完全三维自由表面非静水压力流动数学模型Ⅱ:验证

给出作者建立的完全三维自由表面流动模型的守恒性数学证明。模型对结构化和非结构化网格都是适应的,当采用非均匀的平面二维网格时,模型具有一阶精度,而采用均匀的平面二维网格时具有二阶精度。通过三维线性驻波、椭圆形浅滩上波浪的传播和渤海潮流运动三个算例对模型进行检验,计算结果与解析解和实测值吻合较好,表明本文模型在垂向分很少层(2-5层)就能够准确模拟具有强三维流动特性的自由表面流动问题的能力和具有良好的复杂边界适应性。     

用于非平衡热等离子体数值模拟的物理数学模型

准确的物理数学模型,包括基本控制方程及与其相应的等离子体热力学与输运性质计算公式,是采用数值模拟方法深入研究非平衡热等离子体体系中传热、流动及其他复杂物理化学过程的基础。为此从Boltzmann方程出发,首先推导出描述等离子体中不同组分质量守恒、动量守恒和能量守恒方程以及电流连续性方程等基本控制方程,然后采用修正的Chapman-Enskog方法推导出等离子体输运性质参数,包括扩散系数、粘性系数、电子和重粒子平动热导率和电导率等的表达式。不仅在保证等离子体体系质量、动量、能量和电荷通量自洽的前提下封闭了控制方程,而且与现有广泛采用的描述平衡态热等离子体特性的模型间的自洽性也得到了保证。另外,采用所提出的方法推导出的非平衡热等离子体物理数学模型可以避免对目前仍存在争议的定压比热、反应热导率等参数的定义和计算。     

1000MW宽负荷超超临界机组锅炉水动力特性计算及分析

针对1000 MW高效宽负荷率超超临界机组锅炉结构特点,将水冷壁划分为由流量回路、压力节点和连接管组成的流动网络系统。根据质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程,建立了超超临界垂直管圈锅炉水冷壁水动力计算模型。利用牛顿弦割法求解非线性模型得到了锅炉在BMCR负荷、75%THA负荷和30%THA负荷下的流量分配、炉膛出口汽温及水冷壁金属壁温分布情况。计算结果表明:各负荷下,壁温和鳍片温度在材料许可范围内,该采用垂直管圈的超超临界机组锅炉水冷壁在水动力方面安全可靠;30%THA负荷时水冷壁不会发生流动不稳定性。     

一种两相流动态数学模型的建模方法及应用

该文介绍了一种实用的两相流集总参数数学模型的建模方法,方法使用Ｚｕｂｅｒ Ｆｉｎｄｌａｙ的漂移通量模型,系统地综合了建立两相流动和传热问题数学模型的能量守恒、质量守恒和动量守恒的动态方程。通过这种方法在核电站蒸发器系统仿真研究中的应用,证实了这种建模方法的可靠性,该方法可适用于工程中常见的两相流动问题。     

垂直坐标系对于水温分层流动模拟的影响研究

随着高坝水库的建设和高性能计算机的出现,以往应用于大洋的三维模型正越来越多的应用于水库分层流动的模拟中。作为三维模型的建立基础,垂向坐标系对于小尺度区域模拟精度的影响研究目前尚不多见。基于物理水槽分层流动实验结果,评估了最常用的笛卡儿z坐标系和σ地形坐标系对于流场和温度场的模拟精度影响。结果显示两种垂直坐标系均适用于分层流模拟,但σ垂直坐标系模型模拟结果精度更高;与σ坐标系相比较,z坐标系由于底部阶梯水体静力不稳定和虚拟漩涡放大了垂向扩散能力,使得速度以及温度分层强度偏小;水平速度场显示,z坐标系对于底部的阶梯化处理会引起底部速度场的失真,等温线也呈相应的阶梯型变化趋势。     

加导叶轴流泵水动力特性研究

用数值方法计算了加导叶轴流泵的水动力特性.在质量守恒定理和动量守恒定理的基础上建立不可压缩流体的积分方程,以SIMPLE为基本算法,结合速度修正方程和压力修正方程,求解轴流泵的内部速度场和压力场,采用基于二方程雷诺数时均方程方法研究轴流泵的湍流模型.用数值方法建立轴流泵的三维数学模型,用混合网格布置方法提高计算精度.分析了不同流量下加导叶轴流泵器的流量和扬程、功率和效率的关系;研究了导叶对轴流泵水动力性能的影响.     

