微通道内油液低雷诺数运动流动特性数值模拟

基于连续性方程和N-S方程,建立了油液在102μm量级通道中流动的数学模型,利用有限元法求得了速度的数值解,并利用CFD软件Fluent分别数值模拟了进口段效应、几何结构参数和重力效应对光滑矩形截面微通道中油液流动特性的影响。结果表明:油液在微通道横截面上的速度分布近似呈抛物线型分布,最大流速在微通道的中心轴线处;进口段效应对油液微流动的影响在通道长度较大时可以忽略;微通道内油液低雷诺数流动的阻力系数随长径比增大而减小,长径比大于75时趋于稳定,而摩擦阻力常数则随高宽比的增大而呈指数级增大;重力效应对油液的微流动可以忽略不计。     

微注塑成形中壁面滑移对熔体充模流动影响的研究

分析了微尺度下熔体壁面滑移机理，研究了微注塑成形中壁面滑移对熔体充模流动行为的影响。利用有限元方法进行数值模拟，确定了不同特征尺寸微通道中熔体的滑移系数，分析了入口剪切速率和长径比与滑移速度之间的关系。研究结果表明：壁面滑移使熔体速度曲线趋于平滑；当熔体入口速率一定时，其壁面滑移速度随微通道特征尺寸的减小而减小；入口剪切应力相同时，壁面滑移速度随微通道的长径比的增大而增大。     

旋流器分离油泥的数值模拟分析

针对油泥含油量高、含渣量低的特点,应用Fluent软件,采用k-ε标准湍流模型和混合模型对旋流器分离油泥时油-水-颗粒三相的分离过程进行数值模拟,研究不同入口体积流量和不同入口油泥颗粒直径对三相分离效果的影响.数值模拟分析结果表明:油水的分离区域主要集中在圆柱段和圆锥段上半部分;随着入口体积流量的增大,油和颗粒的分离效率都表现为先提高后基本保持不变;入口体积流量为60 m3/h,对应入口流速为6m/s时,旋流器的分离效果最佳;油泥颗粒的粒径越大,旋流器的分离效果越好.     

基于格子Boltzmann方法的微通道内气液两相流流型和压力降特性研究

微流体广泛应用于生物医学和化工等领域。采用格子Boltzmann方法对T型微通道内气液两相流的流动特性进行研究,分析壁面特性、气液流速和气液流速比等对两相流运动特性的影响。结果表明：壁面接触角越大越容易形成气泡,随着毛细数的增大,分散相脱离点逐渐远离两相入口,形成更长的分层流,不易形成气泡;当气相流速较大,生成气泡的位置远离T型微通道交叉处,分层流的长度增加;不同条件下沿微通道方向压力逐渐减小,在气液两相交汇区域压力存在波动;微通道轴线流速的峰值出现“滞后”现象,速度波动随气液流速比增大而增大;大密度比气液两相流模拟,可以对宏观实验现象的机制进行更深入的解释。     

基于CFD-PBM积分矩量法旋风分离器中颗粒聚团的数值模拟

为了得到颗粒聚团对旋风分离器分离性能的影响,在不同入口颗粒浓度与入口气速下研究其对分离效率的影响。采用雷诺应力模型(RSM)计算湍流流场,通过群体平衡模型(PBM)耦合CFD对颗粒相进行数值计算。研究结果表明:时间为2 s时,旋风分离器内的聚团作用已经趋于稳定,颗粒粒径在1.5μm到3μm范围的颗粒在旋风分离器内基本无法被捕集,而粒径大于5μm的颗粒其分离效率接近于100%;随着入口颗粒浓度的增加,总体分离效率增加,而增加入口气体速度,对分离效率的影响并不是很大。     

