微凸台阵列型重整微反应器的传热传质特性

针对带微凸台阵列结构的重整制氢微反应器的流体传热传质问题,建立微通道传热传质理论模型.采用计算流体力学软件Fluent对不同微凸台阵列结构和排布方式微通道的流体传热传质进行数值模拟,并研究在低雷诺数条件下不同微通道结构对微通道摩擦系数和努塞尔数的影响.结果表明,随着气体入口速度增大,通道摩擦系数减小,努塞尔数增加;当气体入口速度相对较小时,反应器微凸台阵列高度及横向中心间距的差异对努塞尔数影响不大;当气体入口速度相对较大时,随着微凸台阵列纵向和横向中心间距的增加,摩擦系数减小,随着微凸台高度的增加（除1.3 mm以外）,摩擦系数和努塞尔数均先增后降.研究成果为带微凸台阵列结构重整制氢微通道反应器的设计和制造提供理论依据.     

圆台形二甲醚水蒸气重整制氢反应器设计与优化

设计了一种圆台形二甲醚水蒸气重整制氢反应器,并建立了二甲醚水蒸气重整制氢反应系统数值模型,利用COMSOL软件对建立的数值模型进行求解,仿真和实验的数值结果基本一致.通过对重整反应器的结构进行优化,获得更高的二甲醚转化率,研究圆台锥度变化对重整反应的影响,分析反应条件对二甲醚转化和制氢的影响.结果表明,在一定范围内增加锥度时,可以获得较高的产氢率和热效率.通过结构优化,二甲醚水蒸气重整反应系统可获得92.21%的二甲醚转化率,90.54%的产氢率,热效率最高可达74.6%.     

流化床膜反应器甘油强化重整的数值模拟

为实现生物柴油副产物甘油在制氢行业的发展,以流化床甘油重整制氢为研究对象,基于双流体模型和颗粒动力学理论,结合甘油重整反应动力学模型,并嵌入二氧化碳吸附动力学模型和氢气膜分离模型来描述两种强化重整方法的作用. 对流化床反应器生物甘油强化重整制氢过程开展了数值模拟,对反应器内颗粒浓度、组分浓度、温度进行预测,探究重整过程中气固两相流动与反应特性,分析氢气膜分离和二氧化碳吸附两种强化重整方法的相互作用规律,评价操作参数对重整性能的影响. 结果表明:二氧化碳吸附可以抑制浓度极化阻力,提高氢气渗透速率;吸附剂与催化剂比例为1∶1时,与没有吸附剂相比,氢气相对产量提高了5%;氢气分离膜厚的减少会进一步提高二氧化碳吸附速率,当膜厚从300 μm减少到30 μm时,吸附速率提高1.4%;催化-吸附双功能颗粒的使用可以加强二氧化碳的吸附水平,同时促进氢气分离过程,相较于无吸附强化,氢气渗透量提高了近20%.     

嵌入不透水球体复合多孔介质渗流场分析

嵌入不透水球体的复合多孔介质广泛存在于地下水渗流领域,由于不透水球体的影响,多孔介质中的水在流经不透水球体时发生绕流,且距离球体越近绕流现象越明显。为求解该复合介质的渗流场和等效渗透系数,在球坐标系下采用非线性Brinkman-extended Darcy方程,以无穷远处单向来流均匀和球面不滑移条件作为边界条件,求解出球体周围渗流流速与压强的解析解。分析该解析解表达式可知,此复合介质渗流场流速和压强分布与多孔介质基质的渗透率和地下水动力粘滞系数有关。在此基础上对渗流场流速进行积分,求出了Darcy流平均流速,并将平均流速表达式与Darcy公式表达式进行对比,得出等效渗透系数表达式,并且理论证明球体与多孔介质的相对尺寸是影响复合介质等效渗透系数的最主要因素。最后以一定级配的砂作为多孔介质基质,用直径分别为4cm、6cm、8cm的三种有机玻璃球体作为不透水球体,自制试验装置,开展了嵌入不透水球体复合多孔介质的常水头渗流试验。试验中控制多孔介质基质的压实度来保证其渗透系数基本不变,改变填充在多孔介质基质中的不透水球体进行渗流试验,对每一个不透水球体分别进行三组试验,取平均值作为试验结果。试验结果与理论计算的等效渗透系数值误差较小,验证了所推求嵌入不透水球体复合多孔介质渗流场的正确性。     