综合能源系统分析的统一能路理论(二):水路与热路

供热网络是综合能源系统的重要组成部分。作为系列论文的第二部分,该文以供热网络为对象,基于质量守恒方程和动量守恒方程推导了水路模型,基于能量守恒方程推导了热路模型,并通过傅里叶变换和二端口等值实现了模型向代数方程的化简,最后基于水路模型与热路模型刻画了供热网络的支路特性与拓扑约束,并由此导出了水力网络方程和热力网络方程。此外,根据供热网络的水力运行特点,完成了动态水路向稳态水路的退化并提出了修正解法。算例结果表明了水路与热路方法分析供热网络的有效性。与传统分析方法相比,热路方法可以描述时域中连续的热力动态过程,在满足计算精度的同时,显著降低了网络分析的计算复杂度。     

压水堆机组二回路热力系统实时仿真研究

介绍了核电机组二回路主蒸汽与给水回热系统实时仿真。模型基于能量、质量、动量守恒方程和水蒸汽物性，考虑了蒸汽的可压缩性和表面式换热器的非平衡的动态热交换特性，以及PWR型机组主蒸汽参数低，容积流量大的特点，利用流体网络进行求解。仿真结果表明该模型具有准确的计算结果，动态趋势合理，适用于全工况范围正常运行和异常事故运行，为新一代仿真机的研制，提供了有效途径。     

基于无结构、σ坐标网格的半隐式三维水沙数学模型Ⅰ-算法

针对天然河流水域边界不规则的特点,提出了平面无结构、垂向σ坐标网格上三维自由水面水沙数学模型的基本框架。模型基于压力分裂模式和θ半隐算法建立,求解分为两步,第一步求解一个关于自由水面的二维Poisson方程,获得水位和临时流场;第二步求解一个关于动水压强的三维Poisson方程,获得动水压强场并用它来校正临时流速场。在构造动水压强三维Poisson方程时借鉴了BOM模型方法,而在自由水面处理上摒弃了其内外模分裂方法,因而模型不受模式分裂方法中一致性问题的影响。在三维水流模型的基础上建立了悬移质泥沙模型,采用欧拉-拉各朗日方法（ELM）求解控制方程中的对流项,使模型计算的时间步长不受CFL稳定条件限制。     

象山港三维潮流特性的数值模拟

应用非结构有限体积海岸和海洋模型(FVCOM)建立象山港区域的高分辨率三维潮流数值模型.该模型水平方向采用非结构的三角形网格.使得能够更好地拟合象山港内众多岛屿和复杂曲折的不规则岸线边界.垂向采用σ坐标,考虑了湾内水道地形变化剧烈的特点.模型计算结果与实测结果吻合良好,较好地模拟了象山港内潮流场的时空分布特点,简要分析了余流场的三维特性.     

温排水水槽试验与平面二维、准三维及三维数值模拟的比较

平面二维(简称"二维")、分层三维(简称"准三维")和三维模型是温排水数值模拟中的重要工具,但三种模型在温排水研究中的关键参数和模拟效果还缺乏系统研究。本文以人工气象试验厅内开展的温排水水槽试验为研究对象,分别采用常用二维、准三维和真三维模型进行了数值模拟,并与水槽试验结果进行对比。研究表明:三种模型的关键敏感参数为网格精度、广义黏滞系数和广义热扩散系数。二维和三维远区模拟效果相近;浮射流近区流场和温度场的卷吸掺混三维特性明显,三种模型模拟效果存在差异:准三维模型与三维模型相比,射流动量模拟不足,水温垂向梯度偏小,回流区位置和尺寸捕捉精度略低,在温升面积、形态等方面的模拟效果差于三维模型。     

船用增压锅炉动态特性仿真研究

以某船用增压锅炉为研究对象，结合船用常压锅炉的试验数据，建立了适用于增压锅炉的数学仿真模型。根据质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，采用集总参数法分别建立船用增压锅炉各部分的数学模型，并进行动态参数变化的仿真分析。     

小流域产汇流及产输沙分布式模型的初步研究

具有物理基础的分布式水文模型,是目前国内外水文学者颇感兴趣的科研课题.本文从物理概念出发,对流域产汇流和产输沙过程均采用分布式模型,并将二者有机结合,建立质量和动量的守恒方程.模型中应用了GIS技术,计算结果与监测值比较符合.本文模型可用来进行小流域的径流量及产沙量的预报计算.     