钻井液固液分离旋流器壁面磨损特性

针对石油钻井过程中,由于钻井液中泥沙等固体颗粒产生的冲蚀磨损导致的旋流器失效问题,采用CFD-DPM模型开展以非牛顿流体为钻井液时旋流器冲蚀磨损研究,探讨不同流速、稠度系数、流动性指数、含砂体积比和入口倾角对旋流器内壁冲蚀磨损的影响。结果表明：旋流器内壁磨损呈螺旋状,锥段处磨损率随着半径的减小而增大,底流口处是受损最为严重的部位;在流速5～15 m/s、含砂体积比1%～9%时旋流器的最大冲蚀率随着流速增大呈指数型增长,冲蚀面积明显扩张;低流速下含砂体积比对最大冲蚀率影响较弱,而高流速下最大冲蚀率与含砂体积比呈正相关;入口倾角的增大同时增大了向下的轴向速度,使得颗粒能更快地到达底流口减小了与壁面的接触,其冲蚀率呈线性减小;最大冲蚀率随稠度系数的增大整体呈现平缓下降的趋势,随着流动性指数的增大而急速下降,流动性指数对冲蚀破坏的影响相比稠度系数更剧烈一些。     

基于格子Boltzmann方法的分叉微通道内非牛顿流体流动特性研究

为探究分叉微通道内非牛顿流体的流动特性,将非牛顿流体幂律模型引入牛顿流体格子Boltzmann模型,在不同分叉角度矩形截面微通道内数值模拟不同质量分数剪切稀化流体的流动行为;通过分析流动过程中密度随时间的变化趋势以及稳态流动下的密度,得到微通道内压力的分布以及流动区间的压力降;分析溶液质量分数、入口速度与分叉角度对非牛顿流体流动特性的影响,探讨流体特性和微通道几何构型对非牛顿流体流动行为的影响机制。结果表明:分叉角度为90°的微通道内流体的压力降最小,当分叉角度大于90°时,压力降随着分叉角度的增大而减小,当分叉角度小于90°时,压力降随着分叉角度的增大而增大;流体入口速度和流体溶液质量分数增大,压力降均增大;流体溶液质量分数增大使得分叉角度和入口速度对出口处压力降的影响更为显著;微通道内各截面处压力降分布呈抛物线形。     

V形凹槽间距对微通道流动及换热特性的影响

优化微通道几何结构是提高其流动与传热综合性能的有效途径。针对具有V形凹槽结构的微通道,采用数值模拟方法研究了不同V形凹槽间距r和入口速度u对微通道流动和传热特性的影响规律,并通过强化传热因子η来衡量其综合性能。结果表明:具有V形凹槽的微通道相比于光滑内壁的微通道压降ΔP有所降低;V形凹槽微通道的流动损失和传热性能随着r的增加而增大,但当r大于0.75后流动损失的增幅变小;综合强化因子随r和u的增加而增大,r=1的微通道具有最优的综合性能。     

基于CFD的圆柱形喷嘴设计

喷嘴是流体最后通道,起到最后加减速,控制雾化度、出口速度、喷射射程的关键部件.用三维数值分析软件对影响喷嘴喷射性能的各个参数进行定量的模拟分析,通过计算得出喷嘴出口速度,最后比较各个不同结构的喷嘴出口流速来确定最佳的喷嘴结构形式.得出喷嘴在收缩角度为12°～14°,喷嘴出口端与入口端直径比在0.5～0.6,出口整流段长...     

发动机入口粒子分离器流场数值模拟及流道改进

发动机入口粒子分离器设计要求在一定清除流量比情况下,分离效率高而流动损失小.本文针对不同入口雷诺数(2×105至9×105)、不同清除流量比(10%到20%)的入口粒子分离器进行了数值模拟与实验研究.通过细致分析不同截面上的速度场和总压损失系数Cp,显示在分离通道内存在明显的低速区域和涡结构,同时在该区域内的出现了大的流动分离.这一结果与实验测得的结构吻合.分析结果显示该分离区域导致了流动通道内部总压损失的增加,由此根据流线分布情况对该分离区域进行结构改进.改进后流动通道内的原分离位置的涡结构强度和空间尺度均大大减小,使在高雷诺数下分离器两个出口的总压损失都降低了30%以上,且通道主出口流动更均匀,同时给出了不同雷诺数下的总压损失,建立了Cp与入口雷诺数的函数关系.数值计算结果显示本文使用的流道改进方法使分离器形状获得改善,获得了更优的流动性能.根据数值模拟结果提出了入口粒子分离器的改进方案.     

