真空气淬过程数值模拟湍流模型适用性研究

分别采用标准κ-ε模型、重整化群(RNG)κ-ε模型和可实现的(Realizable)κ-ε模型对某喷嘴型真空高压气淬淬火过程进行了数值模拟.结果表明:通过合理选择湍流模型,可以通过数值模拟的方式实现对淬火过程的预测和分析.由于三种湍流模型对湍流耗散率处理方式的不同,使其适用领域有所不同,对于真空气淬过程,可实现的( Realizable)κ-ε模型适用性最好,重整化群(RNG)κ-ε模型次之,标准κ-ε模型与实验吻合度最差.     

雾化气体淬火过程耦合流场数值模拟及实验研究

运用计算流体动力学(CFD)的方法在FLUENT平台上建立雾化气体淬火的三维非稳态模型,对介质不同速度工况下淬火过程中试件温度场、流体速度场、流体温度场和流体压力场进行了流固热耦合数值模拟,并将模拟结果与边界条件实验结果进行了对比分析。结果表明,同等工况下,介质进口速度越大,流体的速度也越大;同截面上200m/s速度工况下试件上下表面两区域的压力差值比100m/s速度工况下大;试件放在淬火区淬火80s后,200m/s速度工况下试件的最高温度为299.5℃,100m/s速度工况下试件的最高温度为336℃,由此得出淬火介质进口速度越大,淬火试件的温度下降越快,试件冷却速度越快,冷却效果越好。     

基于矩形流道流场分析及气动实验的轴流风机结构参数优化设计

本文通过提取导流罩的轴向长度及叶顶间隙两个设计参数,构建了矩形流道内轴流风机的流场结构及仿真模型,进行了数值模拟和实验分析。结合仿真模型分析了矩形风道下轴流风机内部和出口流场特性的变化规律,构建了风机设计参数与气动性能之间的映射关系模型。通过风机气动性能实验可得:风机出口静压、体积流量和效率与间隙因子成反比,而与长度因子成正比,对比模拟值和实验值验证了模型的正确性。基于量化映射关系模型得到风机设计参数间隙因子和长度因子的最优值分别为0.8%和12.5%,为风机设计和冰箱风道优化提供量化参考。     

油气水三相段塞流引起的海洋立管耦合振动响应

海洋立管是海上油气集输系统的重要组成部分，用于连接海底油气井口与海上油气集输站。在油气储运工程中，海洋油气集输介质多为油气水三相流体。为了研究油气水三相流海洋立管系统在严重段塞流作用下产生的耦合振动问题，进行了数值计算与实证研究。基于多相流体力学与动力学理论，构建了油气水三相严重段塞流模型和海洋立管结构动力学模型，结合这2个模型，模拟了立管耦合振动响应过程，并设计了下倾管倾斜角度为3°的L型油气水三相流立管系统进行实验。对模型计算值和实测值进行对比，结果表明：所提出的耦合振动响应模型比现有严重段塞流瞬态数学模型更适用于油气水三相段塞流引起的海洋立管耦合振动响应问题的研究，计算结果与实验结果较吻合；立管底部压强与底部位移呈周期性变化，且变化周期基本一致；流体压强是引发立管系统耦合振动响应问题的关键因素。研究结果为油气水三相流海洋立管系统在严重段塞流作用下的耦合振动响应特性分析及其结构设计提供了参考。     

亚声/声速射流式调制气流声源气动模拟研究

考察了不同湍流模型及近壁面处理对调制射流下游边界层分离区域的预测精度,对比不同网格结构和密度的流场数值解,获得了较为理想的网格无关稳态模拟结果。在此基础上,数值模拟获取了不同气室工作压力条件下气流声源性能参数,分析了正弦调制频率为100Hz瞬态流场对应的脉动声源形成过程。该计算模型便于大功率气流声源的工程设计、性能预测和加深对换能机理的理解,同时也为探索新的声源性能提升途径和预测声源辐射声场提供了基础。     

Performance estimation of a Venturi scrubber using a computational model for capturing dust particles with liquid spray

