在不同射流角(10°,27.5°,45°,90°)和射流总压下(0.1 MPa,0.46 MPa)对音速射流通过15.半角菱形口喷射到马赫5横穿主流的实验及圆形喷射器的对比实验,研究了具有菱形喷口的射流用于超音主流的相互作用流场.通过表面油流动可视化和表面压力敏感涂料的方法,得到了流场的表面结构.结果表明相互作用激波的状态(附着与离体)基于射流入射角和喷射压力,在高射流角和低喷射压力下相互作用激波保持附着,前沿相互作用激波角随射流角增加而增加.对离体激波情况,马蹄涡延展到上游,最高表面压力与马蹄涡相关,上游峰值压力随喷射压力的增加而增加.90.圆形喷射器与90.菱形喷射器有类似表面结构,但在给定的射流总压下其峰值压力较后者高,而且激波分离距离较大.     

激波与堆积粉尘相互作用

实验中利用带示踪粒子的X光脉冲摄影和阴影摄影技术,成功拍摄了激波与堆积粉尘作用后粉尘内部的波系图像和波后卷扬粉尘云的形状,进而测得入射激波倾斜角、透射激波倾斜角和波后物质界面折射角。在此基础上,利用相关理论对该流场进行分析,确定出该堆积粉尘状态方程中中的待定系数。计算结果与测试结果符合较好。     

丝网结构对容器管道开口系统气体爆炸的影响

为研究丝网结构对容器管道开口系统气体爆炸的影响,通过改变丝网结构的层数和目数,对连接有一段管道的球形容器进行实验。研究发现,当系统处于开口状态时,在管道处加入具有抑爆效果的丝网后,容器内最大泄爆压力增大,且最大泄爆压力随着丝网层数以及丝网目数的增加而增大。建立数学模型对容器内部最大泄爆压力进行拟合,通过拟合公式发现,丝网层数对容器管道开口系统气体爆炸时的最大泄爆压力有一定的影响,并且开始时最大泄爆压力随着丝网层数的增加而增加,随后丝网结构对最大泄爆压力的影响逐渐减小,最大泄爆压力趋于稳定。     

泄爆外部压力变化特性的影响因素

为了研究可燃性气体爆炸泄爆过程中,不同因素对容器外部压力变化特性的影响,利用0.022和0.113 m3 2个球形容器进行了一系列实验。实验结果给出了不同容器容积、泄爆面积、容器结构和形式条件下容器外部压力发展历史：容器容积减小,会导致泄爆容器外部的峰值压力增大,压力变化更为迅速,持续冲击时间减小;泄爆口直径在0~0.04 m范围内增加,容器外部最大压力上升速率及峰值压力均相应增大,呈现上升的趋势但非线性,存在一个增加程度先减小后增大的驻点;容器结构和形式对泄爆过程产生显著的影响,相对于单个容器,连通容器外部峰值压力、最大压力上升速率均有较大提高;连通容器泄爆时,跟大容器泄爆相比,小容积泄爆外部最大峰值压力较大,最大压力上升速率较小。     

连通容器泄爆过程的CFD模拟

利用Fluent软件对连通容器泄爆过程中的气体爆炸流场进行数值模拟,获得气体爆炸过程的温度场和压力场,模拟结果能较清晰地反映泄爆过程。研究表明:连通容器泄爆时起爆容器的火焰高度均高于传爆容器,容器内温度随着泄爆时间的延长逐渐上升,泄爆口开启后又迅速下降;在泄爆初期,起爆容器的压力均低于传爆容器的压力,小球内压力衰减速度大于大球内压力衰减速度。     