磨粒在线监测装置及其试验研究

针对磨粒在线监测方案实施复杂、抗干扰能力差等问题,设计了一种基于磁场力测量的快速磨粒监测装置。对该装置磁场中的磨粒进行了运动学分析,并利用MATLAB求得了磨粒沉积轨迹的数值解。在此基础上,试验研究了磁场强度、油液黏度及输送速度对磨粒沉积的影响,并对监测装置的线性度、相关性、重复性、定量误差、灵敏度和磨粒捕捉范围进行了测试。结果表明：该磨粒在线监测装置性能稳定,符合监测要求,能够有效地捕捉粒度大于10μm的铁磁性磨粒,可实现对设备初期故障的快速预报。     

采用粘结法的磁性磨粒制备工艺及实验研究

现有的粘结法制备工艺存在混合不均等问题,且磁介质相和磨粒相在破碎过程中会发生分离,易造成浪费,为此,提出了一种新的粘结法磁性磨粒制备工艺。在相同条件下,运用两种不同工艺分别制备了两种磁性磨粒,并进行了实验研究。采用扫描电镜、三维超景深显微镜观测试件表面,并用电子天平测试试件光整加工前后的质量变化。实验结果表明,采用新粘结法工艺制备的磁性磨粒对试件进行光整加工10 min后,表面粗糙度值Ra从0.800 μm减小到0.076 μm,材料去除率的最大值为0.67 μm/min。与现有粘结法工艺制备的磁性磨粒相比,新粘结法制备的磁性磨粒的微观结构良好、各成分分布均匀,加工性能更加优异。     

基于解析方法的轮胎磨损颗粒物运动轨迹分析

轮胎磨损颗粒物的运动轨迹分析对磨损颗粒物的捕集具有非常重要的理论意义。建立了轮胎磨损颗粒物的运动微分方程,分析了车速和磨损颗粒物粒径对其运动轨迹的影响,设计试验验证了模型的正确性。结果发现：较小粒径（10μm）的磨损颗粒物与较大粒径（500μm）的磨损颗粒物的飞扬区间变化较小,粒径100μm左右的磨损颗粒物的飞扬区间变化较大。覆盖件150～250mm的高度区域是轮胎磨损微小颗粒物（小于100μm）的散射聚集区域。     

多角度弯曲管磨粒流加工数值模拟研究

采用磨粒流加工工艺对多角度弯曲管内表面抛光过程进行数值模拟研究。利用FLUENT软件研究了不同弯曲角度下入口流速、磨料浓度对磨粒流抛光工艺过程的影响,得到了入口流速、磨料浓度对弯管局部压差、进出口压差、湍流强度等参数的影响规律。对压力和速度的整体作用效果进行了分析,得出了磨粒流抛光细长管类零件内表面的适宜工况。在此基础上,进行了磨粒流抛光过程热量积聚的非稳态模拟,模拟结果表明加工过程中温度变化较小。研究结果为实际磨粒流加工提供了参考。     

旋风分离器内颗粒浓度分布特性的数值分析

采用改进的雷诺应力模型和分散的颗粒随机轨道模型,并利用单元内颗粒源法对旋风分离器内的颗粒浓度分布进行数值模拟,与试验结果对比表明两者吻合较好,有较高的预报精度。数值模拟结果表明,旋风分离器外壁的颗粒浓度呈螺旋带状分布,且螺旋灰带以一定的频率上下窜动,在环形空间和灰斗的顶板下方存在顶灰环,且顶灰环不均匀,具有显著的非对称性;在分离空间下部排尘口附近有明显的颗粒返混,范围在排尘口上方约1.5 D (筒体直径)以内,排尘口上方的强旋流动对颗粒有显著的二次分离作用。讨论粒径(3～23 μm)、工作温度(20～ 1 000 ℃)、入口含尘浓度(0.03～10 kg/m3)和进气速度(12～30 m/s)对颗粒浓度分布特性的影响规律。     

