催化剂颗粒撞击壁面的有限元分析

针对催化裂化过程中催化剂颗粒大量跑损的问题,采用有限元的方法建立了单颗催化剂颗粒撞击壁面的有限元模型,并运用Abaqus作为前处理器。催化剂颗粒是一种典型的脆性材料,在有限元模型中选取了相应的材料本构模型,模拟了不同参数(撞击形态、入射速度、入射角度)的催化剂颗粒撞击壁面的过程,建立了催化剂颗粒的质量损失与催化剂颗粒参数间的关系,并对模拟结果进行了分析。最后,根据数值模拟的结果,优化了催化剂颗粒的参数,提出了减少催化剂跑损的措施。研究结果表明,撞击过程中的不同催化剂颗粒参数对催化剂的磨损量会产生较大的影响,催化剂颗粒的磨损量随着入射速度和入射角度的增大而增大,当催化剂颗粒以45°的形态撞击壁面时,磨损量最小。     

非球形催化剂颗粒撞击构件的数值计算分析

研究催化裂化过程中壁面遭受磨损的问题。采用有限元方法建立单颗和多颗催化剂颗粒撞击构件壁面的有限元模型,运用ABAQUS有限元分析软件作为前处理器,并将颗粒形态设定为非球形(椭球形)。在有限元模型中选取相应的材料本构模型,模拟不同参数(入射速度、撞击角度和撞击次数)的催化剂颗粒撞击构件壁面的过程,建立构件壁面的质量损失与催化剂颗粒参数间的关系,并对模拟结果进行分析。撞击过程中的不同参数对构件壁面的磨损量会产生较大的影响,构件壁面的磨损量随着入射速度、撞击角度和撞击次数的增大而增大,且催化剂颗粒以45°的形态撞击所造成的构件壁面磨损量最小。构件壁面在使用过程中很容易被冲击而造成磨损,且颗粒在不同情况下造成的磨损状况不同。     

基于有限元法催化剂颗粒撞击壁面的数值模拟

为解决催化裂化装置中的许多构件因为催化剂颗粒长期不断冲击而导致失效等的问题,将有限元法应用到其模拟仿真中,分析了单颗催化剂颗粒参数(角度、速度、材料)对不同壁面材料的撞击而造成壁面磨损的影响,建立了催化剂颗粒撞击壁面的数值分析模型,研究了催化剂颗粒以不同的速度、撞击角度,以及不同的催化剂颗粒的材料撞击不同材料的壁面对壁面造成的影响,并分析了催化剂颗粒变形对壁面磨损的影响,根据计算的结果,对催化剂颗粒参数进行了优化控制,提出了减少催化剂颗粒变形和构件磨损的技术措施.研究结果表明,该方法能够使催化裂化装置长期安全稳定地运行.     

软性磨粒流磨粒入射壁面过程及其加工特性研究

针对利用两相流模型无法计算高浓度固—液两相流固相颗粒撞击壁面时颗粒速度的问题,提出一种边界层内颗粒运动轨迹计算模型,基于Mixture两相流模型和Realizable k-ε湍流模型仿真计算结果,通过分析提取颗粒入射前速度、计算边界层厚度、建立边界层内速度场和颗粒运动分析可以得到颗粒撞击壁面时的速度和入射角度。分析加工表面动压力分布和磨粒体积分数分布,结合两种结构约束流道验证仿真结果与加工效果的对应关系。通过对试验结果的分析,为约束模块的设计提供依据。研究结果表明:磨粒入射速度、磨粒体积分数和加工表面所受动压力大小直接影响工件加工效果,并与材料去除量成正相关关系;在本次试验中选择的工艺参数导致加工材料去除量小,适合初始粗糙度低的工件表面加工,对于此次试验的初始粗糙度应在0.2μm以下;约束模块的设计除了要考虑磨粒流流场特性之外,还要对加工表面的原始加工痕迹作详细了解,为约束模块的设计及加工工艺参数提供参考。     

液动压悬浮抛光中磨粒与工件表面作用的数值模拟研究

针对液动压悬浮抛光固-液两相流中固相磨粒与工件表面撞击的过程中,对磨粒以不同的速度和不同的角度撞击工件表面后残余应力沿工件深度方向的分布规律进行了研究,利用ABAQUS软件建立了单颗磨粒撞击工件表面的三维有限元模型。对磨粒流撞击工件表面时的速度场进行了输出,利用PFC/3D软件建立了磨粒流撞击工件表面的三维离散元模型。研究结果表明:随着撞击角度和速度的增大,在工件表层形成的压应力场会增大,沿深度方向残余应力值急剧下降,磨粒流中磨粒间的撞击对磨粒撞击工件表面的速度场影响不大。     