A Venturi scrubber has dispersed three-phase flow of gas, dust, and liquid. Atomization of a liquid jet and interaction between the phases has a large effect on the performance of Venturi scrubbers. In this study, a computational model for the interactive three-phase flow in a Venturi scrubber has been developed to estimate pressure drop and collection efficiency. The Eulerian-Lagrangian method is used to solve the model numerically. Gas flow is solved using the Eulerian approach by using the Navier-Stokes equations, and the motion of dust and liquid droplets, described by the Basset-Boussinesq-Oseen (B-B-O) equation, is solved using the Lagrangian approach. This model includes interaction between gas and droplets, atomization of a liquid jet, droplet deformation, breakup and collision of droplets, and capture of dust by droplets. A circular Pease-Anthony Venturi scrubber was simulated numerically with this new model. The numerical results were compared with earlier experimental data for pressure drop and collection efficiency, and gave good agreements.     

Numerical investigation of gas-particle hydrodynamics in a vortex chamber fluidized bed

Gas-particle hydrodynamic behaviour inside a vortex chamber fluidized bed is studied numerically with respect to different design and operating conditions. A three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model of a cylindrical vortex chamber is developed. Simulations are carried out with particles and without particles. In order to understand the gas-particle flow behavior velocity distribution, particle volume fraction distribution, radial pressure distribution and axial pressure distribution inside the vortex chamber are analyzed in detail. Particles of different diameters are used and its effect on the gas-particle flow behaviour is studied. Design parameters like the number of gas inlet slots and slot width are varied and their impact on the hydrodynamics of the vortex chamber is investigated. The numerical model is validated by comparing the numerical results with experimental results reported in literature.     

脉冲管制冷机交变流动动态特性数值研究：第二部分：数值模拟结果

第一部分给出了脉冲管制冷机数值模拟的基本方程和改进的数值计算方法。这一部分采用第一部分的方法对脉冲管制冷机的内部交变流动，换热以及制冷过程进行了详尽的数值模拟研究，得到了脉冲管制冷要内部各参数的动态变化，分析了各动态参数变化对制冷机整机性能的影响，并与实验结果进行了比较，数值模拟分析与实验结果符合良好，     

真空高压气淬炉中淬火气体压力、流速和类型对工件冷却性能影响的数值模拟

本文运用FLUENT软件,通过大量的计算机模拟,研究了真空高压气淬炉中淬火气体压力、进口速度、气体类型对工件冷却性能的影响.通过对比氮气在0.45 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa和1.5 MPa淬火压力下工件的冷却速度,量化了淬火压力对工件冷却速度的影响程度.氮气在0.6 MPa下,将气体速度由40 m/s增至60m/s,工件冷却速度提高27％,但风机功率增加3.4倍.由于气体体积流量一定的情况下,淬火气体比热和密度的协同影响了换热系数的大小,通过计算机模拟了四种淬火气体氢气、氦气、氮气和氩气对工件冷却速度的影响,得出在相同气体压力和流量下,四种气体的冷却能力是:氮气＞氢气＞氦气＞氩气;在消耗相同的风机功率下,密度小比热大的气体冷却能力高,四种气体的冷却能力依次是氢气＞氦气＞氮气＞氩气.     

气动发动机缸内流场特性研究

以全新研制的电控气动发动机气缸流场域为研究对象,建立其几何模型,运用CFD前处理软件ICEM对流场域几何模型进行网格划分,再运用Fluent动网格技术进行动态模拟计算,分析其气缸内部流场特性,进而得出气体在工作过程中各个阶段的压力场和速度场分布.同时,将模拟计算数值与气动发动机台架实验所得值进行比较.结果表明:动网格数值模拟结果与实验结果较为接近,气动发动机气缸内流场动态仿真过程准确可靠,仿真结果可为气动发动机设计提供参考.当转速稳定于450r/min时,由仿真模拟所得数据计算得此气动发动机指示功率为0.62kW,实验时测算得同条件下实验指示功率为0.55kW,求得仿真和实验指示功率的最大误差为11.2%.利用自制的测功装置测得实验时有效功率为0.45kW,进而求得机械效率为81.8%.研究结果为下一步改善气动发动机性能提供了依据.     