强潮海湾温排水三维数值模拟

温排水排人海湾后,温差所产生的浮力效应,温排水趋于海水上层运移,随潮流的运动在呈现涨落分布。本文采用三维分层σ坐标斜压模型进行海湾流场和温排水温度场扩散的计算,通过分析温升场的平面温度和垂向温度分布,了解温排水对海湾温升的影响以及强潮海湾三维温排水的特点。     

不同来水条件下弯道摆动的三维数值模拟

基于非正交网格,采用局部网格可动技术来处理由非黏性土河岸崩塌所引起的弯道摆动过程.在曲线坐标同位网格下,采用不平衡输沙方程及非黏性土崩岸模块构建了弯道横向摆动三维数值模型.模型采用有限体积法对方程进行离散,采用与动量插值技术相结合的SIMPLEC算法进行模型求解.模拟分析了不同来水条件下边岸可冲时弯道的摆动过程,结果表明:模型能够有效地模拟出大、小流量下弯道演变过程中"大水趋直、小水坐弯"等复杂响应过程,实测结果与计箅结果吻合较好.     

三维悬沙模型及河岸边界追踪方法Ⅰ-泥沙模型

建立了无结构、z坐标网格上的三维悬移质泥沙数学模型,为保证计算的守恒性,泥沙输运方程使用有限体积法求解;为使泥沙模型的求解对水流模型的求解不形成附加的稳定限制条件,泥沙输运方程使用亚循环分步模式离散。使用了垂向亚网格技术,使垂向网格能实时地贴合和追踪自由水面和床面,相对于传统的z坐标网格提高了计算精度;同时,在垂向亚网格技术中,为避免因泥沙冲淤产生的垂向小尺度网格对计算时间步长的限制,提出了垂向网格融合技术对底层网格进行处理。借助直壁复式明渠、异重流潜入的水槽实测资料对模型进行了检验,计算结果与试验资料符合良好。     

压水堆稳压器波动管热分层现象的流固耦合传热数值模拟

采用三维全尺寸非稳态流固耦合传热的计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对压水堆稳压器波动管发生热分层现象时的流动与传热进行数值研究。与以往的模型相比,将计算控制区域扩展到波动管管壁所在的固体区域,采用更适合于求解具有二次回流和流动分离情况的剪切应力输运(shear stress transport,SST)K-ω湍流模型。在评价浮升力对管内流动与换热影响时,利用较Boussinesq近似更有效的计算方法。从而,得到更加精确的管道瞬态壁温分布及变化规律并对所得结论进行了详尽分析,为准确评价热分层现象对波动管使用寿命损耗的影响提供可靠依据。     

综合能源系统分析的统一能路理论(一):气路

综合能源系统已成为国内外研究的热点与前沿,为实现不同能源网络研究的学科融合,基于电路理论中"场"到"路"的推演方法论,提出统一能路理论。作为系列论文的第一部分,该文以天然气网络为对象,基于质量守恒与动量守恒方程推导了分布参数的时域气路模型,利用傅里叶变换将气路映射至频域并通过二端口等值得到集总参数模型,实现了气路模型从偏微分方程向代数方程的简化。最后基于气路模型导出了天然气网络的网络矩阵和网络方程,与电力网络的网络矩阵和网络方程在数学形式上具有高度的统一性,从而奠定了气、电2种异质能流统一分析的理论基础。相比传统分析方法,气路方法具有更低的计算复杂度,算例结果表明其在计算效率上有显著优势。     

侧式进/出水口流动分离现象研究

抽水蓄能电站侧式进/出水口具有双向过流的特点,若进/出水口体型设计不当,出流时扩散段易发生流动分离现象,导致拦污栅断面流速分布不均,甚至出现反向流速。本文利用Realizable k-?紊流模型,针对进/出水口出流扩散时的流动分离现象,探讨了垂向扩散角?和水平扩散角?对流动分离的重要程度,垂向扩散角对减弱流动分离、消除拦污栅断面反向流速起主导作用。在此基础上,考虑设计标准对过栅流速的要求,在孔口面积不变的条件下,研究了出流时垂向扩散角对流动分离和孔口流速分布的影响。当隧洞雷诺数Re≤2.7×107、垂向扩散角?≤2.0°时,扩散段无明显的流动分离现象,拦污栅断面不出现反向流速。研究成果对侧式进/出水口的设计和运行具有指导意义。     

基于热力学模型的PEMFC用喷射器的设计

根据气体的热力学方程,结合流体流动的连续性和动量能量的守恒方程,建立了一种质子交换膜燃料电池用亚音速喷射器热力学模型。从燃料电池的操作条件出发,设计了引射流体饱和增湿和不增湿两种对比工况,通过模型计算得到了两种工况下工作流体标准体积流量与喷嘴喉部直径、混合室截面直径的关系。根据模型计算结果设计了3.5 kW电堆用亚音速喷射器,并通过实验测试了该喷射器的引射性能。研究表明通过模型指导设计的喷射器具有良好的引射性能,同时针对水蒸气对引射系数的影响提出摩尔回流比的概念,可以更好地评价喷射器在质子交换膜燃料电池上的可使用性。