球形容器在弯管条件下的泄爆收容

为了考察弯管对泄爆收容过程的影响,采用实验和数值模拟相结合的方法,对球形容器内可燃气体爆炸通过不同角度弯管泄放到另一球形容器的泄爆收容过程进行了研究。结果表明:泄爆收容时,由于高速气流和喷射火焰的作用,大部分进入导管内的未燃气体发生湍流燃烧,部分未燃气体随压力波到达收容容器内;泄爆收容过程中,起爆容器内压力受弯管角度的影响不大,而收容容器内压力随着弯管角度的增加不断下降。当采用90°弯管时,收容容器内的压力峰值最小为0.432 MPa。     

不同强度平面激波冲击下正方形air/SF_6界面演化的数值研究

本文采用VAS2D数值研究了两种强度平面激波(Ma=1.18,2.50)与air/SF6/air正方形界面作用后的RM不稳定性发展,重点考察流场可压缩性对界面不稳定性发展的影响.波系结构分析表明,激波强度不同会导致复杂的激波-激波干扰发生的位置不同,从而对界面形态,尤其是射流结构的产生有重要影响.低马赫数下复杂激波-激波干扰发生在界面内部,诱导向外射流结构的产生;而高马赫数下复杂激波-激波干扰发生在界面外部,诱导向内射流结构的产生.同时,高马赫数下复杂的激波反射折射对界面发展有着重要的影响,诱导多个射流结构的产生.随着入射激波强度增大,可压缩效应明显增强,界面上产生涡量大小和分布有所不同.强激波的冲击使得界面上累积更多的涡量,涡结构增长迅速,同时也观测到滑移面上有明显的涡量产生,表明滑移面两侧流体的运动速度有较大差异.强激波的压缩使得界面获得较高的运动速度,界面宽度和高度同样具有较大的变化率.此外,强激波的冲击会导致两种气体之间混合速率增大,极大地增强了气体之间的混合.定性和定量结果表明,可压缩性对流场的波系结构以及界面形态都有着重要的影响.     

超音流中菱形口射流及相互作用激波结构

基于在不同射流角(10°,27.5°,45°,90°)和动量比下(0.1 MPa,0.46 MPa)对音速次膨胀射流通过菱形口喷射到马赫5横穿主流的实验及圆形射流器的对比实验,研究了次膨胀射流与超音横穿主流相互作用流场.结果表明在低射流角和动压比下相互作用激波保持附着,脱体激波产生lambda激波,lambda激波出现于高射流角、动压比下和圆形喷射器情况.射流外边界高度在射流进入主流过程中不断增加,而且在大射流角下较大.由于侧向扩展,羽流变窄,但圆形喷射器无此变化,接近喷射口的紊流卷吸结构大小随入射角增大,穿透量随喷射角和动压比的增加而增大,在近场圆形喷射器的穿透量超过菱形喷射器,但菱形喷射器的下游穿透量会超过圆形喷射器.     

压力比对高压SF6断路器喷口中冷态气流场影响的研究

为了辅助高压SF6断路器灭弧室的设计和优化,以拉法尔喷口结构为基础,对3种长度喷口结构下的冷态SF6气流场进行了数值计算和分析,通过对比压力与马赫数的变化特点,研究了上、下游压力以及喷口长短对气流场分布的影响.确定了3种长度喷口对应的临界压力比值,并着重分析了压力比与激波产生和运动之间的关系,讨论了物性参数所引起的计算误差.结果表明:不同长度的喷口结构,临界压力比不同,当上下游压力比低于临界值时,喷口中产生激波,反之则无激波产生;激波的位置随着压力比以及喷口的长度而变化;当喷口下游气体始终处于超音速流动时,出口压力与设定值无关,仅随着入口压力的增加而增大.此外,有效地导入气体属性能够降低数值仿真中的误差,提高仿真结果的精度.     