气流激振力作用下的旋转冲压转子动力学响应

对旋转冲压发动机转子涡动时压缩进气道的内部流场进行数值仿真,建立了作用在转子上的气流激振力非线性模型,结合旋转冲压转子-动静压混合气体轴承系统的有限元模型,并通过数值仿真获得了复杂气流激振力作用下旋转冲压转子-动静混合气体轴承系统的非线性动力学响应。研究结果表明,旋转冲压转子的偏心距对复杂气流激振力作用下转子轴承系统的振动特性具有显著的影响。     

管道内冰浆流动压降特性模拟和实验研究

本文采用以颗粒相动力学为基础的Euler-Euler模型,利用FLUENT研究冰浆在水平直管、90°弯管和T型管中的流动压降特性(计算过程不考虑相变)。模拟结果显示,在管道入口处压降较明显,90°弯管拐弯后内侧压力小于外侧,T型管在分流直角拐角处出现压力最高点和最低点。冰浆流动实验发现,冰浆单位压降随流速和含冰率的增加而增大,且3种管型中直管压降最小,T型管压降最大。对比实验与模拟结果,单位压降随流速的变化趋势一致,且误差在20%以内,但在大流速时,模拟值大于实验值。     

大厚度复合材料曲面典型构件的工艺优化

大厚度复合材料的数值仿真存在缺乏实尺度验证、数值模型待优化等问题。本文针对真空辅助树脂传递模塑成型的大厚度复合材料曲面构件,通过大型风电叶片主梁的工艺仿真与实尺度实验验证,进行了工艺设计与工艺参数模型预测。首先对比研究了不同的工艺仿真方案;然后利用所选优化方案对树脂灌注方案进行工艺设计,并进行了实验验证;最后,提出了不同厚度制件的工艺参数预测模型。结果表明:所选优化方案可同时得到理想的计算效率和流动模拟结果;所设计工艺方案与实验吻合性良好;工艺参数预测模型所得结果与模拟结果基本一致。      

Determination of surface heat-transfer coefficients of steel cylinder with phase transformation during gas quenching with high pressures

In numerical simulation of quenching process, the boundary conditions of temperature field and stress field are very important, in which the boundary conditions of temperature field are very complicated. In order to simulate the thermal strains, thermal stresses, residual stresses and microstructure of the steel during gas quenching by means of the numerical method, it is necessary to obtain an accurate boundary condition of temperature field. The surface heat-transfer coefficient is a key parameter. The explicit finite difference method, non-linear estimate method and the experimental relation between temperature and time during quenching have been used to solve the inverse problem of heat conduction. The relationships between surface temperature and surface heat-transfer coefficient of cylinder have been given. The non-linear surface heat-transfer coefficients include the coupled effects between phase transformation and temperature. In calculation, physical properties were treated as the function of temperature and volume fraction of constituent. The results obtained have been shown that this technique can determine effectual the surface heat-transfer coefficients during gas quenching.     

煤化工专用控制阀多相流流场特性研究

针对煤化工专用控制阀易磨损失效的问题,提出基于数值模拟的阀内流场分析方法.今基于可实现k-ε(Realizable k-ε)双方程湍流模型,通过有限元分析法(finite element analysis,FEA),对控制阀的多相流流场中的湍流特征进行数值模拟研究,得到湍流流场内的压力、速度的分布,并结合Preston磨削经验公式,得到控制阀内最易磨损的区域,从而为后续控制阀的结构优化设计及表面强化打下了基础.     

