天然气管道肋条减阻数值分析

随着清洁能源的广泛应用,提高输气管道的输送效率成为热点问题,其中降低管输过程中的摩擦阻力至关重要。为探究三角形肋条在输气管道减阻中的应用效果,利用ANSYS-FLUENT软件对光滑管道和肋条管道中的湍流流动进行了数值模拟。结果表明,在近壁区域,肋条管道与光滑管道的速度剖面相差较大,主流区域相差较小,肋条结构的减阻效果主要基于近壁面;肋条结构将漩涡推离壁面,使肋底充满低速流体,降低近壁面处动量交换,减小摩擦阻力;与光滑壁面相比,尺寸为s=h=0.516 5 mm的肋条具有4.38%的减阻效果。     

V形肋条减阻最佳夹角的探讨

作者根据前人成果和一些假定推导出了V形肋条底部的最佳夹角,从参考文献的数据来看,文章结果具有合理性。     

壁面沟槽减阻数值模拟研究

针对壁面流动问题,在PHOENICS 3.6软件平台上,采用RNGk-ε湍流模型计算V型沟槽面的湍流边界层速度分布和粘性阻力,研究了不同雷诺数对V型沟槽减阻效果、湍流边界层内的速度分布以及沟槽壁面切应力的影响,结果表明,对于一种尺寸的V型沟槽,存在着一个具有较好减阻效果的来流速度范围,证明了沟槽具有削弱湍流湍动的功能。     

沟槽面在湍流减阻中的应用

对近些年来的沟槽面湍流减阻技术的工业应用方向 ,沟槽的几何形状和尺度、流场压力梯度、沟槽面放置方式对于沟槽减阻效能的影响 ,沟槽面对于湍流边界层流动特性的影响 ,沟槽面的湍流减阻机理几方面研究进展进行了综述。从湍流拟序结构理论出发提出 :具有减阻效应的沟槽面不但能通过控制低速制条带间距来降低湍流“猝发”频率 ,而且在“猝发”后的高速“下扫”过程中因其几何结构使藏在槽内的安静流体避免或部分避免因高速“下扫”而“诱导”出较大速度剪切层 ,从而实现减阻。同时指出需要利用先进的实验技术如PIV等图像处理手段并结合直接数值模拟对湍流边界层的瞬时流场进行研究 ,以其找出湍流边界层的流动结构及其运动规律。     

仿生射流表面孔径与射流速度耦合减阻特性数值模拟

针对仿生射流表面流场问题,基于非光滑表面减阻的仿生学理论,对鲨鱼鳃裂部位射流特征进行分析研究,建立具有类似于鲨鱼腮裂部位射流特征的仿生射流表面模型及可拓模型.利用SST k-ω湍流模型对仿生射流表面模型进行数值模拟,在主流场速度为20 m/s时,分析了不同射流孔径与不同射流速度耦合情况对壁面摩擦阻力、压差阻力及减阻率的影响,并对仿生射流表面减阻机理进行分析.研究表明在射流孔为5 mm时与射流速度耦合情况下的平均减阻率最大,为11.566%,同时为仿生射流表面多因素耦合情况下的减阻特性研究奠定基础.     

多孔仿生射流表面减阻特性数值模拟

利用RNGk-ε湍流模型对流体在多孔仿生射流表面上的流动特性进行了数值模拟。结果表明:减阻率和流速比呈线性关系,流速比越大减阻效果越好,最大减阻率为59.02%;单孔射流表面中心线上的摩擦阻力系数先减小后增大,局部减阻率最大为111.8%;射流孔越多,减阻效果越好。探讨了仿生射流表面减阻机理:射流通过改变其表面附近的流场结构,使得边界层黏性底层的厚度增加,垂直于壁面的法向速度梯度减小,达到了显著的减阻效果;同时产生稳定的流向涡结构,并在壁面处形成小的二次涡,抑制了流体间的动量交换,减小了摩擦阻力。     

输气管内壁仿生减阻大涡模拟

流向的微小沟槽表面能有效降低壁面摩阻,降低输送能耗。针对内表面有三角形肋条的输气管道,采用大涡模拟对不同流动状态进行模拟,分析了流场速度矢量图、均方根速度剖面线和雷诺切应力。结果表明,肋条无量纲尺寸s＋＝20.7时肋条的减阻效果最好;湍流形成的涡经过肋条时被肋峰切开在肋条中形成小的反向小涡,将流体与壁面之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦,降低摩擦阻力;光滑管壁、肋条的肋峰和谷底表面的速度剖面线只有在壁面附近差别较大,在远离壁面处趋于一致,肋条对流场的影响主要发生在近壁区。     