三维强旋流场中的激波捕捉

为了研究激波对气体离心机取料支臂附近流场的影响,采用数值求解三维N av ier-S tokes方程组的方法来模拟三维强旋流场。使用有限体积法中的二阶迎风格式离散方程,隐式迭代求解。计算捕捉到了障碍物前方的脱体激波,随着径向位置的增大,激波的强度逐渐变大,激波面与支臂表面的距离越小;支臂与转子侧壁之间形成了斜激波,向下游延伸,同时激波面向内弯曲;激波对转子侧壁有影响;激波对上边界的影响很小。计算结果表明该文的方法对强旋流场的计算是有效的。     

气体离心机供料射流的三维数值模拟

通过使用有限体积法和隐式二阶迎风格式求解了三维Navier-Stokes方程组,研究了气体离心机内部供料射流。得到不同供料压强条件下供料射流流场的三维分布,数值模拟结果表明:供料射流对离心机内部流场的影响随供料压强的增大而增大;当供料压强为3 kPa时,Mach盘出现在无量纲半径0.81处。由于强旋条件下的供料射流结构较为复杂,实际供料流动情况与均匀供料假设存在较大差异,因此根据射流流场分布对环流计算边界条件进行修正,将更准确地评估离心机分离性能。     

压力波制冷机工作管开口端处的流动分析

对压力波制冷机内非定常流动过程、波系结构、激波形成机理等进行了探讨 .得到了入射激波Mach数(Ms)的表达式 ,并分析了进口气流速度、压力及膨胀比对Ms 的影响 .     

页岩气井射流泵排水采气工艺下泵深度优化设计

为了恢复页岩气井的正常生产,本文通过提出一种新型射流泵排水采气工艺设计思想,该设计是以常压高气液比页岩气井的产气量能够满足携液要求时的井筒动液面为分析目标,从气井产能和临界携液流量两个方面进行分析,研究确定射流泵的下深。该工艺在XX区块XX井开展了现场试验,措施后页岩气井的平均日产气量为14.86×104m3,平均日产液量12.39m3,现场生产结果表明：本设计对XX区块常压高气液比页岩气井射流泵的下入深度的确定提供了新的理论指导。     

TVD方法在瓦斯爆炸可压缩流场中的应用

通过建立瓦斯爆炸可压缩流场的数学模型,运用TVD(total variation diminishing)格式的有限差分方法,模拟了瓦斯爆炸冲击波峰值超压沿井巷的衰减规律,说明了瓦斯爆炸过程存在冲击波二次反冲过程.对瓦斯爆炸二次反冲形成的机理进行了分析.其结果为实际防爆工程设计提供了理论基础和依据.     

煤与瓦斯突出瓦斯射流数值模拟

将煤与瓦斯突出过程的瓦斯突出视为连续射流,应用伯努利方程,建立了瓦斯射流的数学模型,得到了瓦斯突出射流流速和流量表达式,在此基础上考虑突出口压力和突出口直径影响,进行了瓦斯射流的数值模拟,得到了突出压力与突出射流最大速度、突出压力与射流流场分布、突出口直径与突出影响范围间关系规律。模拟结果表明:突出口压力与突出射流最大速度近似呈线性关系,在一定条件下射流流场分布具有甩尾效应,突出口直径越大,其突出影响范围越大。     

巷道瓦斯爆炸二次反冲的数值模拟

通过建立瓦斯爆炸流场的数学模型,运用ＴＶＤ（ｔｏｔａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｄｉｍｉｎｉｓｈｉｎｇ）格式的有限差分方法,模拟了瓦斯爆炸冲击波峰值超压沿井巷的衰减规律,着重反映了冲击波二次反冲过程,其结果对于实际防爆工程设计具有指导意义。     

单个装药浅层水中沉底爆炸的数值模拟

采用ＡＬＥ算法,对单个装药浅层水中沉底爆炸进行了数值模拟。计算结果与实测结果较好地吻合。根据数值计算结果,分析了爆炸流场中冲击波传播规律;给出了不同时刻水中压力等值面分布,空间不同点压力时程曲线;分析了水底,水面对水中爆炸冲击波传播及对流场压力变化规律的影响。获得了浅层水中爆炸流场参量分布与变化规律的初步认识。