湍流模型在大钢锭中间包内流场数值模拟中的适应性研究

以多炉连浇大钢锭中间包为研究对象,采用标准k-ε模型和Realizable k-ε模型对大钢锭中间包内钢液流动状况进行了数值模拟,并将数值模拟结果与物理模拟结果相比较,以验证模拟结果的准确性。研究结果表明,对于深熔池、大通钢量的大钢锭中间包,采用Realizable k-ε模型的模拟结果与物理模拟结果更为接近,且对安装控流装置的中间包内流场模拟效果更好。     

Effect of the inlet angle on the performance of a cyclone separator using CFD-DEM

Hydrodynamic characteristics in a cyclone separator are simulated by means of DEM-CFD. Reynolds stress turbulence model (RSM) is used to capture gas turbulence. By changing the inlet angle, the distributions of pressure drop, tangential and axial velocity of gas phase are obtained within the cyclone. Simulated results indicate that the flow pattern consists of two regions: loss-free vortex region and forced vortex region. The negative inlet angle brings about a larger pressure drop comparing to positive inlet angle. The separation efficiency and trajectory of particles from simulation are obtained. The effects of inlet angle and particle size on separation efficiency are quantified. The separation efficiency is increased with an increase of particle size, while the separation efficiency firstly increases and then declined as inlet angle changes from negative to positive. An agreement between the numerical simulation and experimental results has been achieved in a cyclone separator.     

多因素耦合影响亚音速喷口强化气体流场分布研究

为了研究多因素耦合条件下亚音速喷口内气体流场分布演变的作用机制与影响规律,基于标准k-ε湍流模型,对压力-流速-收缩比耦合条件下的亚音速喷口构造均匀气体流场进行了数值模拟,通过定义top-hat流场分布关键参数的方式,定量评估压力-流速-收缩比对强化后流场分布的耦合影响。结果表明:多因素耦合条件下,亚音速喷口通过影响压力梯度平衡点与临界位置点在内的强化过程关键点改变强化流场分布的品质;提高气体压力可以有效减小构造流场中的边界层厚度,降低强化过程中关键点对流速的依赖,提升不同流速下边界层厚度的稳定性,收缩比的增加则会使得强化流场进一步偏离理想分布。     

深腔流激振荡特性研究及能量采集初步分析

针对深腔流激振荡现象的内部声场特性及其流体动能利用方法进行了研究,通过对谐振空腔内部的流场和声场进行数值模拟,探究腔体结构尺寸和流速对内部声振荡响应特性的影响,选用合适的空腔结构安装压电换能器初步实现声电能量转换过程,并进行实验验证。结果表明,当谐振腔开口尺寸H_(R)=30 mm,长度L_(R)=230 mm时,可在相当于高压输气管道的流速范围内获得属于第一水力模态和第一声学模态的稳定声振荡;当气体流速为32.26 m·s^(-1)时,声场压力振幅可达4.62 kPa;选用压电陶瓷厚度hp=1.0 mm的压电片进行实验测试,可得开路电压为1.99 V;实验结果与模型预测结果趋势一致。该方法丰富了环境流体动能的利用方式,且有望在低功耗、远距离、低维护等特殊场合的微型无线电子设备中实现无源供电。     

双尺度纤维织物二维非饱和流动的数值模拟与实验

液体模塑成型工艺(LCM)中非饱和流动的填充模拟对于在虚拟空间中快速、高效地优化工艺参数具有重要意义。采用了一种模拟双尺度纤维织物在等温条件下非饱和流动的双尺度计算模型,通过引入沉浸函数求解宏观-微观流动控制方程组,同时考虑了在微观浸渍中毛细压力的影响,在有限元/控制体积算法中实现了对非饱和流动的数值模拟。随后对三向缝合纤维织物进行了二维径向填充实验,将实验结果与数值模拟的预测值对比。结果表明,该计算模型可以较精确地模拟双尺度纤维织物中的非饱和流动。在此计算模型的基础上,讨论了流体黏度、注射流量及纤维束孔隙率对非饱和填充浸润的影响。结果表明,不同流体黏度、注射流量及纤维束孔隙率对纤维织物填充过程中非饱和区域长度、入口压力曲线及填充时间影响不同。研究结果可以对合理预测纤维织物的浸润及树脂填充过程中入口压力提供指导。