两种典型肋条形状大涡模拟

在长距离输气管道中最主要的能量损失形式是湍流阻力。为了研究肋条形状对湍流情况下流过肋条的流体介质的影响规律,采用CFD软件,在雷诺数为5 300的条件下,对间隔三角形肋条和刀刃形肋条两种典型肋条进行大涡模拟,通过分析壁面阻力和流场,得出减阻效果更好的肋条形状,并找出不同形状肋条影响流场的原因。结果表明,与间隔三角形肋条相比,刀刃形肋条受到的壁面阻力更小,近壁区速度梯度更小,产生的二次涡使流场更加稳定,具有更好的减阻效果。     

基于数值模拟的2种条纹沟槽减阻特性对比分析

湍流减阻是流体力学研究的热点问题,在诸多湍流减阻方法中,条纹沟槽因其结构简单和使用方便等特点,受到广泛关注。为了探究沟槽形貌对沟槽减阻效果的影响,采用基于大涡模拟的CFD方法,数值研究三角形与梯形沟槽对湍流边界层流场的影响及减阻特性。通过RANS、DES和LES方法分别对光滑槽道湍流进行数值模拟,并与直接数值模拟的结果进行对比,验证了大涡模拟方法的准确性和可行性。基于参考文献的实验结果,对三角形与梯形沟槽湍流边界层流场的积分统计量、一阶统计量和二阶统计量等流场参数进行了对比分析,并通过对减阻率、时均速度、速度脉动均方根、剪应力、湍动能生成项和展向脉动速度等物理参量变化及影响规律研究,探讨了2种条纹沟槽减阻特性,由此得出结论：在相同无量纲条件下,梯形沟槽相较三角形沟槽减阻效果更好。     

湍流模型在平板边界层分离流动中的应用

湍流边界层分离是自然界中常见的一种现象,由于其灵敏性,实验难度相当大,所见成功的实验少之又少。本文就目前比较流行的几种湍流模型（如κ－ε系列,κ－ω系列）应用于湍流平板边界层分离流动的计算,并就预测结果与直接数值模拟结果进行了比较。     

旋成体仿生凹环表面减阻试验分析及数值模拟

通过风洞试验及数值模拟分析了置于旋成体后部的凹环表面结构对其底部阻力、摩擦阻力及激波阻力的影响。马赫数为1.79、基于旋成体最大直径的雷诺数为1.5×106的风洞试验表明:凹环表面可显著减小旋成体的底部阻力,但却增大了包含摩擦阻力和激波阻力的粘性前部阻力。利用SSTk-ω湍流模型对试验优选模型进行了数值模拟,结果表明:凹环内部低速旋转气流产生的涡垫效应和推动效应致使旋成体的摩擦阻力减小了22.4%,凹环还能减弱外部气流对旋成体截尾底部死水区的抽吸作用,显著降低了底部阻力。但由于凹环对气流的扰动增加了激波阻力,故包含底部阻力及激波阻力的压差阻力减小并不显著,仅为0.4%。     

湍流模型在平板边界层分离流动中的应用

湍流边界层分离是自然界中常见的一种现象,由于其灵敏性,实验难度相当大,所见成功的实验少之又少.本文就目前比较流行的儿种湍流模型(如к-ε系列,к-ω系列)应用于湍流平板边界层分离流动的计算,并就预测结果与直接数值模拟结果进行了比较.     

基于仿生学原理的射流表面减阻性能研究

针对仿生射流表面减阻问题,建立仿生射流表面模型,利用SST k-ω湍流模型对其进行数值模拟,所得射流速度曲线与实验数据吻合良好。研究射流流体对边界层厚度的影响规律,探讨仿生射流表面的减阻机理。利用4因素3水平的正交试验,对射流表面和光滑表面摩擦阻力进行对比分析,得到了射流模型参数对减阻效果和节能效果的影响规律:在不考虑外加射流能量的情况下最大减阻率达50.41%;射流速度对节能效果的影响最大,主流速度对节能效果的影响其次,节能效率与主流速度成正比,最大节能效率为276。射流改变了边界层内的流场结构,使得射流表面的边界层厚度增大,垂直于射流表面的速度梯度减小,摩擦阻力减小。     

壁湍流周期性吹吸减阻的实验研究

为了研究局部周期性吹吸小扰动对湍流边界层的影响和湍流相干结构减阻控制机理,用实验方法研究了局部周期性吹吸小扰动与湍流边界层的相互作用.采用热线测速技术精细测量了施加吹扰动前后平板湍流边界层不同法向位置的流向、法向和展向速度分量的时间序列信号;通过测量扰动源下游近壁区域平均速度剖面的变化,发现在扰动下游一定空间范围内,粘性底层增厚和壁面减阻;通过对湍流度变化的分析,发现扰动影响猝发的发生;此外通过对展向平均涡量变化的分析发现,在扰动下游形成了2个定常的、强度相似的、大尺度的展向涡,它们起到流体滚动轴承的作用,减小了壁面摩擦阻力.     