数值研究车载甲醇重整制氢反应器

为研究车载甲醇重整制氢反应器内温度场和混合气体组分体积分数的分布情况,建立了描述催化器内复杂物理化学过程的二维数学模型。并用STAR-CD软件,选用TGrid网格技术、层流模型采用有限体积差分方法离散方程,用SIMPLE算法进行迭代求解,对催化器内的稳态流场进行了数值计算。模拟结果可以直接表征反应器内的温度场、气体组分体积分数分布。为了验证模型的可靠性,在自行设计的试验台上测试了反应器内温度分布和气体体积分数。经比较计算值与实验值相吻合。应用数学模型研究了管径对催化器的影响,结果表明随管径的增加,反应器内的温差增加;管径对气体组分体积分数影响不大。     

NiO/Pr_xZr_(1-x)O_y催化剂的制备及催化性能研究

以碳酸氢铵为沉淀剂,采用共沉淀法制备Pr_xZr_(1-x)O_y系列载体(其中,x=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5),再用浸渍法负载镍制备镍基催化剂.分别用XRD,H_2-TPR及TPO表征催化剂的结构和氧化还原性质,在微型固定床反应器上考察了催化剂在甲烷水蒸气重整制氢反应中的活性.结果表明:所制备的催化剂在甲烷水蒸气重整制氢反应中有良好的活性和抗积炭能力,镨锆元素的摩尔比为2∶8时,催化剂的活性是最好的,650℃时甲烷转化率达到94%,氢气的摩尔百分数达到78.4%.     

内燃机余热甲醇催化重整制氢装置设计及实验研究

氢气随车携带不便,为了能在线产生富氢气体供给内燃机燃烧,并大幅度提高内燃机的热效率,降低排放,降低热、噪声的污染,提出应用内燃机尾气余热对甲醇进行催化重整以产生氢气的方法.设计了一套内燃机余热甲醇催化重整制氢装置,在内燃机排气余热和催化剂的共同作用下,把甲醇水溶液重整成富氢气体.重整反应器为蜂窝陶瓷载体,重整催化剂为Cu/Zn/Al/Zr,采用管式换热器对载体进行加热,甲醇水溶液在载体孔道中发生催化重整反应.实验结果表明:随着发动机排气温度的增加,重整器产氢率提高,在排气温度为350℃时,重整气中氢气的体积分数达到41.9%.达到了实验预期要求.     

水泥窑用SCR脱硝反应器的模拟优化

随着氮氧化物的减排标准逐年严格,加快对选择性催化还原方法(SCR)的研究,提高烟气脱硝效率是水泥行业的当务之急。选用一款CFD软件对某日产5 000t级水泥熟料生产线初步设计的SCR脱硝反应器进行数值模拟研究,选用湍流模型、多孔介质模型对SCR反应器的流场进行模拟计算;运用组分输运模型和离散相(DPM)模型模拟NH_3与烟气的混合过程,研究喷氨面位置、喷氨口个数对混合过程的影响。结果表明:在烟道弯管处设置导流板,能有效地改善反应器内烟气流场,较优方案的烟气流速偏差仅为6.95%;喷氨面与催化剂层的距离及喷氨口个数都能影响NH_3与NO_x的混合。     

基于电网N-1数据反演交流电网中直流电流分布的土壤等效电阻模型研究

为了解决直流偏磁研究中无法准确建立土壤模型的问题,提出了一种基于电网N-1原则将电网多次多点测量数据与仿真计算相结合的土壤等效电阻模型建模方法,用以计算交流电网中的直流电流分布数据。该方法在已知交流系统网络参数的情况下,通过依次开断建模范围内两变电站间的交流输电线路,测得多组交流电网中直流电流的分布数据,利用矩阵运算或遗传算法反演土壤等效电阻模型。针对某直流接地极近区交流电网建立土壤等效电阻模型仿真算例,分析计算在直流输电系统单极大地运行情况下,该地区交流电网中直流电流的分布情况。结果表明,采用土壤等效电阻模型所得的计算结果能够逼近实际数据,且模型受交流系统拓扑结构的影响较小,能够在土壤构成复杂的情况下,保持计算误差在允许的范围内。仿真算例进一步验证了土壤等效电阻模型建模方法的正确性。基于电网N-1数据反演土壤等效电阻模型的建模方法,避免了复杂的电场计算,无需收集土壤参数且计算结果准确,具有一定的工程实用价值。     