基于离散元与有限元耦合的有砟道床动力学特性研究

针对有砟道床的动力学特性问题,对不同行车速度和列车轴重下的轨枕应力和道床沉降情况进行了研究,对细观角度下的道砟平均角速度变化和道床沉降特性之间的关系进行了归纳。提出了一种基于真实道砟颗粒模型,采用有限元与离散元耦合建模的方法建立了轨枕-道床的有砟轨道精细化模型;利用EDEM软件和ANSYS软件的耦合模块,对不同行车速度和列车轴重下的有砟道床的动力学特性进行了仿真测试分析,在道床沉降上与已有实验数据进行了相关对比。研究结果表明:该数值模型能够较好地模拟真实情况,行车速度和轴重对于道床沉降呈现正相关关系;行车速度和轴重对于道砟的平均角速度呈现负相关关系;随着列车运行速度和轴重的增加,轨枕最大应力值随之变大;轨枕和道床之间的接触强度越大,道床沉降量也越大。     

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.     

航空发动机动叶积垢数值模拟研究

基于NASA公布的Stage 36叶型及进气道数据,利用DPM离散相对ash,CaCO_3及Al_2O_3颗粒不同粒径、颗粒入射速度等条件对颗粒运动轨迹及叶片壁面颗粒沉积速率进行研究。颗粒直径增大、材料密度增加、低入射速度情况下将造成压气机叶片表面的颗粒物沉积速率逐渐加剧。叶片压力面区域相对于吸力面积垢沉积率较大,叶根区域相对于叶尖区域更容易产生积垢。     

微细颗粒高速撞击沟槽结构靶板抗冲蚀行为研究

研究颗粒高速撞击固体壁面的相关机理是解决动力装备关键部件颗粒冲蚀和沉积的关键技术基础。基于显式动力学算法,建立了球形颗粒冲击平板、波纹形和圆弧形图案结构靶板的冲蚀模型,研究了颗粒冲击角度、速度以及靶板结构等关键因素对冲蚀行的影响规律。结果表明：在30°～60°内,带有图案结构靶板的平均抗冲蚀性能优于平板结构;入射速度和角度一定的情况下,表征颗粒与靶板曲面关系的特征参数R/r对冲蚀率的影响较为明显;当R/r=10时,圆弧形沟槽结构抗冲蚀性能最优。以上研究为优化靶板表面结构、提高其抗冲蚀性能,提供了一定的理论基础及数据支撑。     

气液固三相湍流环境中气泡破裂对SiC颗粒的影响研究

为解决气液固三相磨粒流抛光加工中气泡破裂对Si C颗粒运动的可控性研究等问题,研究了气液固三相流中近壁面微纳米气泡破裂对周围流场和颗粒的影响,采用Fluent软件中多相流体体积模型与可实现k-ε湍流模型,建立了气液固三相颗粒流气泡破裂动力学模型,得到了气泡破裂对壁面和颗粒的作用规律。利用流场中气泡破裂产生的高速射流对周围颗粒的扰动作用,提高了颗粒切削工件表面动能。研究结果表明:气泡初始直径越小或气泡与颗粒之间的距离越小,都使气泡破裂所产生的局部射流对周围颗粒的影响越大;可为流体精密加工、空蚀、气泡可控性研究提供参考。     

Measurement of erosion due to particle impingement and numerical prediction of wear in pump casing

Erosion damage of wear-resistant materials due to sand particle impingement is measured and correlated based on Bitter's erosion model to clarify the effects of particle impinging velocity and angle, particle size and concentration on the wear. Using the empirical formula for the correlation and calculating impinging velocities of sand particles on a casing wall of a pump, successive erosion of the wall is numerically calculated to demonstrate the viability of the prediction method proposed in our previous study.     

