液液喷射混合器最佳引射角度的CFD模拟

利用CFD模拟方法,研究了液液喷射混合器中引射流体进料角度的影响行为和优化选择问题。选择7种不同引射角度为考察对象,考察了喷射器内部流体的流动特性与掺混效果。结果表明:不恰当的引射角度将导致引射流体在喷嘴外围环隙的速度和流量分配不均,进而导致流场偏移;随着引射角度的增加,压力降、喷射系数、混合段流体速度和湍流耗散率呈现出先增大后减小的变化趋势;不同引射角度下流体达到混合完全所需要的距离相同,但是质量分数存在差别。综合分析,在7种引射角中,引射流体的最佳引射角度为60°,此条件下喷射器内混合段流体速度大,喷射系数高,混合效果好,同时对管壁的冲击力小。     

结晶釜直径对SAS成粒过程影响的CFD研究

为探讨结晶釜直径对SAS(超临界抗溶剂法)过程的影响规律,并确定适宜的结晶釜直径,本文采用计算流体力学(CFD)方法,选用Realizableκ-ε湍动模型对SAS喷射过程建立模型。结晶釜高度为L=190 mm,考察了直径分别为40 mm、30 mm、20 rnm和15 mm时釜内流体迹线、溶剂浓度分布、有效扩散因子分布及湍动强度分布变化规律,尤其是喷嘴出口附近溶液射流区内的流场变化状况。结果表明,随着结晶釜直径的减小,釜内漩涡区逐渐向釜顶缩小,有利于避免釜内颗粒间碰撞造成的粘结;釜内溶剂浓度逐渐减小,而有效扩散因子分布及湍动强度的绝对值逐渐增大但分布范围逐渐向釜顶缩小:喷嘴出口附近溶液射流区内的有效扩散因子与湍动强度逐渐增大,有利于提高成核速率而减小颗粒粒径。较小直径的结晶釜,还会降低流体在釜内的停留时间,减少颗粒生长时间而利于减小颗粒粒径,因此选择小直径结晶釜对SAS过程有利。本文通过CFD模拟研究,揭示了SAS结晶釜直径对SAS成粒过程的影响规律,对SAS结晶釜的优化设计具有一定的理论指导。     

高Schmidt数下喷射器内湍流混合的多尺度模拟放大研究

本文从微观与宏观两个方面考察了喷射器的混合性能.利用CFD模拟软件Fluent 6.2求解了混合模型方程、流体流动方程及k-ε湍流模型方程,对不同结构、不同工况下的喷射器进行了考察,结果表明:1)在喷射器结构一定的情况下,喷嘴速度和引射流体速度比越大混合效果越好;2)在喷射器结构、喷嘴速度与引射流体速度比为定值的情况下,其绝对速度越小混合效果越好;3)在喷射器速度为定值的情况下,混合段直径与喷嘴直径比越小混合效果越好,二者之间存在着线性关系;4)在喷射器速度、混合段直径与喷嘴直径比为定值的情况下,其绝对直径越小混合效果越好,且二者之间存在着线性关系;5)在多数情况下,微观混合速度要慢于宏观混合,微观混合才是喷射器内混合过程的控制步骤.     

液-液喷射器不同进料方式下混合过程的CFD模拟

利用计算流体力学(CFD)软件CFX5对液-液喷射器混合段物料的混合性能进行了模拟,确定了工作流体和引射流体都平行于混合管轴线进料时物料完全混合所需的混合管长度,并分析了三种不同进料方式:(1)工作流体和引射流体都与混合段轴线平行进料;(2)工作流体与混合段轴线平行进料,引射流体与轴线成30°进料;(3)引射流体与混合段轴线平行进料,工作流体与轴线成30°,对混合管内混合过程的影响,结果表明,工作流体和引射流体都与混合段轴线平行进料时混合效果最好。     

气液两相圆锥绕流的数值仿真

研究锥形物体在气液两相流场中动特性问题,对流场特性的影响和锥形物体自身的承载受力情况;采用CFD流体仿真软件FLUENT,用欧拉双流体模型结合Realizablek-ε湍流模型,对锥体在气液两相流场中的运动进行数值仿真.结果显示,在锥体尾部形成一组对称的回流涡,随着流体含液率的增加,主相空气相在中心轴线上的流向速度明显受到影响,尾涡变短,恢复速度变快;在绕流体的壁面上的流场的速度梯度会增大;同时绕流体周围的流场的压力梯度也会增大,湍动能和湍动能增量都会增大,与实验的结果基本吻合,验证了运用数值仿真的方法来研究气液两相锥体绕流问题是正确可行的.     