沟槽面在湍流减阻中的技术研究及应用进展

针对长输管道中存在的能源消耗问题,分别从湍流边界层流动特性、拟序结构、条带结构、转捩等方面归纳了沟槽面湍流减阻的国内外研究现状,讨论了沟槽的几何形状和尺度、流场压力梯度、沟槽面放置方式对沟槽减阻效能的影响.对沟槽面的减阻机理进行了综述,分析了存在的问题.指出需要利用先进的实验技术如PIV等图像处理手段,并结合计算流体力学软件对湍流边界层的瞬时流场进行研究,以找出沟槽面湍流减阻的机理.数值模拟了在平板中部横向布置的下凹沟槽的流场情况,得到了一种小涡流动结构,同时验证了这种结构在减阻中的作用,阐述了对减阻的另一种认识,并对沟槽面湍流减阻技术及其工业利用进行了展望.     

气动灭火炮弹体橡胶圈仿生凹坑表面减阻特性

针对气动灭火炮炮弹发射过程中弹体橡胶密封圈与炮管之间摩擦阻力大的问题,将仿生凹坑表面减阻技术应用于弹体橡胶密封圈上。建立气动灭火炮橡胶密封圈仿生凹坑减阻运动模型,采用数值模拟方法,研究弹体橡胶密封圈仿生凹坑特征直径及弹体速度对橡胶密封圈与炮管之间摩擦阻力的影响。结果表明:在相同的弹体速度下,当灭火炮弹体橡胶密封圈仿生凹坑特征直径为2mm时,减阻效果最佳,凹坑特征直径为4mm时,减阻效果最差;最大减阻率为17.191%,最小减阻率为3.158%。仿生凹坑中存储的润滑油在弹体运动时,润滑油产生拖拽泼洒而溢流到炮管内壁,对炮管内壁和橡胶密封圈起到润滑作用,达到减小摩擦阻力以及提高炮弹发射速度的目的。     

仿生非光滑旋成体表面减阻特性数值模拟

在前期进行的仿生非光滑旋成体模型低速风洞试验的基础上,将非光滑形态在旋成体模型上的排列方式固定为矩形布置,非光滑的尺寸固定为直径或宽度为1 mm,深度或高度为0.5 mm,在风速为44 m/s时,对布置在模型尾部的凸包形、凹坑形和棱纹形三种非光滑模型与表面光滑模型进行了对比模拟试验。试验结果表明,布置在尾部的非光滑结构能够有效地降低模型的压差阻力,尤其是棱纹状非光滑形态模型,压差阻力降低了25.3%,总阻力降低了11.12%。     

仿生非光滑用于旋成体减阻的试验研究

基于仿生非光滑表面具有减粘降阻特性的基本思想,通过仿生非光滑表面控制旋成体附壁区的边界层结构来减小旋成体的阻力。利用6因素3水平的正交试验,考察了对旋成体阻力影响较大的6个因素。对具有不同尺寸的凸包、凹坑以及棱纹等形态的非光滑旋成体及光滑旋成体进行了低、亚、超音速风洞试验,并将减阻率作为试验指标。对减阻率的分析表明,三种非光滑表面均能起到减小旋成体阻力的作用,总阻力最大减阻效果为5%左右。用极差法进行正交试验设计分析,得到了影响旋成体阻力因素的主次顺序及最优水平,并探讨了不同仿生表面对旋成体粘性前部阻力(包括表面摩擦阻力及激波阻力等)及底部阻力的不同影响。     

仿生挖掘机斗齿减阻试验

为了减小挖掘机斗齿的楔土阻力,提取了蝼蛄前足爪趾的构型,在JL80型斗齿的基础上进行了仿生斗齿设计。采用快速成型加工技术加工了仿生斗齿与JL80型斗齿试样。利用试验机对两种试样进行了楔土试验,测定了楔入阻力与楔入深度的关系。运用有限元分析软件对仿生斗齿和JL80斗齿的楔入过程进行了数值模拟。结果表明,在同样条件下仿生斗齿的楔入阻力较JL80型斗齿低11%。本文设计的仿生斗齿可以为挖掘机斗齿的优化设计提供参考。     

密度脉动的数学模化及其在湍流燃烧中的应用

针对湍流燃烧进行的模拟研究。本文较深入地探讨了湍流脉动与燃烧过程之间的相互作用关系，对密度一标量之间的脉动关系（ρ’φ’^-)提出了数学模化的表述形式，引入了以密度－速度脉动关联量为独立变量的两个输运方程与k-ε双方程模型一起作为对燃烧过程的湍流脉动特性的描述，并分别对气体均相燃烧和煤粉气流多相燃烧的全场作了数值求解。