考虑裂隙的多孔介质中对流扩散现象的仿真模拟

为研究裂隙多孔介质中的对流扩散现象,采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法从孔隙尺度下模拟了裂隙中孔隙水的流动过程,仿真实现了考虑裂隙时溶质穿透多孔介质的真实运移过程,并提出一种简化处理的两流区模型对穿透过程加以描述.计算中首先采用SPH方法求解纳维斯托克斯方程,建立能考虑复杂多孔颗粒边界的二维流场模型,并基于此模型进行了溶质穿透三种不同裂隙宽度的多孔介质的仿真实验.随着介质中裂隙宽度增大,裂隙区域流速与基质区域流速差增大,穿透曲线中早期穿透和拖尾现象越明显;采用两流区模型能够描述这一现象,但一般化的模型难以得到精确解,因此提出一种简化处理办法,并给出了该简化模型的解析解.结果表明,该简化模型能够很好地描述裂隙多孔介质中溶质的运移规律,并可反演得到裂隙流中对流扩散的相关参数.     

汽车消声器的流场和压力损失分析

采用CFD软件Fluent对两种不同结构形式的双扩张腔消声器的速度场、压力场进行三维稳态流动数值模拟,研究相应的压力损失随入口流速的变化趋势。结果表明,双扩张腔消声器内部流场非常复杂,中间连通管的位置和数量对消声器内气体的压力损失有很大的影响,双连通管消声器内的压力损失比单连通管的要大。     

基于Cu-Zn/Al_2O_3-ZrO_2催化剂的甲醇水蒸汽重整制氢试验

模拟内燃机尾气余热在非贵金属催化剂Cu-Zn/Al2O3-ZrO2的作用下,进行甲醇水蒸汽重整制氢试验.采用自行设计的燃料重整制氢装置,通过调整燃料重整的试验条件来提高产氢率,并得到较优的重整制氢方案.结果表明:反应温度是甲醇水蒸汽重整反应中最关键的因素,重整气中氢气的体积分数随着温度的升高而逐渐加大.空速会直接影响反应原料滞留在催化剂表面的时间,因此空速为最小值376 h-1时,重整制氢效果更好.最佳的水醇物质的量比和原料流量分别为6∶1和0.4 mL/min.在最佳的试验条件组合下,当反应温度为600℃时,重整气中氢气的体积分数可以达到56.61%.因此,基于Cu-Zn/Al2O3-ZrO2催化剂的车载甲醇水蒸汽重整制氢技术具有实际应用的可行性.     

平板微反应器内甲烷-湿空气催化重整的数值分析研究

建立了二维稳态多组分传输反应的模型,对平板微反应器中Rh催化剂涂层上甲烷-干、湿空气催化重整制合成气进行了数值计算,并分析了采用湿空气时反应通道长度和高度对重整性能的影响.结果表明：进口速度低于2 m/s时,采用湿空气可提高甲烷转化率和产氢率,反应器出口的温度降低以及减少积碳的发生;采用湿空气时,反应通道长度增大,甲烷的转化率提高,出口氢气含量增大,出口温度相应地降低;反应通道高度增大,甲烷的转化率降低,出口氢气的含量减少,出口温度升高.     

高层建筑周边三维瞬态风场的混合数值模拟

为了改进高层建筑周边瞬态风场数值模拟方法的计算效率,在随机流场生成方法和计算流体动力学(CFD)的基础上提出高效的混合型数值模拟方法.采用雷诺应力模型求解标准高层建筑模型(CAARC)周边的时均化湍流场,结合获得的雷诺应力张量修正瞬态风场的风功率谱.运用随机流场生成方法和快速傅里叶变换技术模拟得到该建筑周边的三维脉动风速场.以谱密度函数、互相关函数以及空间相关系数为特征指标量,对风速场模拟样本的物理和数值特征进行验证.研究表明：计算得到的风场满足流体不可压缩条件,与传统模拟方法的结果相比更符合风谱能量分布等真实大气湍流物理特征,证明提出的瞬态风场混合模拟方法可以高效准确的求解受建筑干扰后的真实三维脉动风速场.     