喷射器内液—液湍流反应过程的数值模拟

利用两环境矩直接积分模型(DQMOM)对喷射器内液液平行-竞争反应体系进行了研究,结果表明:在固定引射流速的情况下,随着喷嘴速度的增加,平行-竞争反应的选择性越来越高, 副反应的转化率越来越低;在固定喷嘴流速的情况下,随着引射流体速度的增加,平行-竞争反应的选择性越来越低,副反应的转化率越来越高;速度比一定时,喷嘴绝对速度值越大,副反应的转化率越低.     

上喷式喷射器内气液两相流的流体力学特征

喷射器作为气液混合装置,比传统接触混合器具有更高的混合强度和传质系数.计算流体力学(computational fluid dy-namics,CFD)模拟作为研究气液混合流的方法,有助于理解喷射器的流体力学和混合特征.它能提供详细的信息来量化操作条件对喷射器性能的影响.本文利用CFD模拟了上喷式喷射器内的气液两相流的流体力学特征.结果表明在较高的混合段长径比下,混合段入口处的压力较低.但是存在一个最大的压力降,此时混合段长径比约为4.0.在相同的喷嘴速度下,混合段入口处压力降最低,气体卷吸量最大.模拟中混合管与喷嘴面积比范围为1～16.无论是保持喷嘴直径不变还是混合管直径不变,混合段入口处的压力都随着D2M/D2N的增加而增加.但是对应的最大气体卷吸率发生在面积比为4.0.当喷射器的结构参数不变,混合段入口处的压力降和气体卷吸率随着喷嘴速度的增加而增大.     

喷射反应器内液-液快速反应的数值模拟

对于复杂快速反应,反应物之间能否快速均匀地混合是影响反应转化率、选择性和收率的重要因素,而喷射器作为一种高效混合设备,以它固有的优越性,越来越受重视。本文以酸碱快速中和反应为例,利用CFX5软件,采用k-s模型．将主动流体与引射流体的速度,在不同比值下对反应的影响作了模拟,结果表明,流速比决定反应的速度,流速比越大则反应越快,消耗的动力也越多,因此对于实际的喷射反应器,它必然有一个最优的速度比值。另外,本文还对流速比确定,不同反应物浓度比对反应的影响进行了模拟,结果表明浓度比对反应的影响很小,可以忽略。     

水平硅带生长过程的数值研究

建立了水平凝固生长模型,采用凝固动力学和变形几何追踪凝固前沿,通过求解N-S方程和能量方程获得生长模型的速度场、温度场和压强场的分布。进行适当的参数研究,研究射流冷却速度、拉伸速度、Marangoni流对凝固结晶的具体影响。结果表明:凝固结晶过程的温度分布主要取决于热扩散而非流体流动;相对于射流冷却速度,Marangoni应力、拉伸速度对熔体流动更具影响力;Marangoni流对生长过程影响可以忽略;硅片厚度随射流冷却速度的增大而增大,与之相反,随拉伸速度的增大而减小;最大拉速取决于热移除条件,移除热量的速度越快,对应的极限拉伸速度越高。     

Helmholtz喷嘴结构参数对空化射流特性的影响

自振空化射流是在射流过程中利用喷嘴内部结构的振荡特性产生空泡,在射出喷嘴后空泡发 生溃灭来增大射流冲击作用的现象。由于自振空化射流效果与喷嘴结构有密切关系,因此近年来关于 喷嘴结构的优化研究广受关注。鉴于 Helmholtz 喷嘴在增强射流冲击力方面具有明显优势,该文针对 不同结构参数的 Helmholtz 喷嘴的内外流场进行了数值仿真,重点分析了出口直径、出口长度、共振 腔空化长度、共振腔空化直径等关键结构参数及射流靶距对空化水射流效果的影响,相关研究成果可 为空化射流船舶清洗技术提供理论指导。     