SPAMS打击率影响因素与仪器状态分析

在北京市环境保护监测中心空气质量综合观测实验室,使用气溶胶单颗粒飞行时间质谱（SPAMS）对2013年1~12月空气颗粒物开展综合观测。实验结果表明,SPAMS打击率与测径颗粒数（siz）、大气相对湿度、颗粒物组分以及粒径有关。仪器状态正常时,打击率在siz数量小、大气相对湿度低时较高,与含K⁺、HSO₄^-、OCEC、NO₃^-的颗粒物以及粒径为0.2~0.3 μm、0.3~0.4 μm、0.4~0.5 μm的颗粒物数量呈正相关,与0.1~0.2 μm、0.5~0.6 μm、0.6~0.7 μm的颗粒物数量呈负相关,含NH₄⁺、SiO₃^-颗粒物数量的关系与污染特征及其他环境有关。本研究通过分析打击率数值及打击率与各影响因素的关系判断仪器状态是否正常,这为提前发现常规方法难以发现的仪器故障提供了一种思路。     

Numerical Simulation of an Oil Particle in Emulsion Lubrication

The analogy of lateral particle migration in shear flows has been used to investigate the entrainment of oil particles in the inlet region where a Poiseuille flow is assumed. Previous researchers have studied the particle segregation positions and the particle size effect through two-dimensional simulations. In this paper, both two-dimensional and three-dimensional simulations were conducted. The two-dimensional analysis showed that there are two stable off-center segregation positions and one neutrally stable center segregation position for the small particles, while only one stable center segregation position was found for the large particles. The results are similar in three-dimensional simulations except that the center segregation position is more stable than in the two-dimensional case. It should be noted that all the segregation positions are within the backflow region, which means all the oil particles will be rejected from the contact region if the interparticle collisions are ignored. This is supported by experimental observations.     

耦合DEM-CFD法双入口磨粒流动力学模拟及加工试验

针对单入口磨粒流加工装置光整不均匀问题,提出了双入口磨粒流加工装置,为了解决传统CFD软件不能跟踪颗粒撞击壁面问题,结合DEM和CFD方法,通过耦合PFC和CCFD软件,利用DMP颗粒运动模型和标准k-ε湍流模型来模拟磨粒在流场中的运动.仿真中,通过PFC记录磨粒撞击壁面的速度和次数,通过CCFD记录流场运动状态,并应用Abaqus中Johnson-Cook模型分析了撞击速度和撞击次数对靶材质量损失的影响.数值模拟结果表明,双入口装置内两股流体撞击使得磨粒运动更为无序,磨粒撞击壁面次数大大增加,同时撞击壁面速度大于40 m/s的次数达到1 382次,远大于单入口的563次,使得加工面的材料去除速度更快.加工试验结果表明,加工30 h后,双入口装置加工的工件表面粗糙度Ra=0.35 μm,单入口装置工件表面粗糙度Ra=0.65 μm,加工效率明显提高.     

Investigation of gas particle flow in an erosion wind tunnel

Trajectories of small particles approaching the test specimen in an erosion tunnel are analytically determined. The two-dimensional equations of motion are solved for a spherical particle under the sole influence of aerodynamic drag. The two-dimensional gradients of gas properties in the flow field are determined by a numerical solution of the equations describing a compressible inviscid fluid. At one inlet condition, the trajectories are computed for coal ash particles of various sizes approaching test specimens at several orientations. Trends are identified in the approaching characteristics that may be related to the observed erosion. The results indicate that, for ash particles with diameters less than 10 μm, significant numbers are deflected away from the specimen. These particles would otherwise impact with the specimen if they had more inertia to resist the turning effect of the flow field. Ash particles with diameters less than 30 μm which do impact with the specimen do so over a wide range of incident angles quite different from the angle between the specimen surface and the tunnel axis and at lower velocities than those at the test section inlet. The importance of fluid mechanics in erosion studies is presented in this paper.