Modeling the effects of mechanical parameters on the hydrodynamic behavior of vertical current classifiers

This study modeled the effects of structural and dimensional manipulations on hydrodynamic behavior of a bench vertical current classifier. Computational fluid dynamics (CFD) approach was used as modeling method, and turbulent intensity and fluid velocity were applied as system responses to predict the overflow cut size variations. These investigations showed that cut size would decrease by increasing diameter and height of the separation column and cone section depth, due to the decrease of turbulent intensity and fluid velocity. As the size of discharge gate increases, the overflow cut-size would decrease due to freely fluid stream out of the column. The overflow cut-size was significantly increased in downward fed classifier compared to that fed by upward fluid stream. In addition, reforming the shape of angular overflow outlet’s weir into the curved form prevented stream inside returning and consequently unselective cut-size decreasing.     

Prediction of preferential fluid flow in porous structures based on topological network models: Algorithm and experimental validation

The understanding and prediction of preferential fluid flow in porous media have attracted considerable attention in various engineering fields because of the implications of such flows in leading to a non-equilibrium fluid flow in the subsurface. In this study, a novel algorithm is proposed to predict preferential flow paths based on the topologically equivalent network of a porous structure and the flow resistance of flow paths. The equivalent flow network was constructed using Poiseuille’s law and the maximal inscribed sphere algorithm. The flow resistance of each path was then determined based on Darcy’s law. It was determined that fluid tends to follow paths with lower flow resistance. A computer program was developed and applied to an actual porous structure. To validate the algorithm and program, we tested and recorded two-dimensional (2D) water flow using an ablated Perspex sheet featuring the same porous structure investigated using the analytical calculations. The results show that the measured preferential flow paths are consistent with the predictions.     

液力变矩器轴向力的CFD计算与分析

为准确计算液力变矩器轴向力,提出了基于三维流场数值解的变矩器轴向力计算方法。计算中,利用CFD软件对液力变矩器三维流动控制方程进行数值求解,在数值模拟得到的变矩器内流场速度、压力数值解的基础上,进行轴向力计算。将新的轴向力计算方法应用于变矩器实例,将其计算结果分别与传统方法计算结果以及实验结果进行对比后可知,新方法计算误差明显减小。     

运输类飞机气动力分析软件ATTF的开发与验证

针对我国运输类飞机设计与发展的实际需要,开发设计了一种高效的复杂外形气动力计算与分析软件ATTF(Analysis Toolkit for Transonic Flows)。软件采用结构化多块计算网格,通过求解Navi-er-Stokes方程,实现三维复杂外形粘性绕流流场的数值模拟。控制方程的求解采用Jameson中心有限体积+人工粘性格式,并采用显式五步Runge-Kutta格式进行时间推进求解。方程求解采用了当地时间步长、变系数隐式残值光顺以及多重网格等多种加速收敛措施。程序采用动态内存管理技术以提高计算机有限内存的利用率。在确保控制信息和边界信息准确无误、内存容量允许的条件下,同一个可执行文件可以用于不同几何外形、不同网格规模和拓扑结构的流场数值求解。为检验ATTF程序的计算效率和稳定性,验证其对于复杂外形气动力特性的预测和评估能力,文章针对DLR-F6带短舱挂架的跨声速宽体运输类飞机外形进行了数值模拟与计算,并与风洞试验结果、CFL3D和TRIP2.0的计算结果进行了分析对比,结果显示ATTF软件的计算结果是可靠的,其计算精度与国内外同类软件相当。     

连续超高压杀菌系统释压装置内流场的数值模拟与研究

根据实验数据,应用商用CFD软件Fluent对连续超高压杀菌系统释压装置内部流场的压力、速度等参数进行数值模拟研究.结果表明,在微孔道的入口附近,压力骤降并形成较大的压力梯度,速度变化与压力骤变明显对应;压力沿微孔道缓慢释放;在微孔道的出口附近,速度变化主要与流道结构以及固壁影响有关;复杂的固壁边界,引起流动的剧烈变化,增强剪切、撞击等作用,增强了料液的机械力杀菌作用.