Ω形双螺杆泵流场仿真与实验研究

研究螺杆转子转动过程中的流场变化有助于对双螺杆泵运行参数的优化。采用计算流体力学(CFD)方法,对双螺杆泵流场进行三维瞬态动网格仿真分析。针对Ω形双螺杆泵,建立内流场数值模型,通过仿真得到一个转动周期内泵内压力分布,同时研究了不同粘度下泵外特性的变化规律。仿真结果表明,泵内压力由吸入端到排出端逐级增大,与容积腔推挤增压规律相吻合;在吸入端容积腔截面和螺杆啮合缝隙内均存在负压,且由于泄露的原因,密封腔两端的压力分布并非完全一致,存在轻微差异;流量随着压差的增大而呈近似线性下降趋势,粘度越大,流量受压差的影响就越小;泵效随压差的变化曲线呈抛物线形,达到峰值后先逐渐减小,最后趋于平稳。实验结果与仿真一致,证明了仿真方法的有效性。     

船用低温蒸馏海水淡化装置二级引射器的数值模拟

目前船用蒸馏海水淡化系统中,为减小装置体积并实现系统节能目标,引射器通常需要同时具有抽气和抽水功能,而传统的单级引射器只能形成单一真空度,从而影响淡水产率.文章提出了一种二级双吸口引射器设计方案,通过对引射器的流场特性进行数值模拟,分析结果表明入口流速和压力升高有利于提高真空度,而出口压力升高则会降低真空度.实验结果显示,在流速大于3.5 m/s时,模拟结果与实验数据基本一致,引射器吸口真空度可达到92％和90％,满足了船用引射器性能要求.     

窄方腔软湍流热对流中角涡的三维发卡状 流动结构

通过直接数值模拟（Direct Numerical Simulation,DNS）求解三维窄方腔湍流Rayleigh Bénard（RB）热对流流场,讨论尺度比为1/4的三维窄方腔中的流动.三维方腔流场的流线图和速度场与二维流场一致,都反映出大尺度环流和角涡的软湍流流动特征.进一步观察三维流线图发现,在近底板附近流线的走向并不是沿着大尺度环流的方向.转换三维流线图的观察角度,可明显看到近底板附近流线是螺旋状的,并与角涡相连.分析整个流场的涡旋特征发现,在窄方腔热对流中沿底板棱边区域产生涡对与角涡连接形成三维发卡涡流动的结构.     

小型轴流风扇内外部流场的数值研究

小型轴流风扇的性能及降噪研究建立在流场研究的基础之上。通过对风扇VD8025的Fluent数值模拟,展开了其内外部流场的分析研究,结论如下：在叶片吸力面（非工作面）侧存在主要由边界层分离引起的分离涡,在叶片压力面（工作面）侧顶部间隙存在二次流引起的叶顶间隙涡,沿轴向存在有限叶高诱导双旋涡。对风扇内部流场的速度分布进行了定量分析,分析的结果说明了上述旋涡等流动情况的存在。由风扇出口管道速度分布的定量分析可得,对于所研究的风扇,距离风扇出口120 mm处为排风最佳位置。     

Surface tension driven and 3-D vortex enhanced rapid mixing microchamber

This paper proposes a novel passive micromixer design for mixing enhancement by forming a large three-dimensional (3-D) flow vortex in a counterflow microfluidic system. The counterflow fluids are self-driven by surface tension to perform mixing in an open chamber. The chamber design consists of two rectangular bars to house the chamber and to form two opening inlets from opposite directions. The best design is selected from various versions of mixing chambers. The mixing effectiveness is tremendously increased by folds of contacting surface between two fluids induced and enhanced due to the stretching of two fluid contacting interfaces by the formation of a 3-D large size vortex structure inside the mixing chamber itself with unaccountable numbers of fluid layers. Both numerical simulations and experiments are performed and compared to identify the design parameters for maximum utilization in this microfluidic system, such as the length of rectangular bar, microchannel wall height, and mixing chamber size. Compared to traditional micromixers operated by two-dimensional (2-D) vortex, this passive mixer can greatly enhance mixing efficiency and reduce mixing time by tenfold from around 10 s to less than 10 ms by 3-D effective chaotic flow structures in a more compact size. This mixing chamber is also suitable for an H-shape digital fluidic system for parallel mixing process in different mixing ratio simultaneously as a lab-on-a-chip system.     