螺旋槽小孔节流动静压空气轴承颗粒冲蚀研究

为研究空气轴承在运转过程中细小颗粒对壁面冲蚀情况，借助三维建模工具建立动静压空气轴承模型，从连续方程、可压缩流体润滑方程、气体状态方程出发，推导出等温条件下稳态气体润滑Reynolds方程；结合离散相模型(DPM)颗粒平衡方程，分析颗粒运动轨迹和颗粒对壁面的最大冲蚀速率。借助Fluent仿真软件分析气源压力、主轴转速、粒径参数对气体轴承壁面冲蚀的影响。结果表明：随着粒径尺寸的增加，相同运行工况下，壁面冲蚀磨损速率呈现先增加后降低趋势；随着主轴转速的增加，壁面冲蚀磨损的面积在增加，但最大壁面冲蚀磨损速率在下降，同时壁面磨损面积向主轴正向旋转的方向延伸。     

超高速离心叶轮中固体颗粒运动轨迹的数值模拟与分析

为解决和预测固体颗粒对超高速离心叶轮的冲击磨损问题,以多相流理论为基础,采用了雷诺应力模型结合颗粒轨道模型的方法,通过对超高速离心叶轮内气固两相湍流场的计算,得到了颗粒在叶轮中的运动轨迹;并用CFX对不同粒径的固体颗粒在超高速离心叶轮内部流场中的运动轨迹进行了数值模拟。模拟结果与已有实验结果吻合,说明采用雷诺应力湍流模型能准确描述超高速离心叶轮中固体颗粒的运动轨迹。     

高压流体入射角对节流阀材料的冲蚀预测及验证

针对钻井作业中高压流体携带的固相颗粒高速撞击阀芯曲面,导致阀芯轮廓冲蚀严重及节流阀使用寿命缩短这一技术性难题,运用欧拉-拉格朗日法和离散相模型,预测了颗粒在不同入射角度下对40Cr钢的冲蚀磨损量、冲蚀速率和冲蚀形貌分布,并将其与相关实验进行了对比。对比结果表明：当粒子入射角由15°增大到90°时,预测冲蚀斑坑深度、冲蚀质量损失和冲蚀速率先增大、再减小,冲蚀表面形貌由椭圆形逐渐向圆形变化;当粒子入射角为45°时,材料质量损失达到最大。因此,在进行节流阀的优化设计时,应尽量避免粒子入射角为45°以减缓粒子对阀芯的冲蚀。     

离心压缩机内固粒运动规律与冲蚀磨损的数值模拟

针对离心压缩机叶轮的冲蚀磨损问题,利用FLUENT中离散相模型、质量冲蚀率模型,对压缩机内部不同粒径的固体颗粒的运行轨迹、运动速度、偏聚浓度及造成的叶片冲蚀率的分布进行了数值模拟。结果表明:粒径为5~20μm的绝大部分的固体颗粒流经大叶片压力面附近流道;固体颗粒在运动到叶片前缘过程中速度迅速升高,在压力面腹侧会有所减小,后缘处重新升高;大叶片后缘根部固体颗粒浓度高、运行速度快,冲蚀磨损严重,且固体颗粒直径越大对大叶片压力面造成的冲蚀磨损越严重。     

基于熵值法径向基神经网络的清扫车吸尘口垃圾颗粒驻留时间预测

针对清扫车吸尘口内垃圾颗粒驻留时间受到结构类、固相类及气相类因素多类型、非线性作用预测难的问题,提出了基于熵值法的径向基神经网络(RBFNN)的垃圾颗粒驻留时间预测方法,该方法考虑了吸尘负压、滚刷转速、颗粒质量、颗粒密度、颗粒流量和吸尘管直径6种因素,将采用熵值法求解的因素权重作为输入扰动变量,建立了垃圾颗粒驻留时间的预测模型。结果表明：与采用传统RBFNN的预测方法相比,所提方法具有预测精度高的优点,可较好地解决清扫车吸尘口垃圾颗粒驻留时间预测难的问题,有助于提升清扫车吸尘系统设计水平。     

滑块运动和形位参数对颗粒流润滑特性的影响规律

针对机械工程中的典型摩擦学研究对象-斜面滑块摩擦副,基于非连续介质力学的离散单元法建立非流态颗粒流润滑的模型.通过研究颗粒膜厚度、斜面倾角、运动速度三个运动和形位变量,探讨它们对承载分布、摩擦因数等的影响.同时以颗粒和多体接触点为对象,考察颗粒流润滑中平均接触力、体功、接触摩擦功和颗粒总动能的微观特性.研究认为颗粒流润滑承载量与滑块的倾角、速度成正比关系,与颗粒膜厚度成反比.颗粒流润滑的压力峰出现在楔形的入口区.适度减小斜面倾角和颗粒膜厚度,有利于减少摩擦.相对而言,滑块速度对摩擦因数的影响不大.