突扩管中非牛顿流体的非对称流动

研究了恒定剪切速率下的不可压缩非牛顿流体在突扩管中的流动行为,通过给定突扩管的前后管的直径比来观察流动现象,突扩管流动中的分歧流动是一个普遍现象,早先课题组已经用水作为试验来验证模型的正确性,通过使用Herschel-Bulkley模犁对于非牛顿流体进行模拟,模拟结果使用流线、分歧图表、回流区、压力分布和流速分布来分析.     

A numerical analysis of vortex growth in a two-dimensional jet

The vortex growth in a two-dimensional jet is simulated by solving numerically full Navier-Stokes equations with primitive variables. The streakline structures visualized with marker particles are well related to the fluctuations of velocity and pressure. The mechanism of vortex growth is also explained by using the visualized structure. The predicted features will agree with the experimental fact that, for example, the dominant frequency of fluctuation exists and the longitudinal velocity fluctuation along the jet axis increases exponentially in the zone of linear growth, while in the zone of non-linear growth the increasing rate decreases.     

Flow analysis in valve with moving grids through CFD techniques

The compressible air flow in a typical puffer chamber with moving contact between fixed electrodes has been studied using computational fluid dynamics techniques. Moving grid methods in CFD process not only plays a pivotal role in understanding the flow behavior in time domain but also helps for fixing the internals at optimal locations. A typical laboratory puffer chamber geometry has been extracted from the published literature and generated multi-block structured grid using Altair’s HyperMesh software. Flow simulation in axi-symmetry duct comprises fixed electrodes, moving contact and exit duct has been carried out with ANSYS-CFX software. It has been observed that, due to steps and curvature in the geometry, flow takes different turns from inlet and velocity distribution between fixed electrodes indicates vortex flow with turbulent eddies. CFD simulation with valve element mesh motion indicates that pressure history is significantly affected by the velocity of moving contact in the puffer chamber. The results obtained for a typical puffer chamber with the mesh motion are qualitative in nature and forms the sound basis for future design studies of electro-fluid dynamics of circuit breakers.     

基于拓扑重构的流线特征跟踪算法

地下水流线的构造与可视化有助于提高数值模拟后处理的效率。以研究区地下水渗流场的连续流线仿真模拟为目标,建立了核心拓扑结构和动态重构时所需要的拓展拓扑结构,基于有限元数值计算理论方法,结合地下水渗流场的实际运移情况,探讨了在流线模拟过程中的特征提取问题。在此基础上,提出了一个快速、健壮的流线自动跟踪算法,可用于流线和流经时间的计算。并以北京市平原区地下水渗流场为例,实现了虚拟开采井条件下和实际复杂流场的地下水流动仿真模拟。     

Rapid glucose concentration detection utilizing disposable integrated microfluidic chip

A novel three-dimensional (3D) disposable glucose concentration detection chip is presented. The chip comprises a four-layer polymethyl methacrylate (PMMA) structure and is fabricated using a commercial CO₂ laser and a hot-press bonding technique. In the proposed device, the glucose solution is injected into a double parallel connection micromixer (DPCM) and is mixed with DNS reagent by means of a self-rotation effect. An experimental platform has been created for multiple reaction process by integrating chip and micro-heater. The fluid streams exiting the two circular mixing chambers of the DPCM are then combined and mixed further at a T-type microchannel outlet before passing to a collection chamber. Numerical simulations are performed to analyze the vortex streamline distribution within the DPCM and to estimate the mixing performance. The numerical results show that a mixing efficiency as high as 92.5% can be obtained at low Reynolds numbers (Re = 12). It is found a good linear relation of R ² = 0.9953 from the chip detection method comparing to the traditional method of R ² = 0.9976 at DNS reagent and glucose solution volume ratio of 1:1. In addition, the experimental results show that the accuracy of the glucose concentration measurements obtained using the proposed microfluidic chip is comparable with that of the measurements obtained using a conventional large-scale detection method. Overall, the results presented in this study indicate that the DPCM chip provides a rapid and low-cost means of detecting the concentration of glucose solutions.