垂直锐边孔口的自由出流特性（Ⅲ）孔几何形状对孔流系数的影响

通过实验,分别考察了相同流通截面积下,圆形、椭圆形、正方形、矩形和三角形等不同几何形状的垂直锐边典型“大孔”和“小孔”的自由出流特性。所得孔流系数曲线形态基本相同,孔流系数值略有差异,圆孔最高,三角形最低,说明孔几何形状对孔流能量损失有一定影响,但不是关键结构参数,不会从根本上改变孔流机理。其能量损失差异可根据孔口的水力半径、锐角界面张力以及非圆形孔射流的穿透现象加以解释,藉此对前期的圆孔流动机理进行了补充。此后,为了详细考察孔形状对孔流速度分布和能量损失的影响,采用计算流体力学软件Fluent 6.2对其进行了模拟,模拟流场说明孔形状对孔前流动影响区的主体范围和速度分布基本没有影响,孔前流动的机械能损失仍可采用半球形模型研究,进一步说明不同孔形状的孔流机械能损失差异是入孔以后造成的。     

垂直锐边孔口的自由出流特性(Ⅱ)孔前流动影响区的流场特性

孔前流动引起的阻力损失是孔流机械能损失的重要组成部分。本文提出了孔前流动影响区的概念,首先通过悬浮颗粒示踪实验,考察了水通过垂直锐边孔口自由出流的孔前流动影响区的范围和主要影响因素,然后用计算流体力学软件Fluent 6.2对孔流进行了模拟,孔前区范围的模拟结果与实验结果基本吻合。此外,还将孔流系数的模拟值与前期实验值进行了对比,两者基本吻合,说明了模拟的可靠性。藉此讨论了孔前流动影响区的范围、速度分布、压力分布和流动状态随操作条件、孔结构条件的变化,并对“大孔机理”和“小孔机理”的孔前能量损失进行了对比分析。     

垂直锐孔自由出流的孔前流动影响区机械能损失模型

对流体通过具有相同孔径的流线型收缩孔和垂直锐孔的自由出流进行了实验,用收缩孔的机械能损失模拟垂直锐孔的孔前流动机械能损失,并将孔前流动的机械能损失与垂直锐孔整个孔流过程的机械能损失进行了对比。实验结果定量说明了不同流动状态下典型大孔和典型小孔的孔前流动机械能损失占孔流总机械能损失的比例,该比例还反映出了大孔、小孔入孔以后流动的机械能损失差异及其随板厚变化的规律,从而验证了前期对孔流机理的分析。此外,根据前期提出的孔前流动影响区的物理模型,结合计算流体力学软件Fluent 6.2模拟得到的孔前区流场数据,得出了孔前流动影响区内阻力系数模型基本方程,在此基础上,对孔前流动的机械能损失实验数据进行拟合,建立了稳定湍流状态下孔前流动影响区的机械能损失模型。     

垂直锐边孔口的自由出流特性（I）流动状态和孔结构参数对孔流系数的影响

通过实验,考察了Reynolds数、液层高等操作参数和孔径、板厚等结构参数对垂直锐边孔口自由出流特性的影响。在此基础上,根据孔流系数曲线的不同规律,将孔流机理划分为“大孔机理”和“小孔机理”,并对孔流曲线进行了分区讨论,借助边界层理论,探讨了这两类孔流过程的机械能损失差异以及孔流曲线在不同操作区的机械能损失差异。     

垂直锐边孔口的自由出流特性(Ⅰ)流动状态和孔结构参数对孔流系数的影响

通过实验,考察了Reynolds数、液层高等操作参数和孔径、板厚等结构参数对垂直锐边孔口自由出流特性的影响。在此基础上,根据孔流系数曲线的不同规律,将孔流机理划分为“大孔机理”和“小孔机理”,并对孔流曲线进行了分区讨论,借助边界层理论,探讨了这两类孔流过程的机械能损失差异以及孔流曲线在不同操作区的机械能损失差异。     

异形喷嘴撞击流混合器涡特性及混合性能数值模拟

为了研究撞击流混合器不同形状喷嘴的流场涡特性及混合效果，利用数值模拟方法对不同工况下的流场进行分析，得到不同喷嘴撞击流混合器的速度场、涡量场、涡结构以及浓度变异系数的变化规律，揭示不同形状喷嘴对撞击流混合器混合效果的影响。结果表明：喷嘴出口截面为圆形、等边三角形和正方形的撞击流混合器轴向速度为“V”形分布；喷嘴截面为圆形和正方形的撞击流混合器径向速度为“M”形分布。等边三角形截面喷嘴的撞击流混合器产生的流向涡数量多、强度大并且产生的涡旋结构的连续性更高，分布范围更广。相同工况下等边三角形截面喷嘴的撞击流混合器混合效果明显优于圆形喷嘴和正方形喷嘴混合器，最快达到混合均匀。     

工业常用孔的流动特性研究进展

孔流系数是孔特性研究的重要参数之一,其特性研究在工程实际中非常重要。可以由理论公式、实验数据拟合或关联式及数值模拟等方法表示。常用孔的形状可以分成普通孔(圆孔、方孔)与特殊孔(如U型孔,V型孔等)两大类,笔者对常用工艺孔孔流系数的不同研究方法及适用条件进行了综述,分析发现,孔流系数C0=F(孔形状、雷诺数Re、厚径比δ/d0)。薄壁小孔的孔流系数可以近似为0.62~0.63;厚壁孔的孔流系数可以近似为0.82;流量系数C0与流速系数CV、收缩系数ε、阻力系数ξ的关联式可以表述为简单孔孔流系数关联式为:C0=εCV,收缩系数ε=AA1c,CV=11 ξ流速系数。笔者认为,前人对特殊孔的研究相对较少,今后对孔流系数的研究应借助先进实验方法,采用数值模拟技术,拓宽研究领域和适用范围,特别是应加强对特殊孔的研究,以加快新设备的开发与利用。     

不同形状喷嘴的射流流动与卷吸特性

在不同雷诺数下,基于ANSYS Fluent 6.3软件对圆、椭圆、正方、十字、三角5种形状喷嘴的射流卷吸特性进行数值模拟,分析了轴向射流时均速度分布. 结果表明,三角形喷嘴的射流轴向最大时均速度最大,不同形状喷嘴的射流轴向最大时均速度均随轴向位置增大呈幂函数关系衰减;射流穿透深度与雷诺数和弗劳德准数存在多元线性关系;随轴向位置增大,射流横截面形状由初始段内喷嘴形状逐渐向圆形转化并最终扩展为圆形边界;射流轴线速度半值宽随轴向位置增加呈线性增大趋势,三角形喷嘴的卷吸率是十字形喷嘴的1.92~2.32倍.     

双室蒸发分离室内流动及蒸发过程的数值模拟

掌握双室双管程蒸发器分离室内汽液二相流动及蒸发过程特性是其进一步结构优化的基础,应用STARCCM+软件对分离室内隔离板上平衡孔的形状和位置对汽液二相流动及蒸发过程的影响进行了数值模拟。模拟结果表明:分离室内隔离板上平衡孔较佳的形状为圆形孔,其适宜的设置位置为距分离室底部与距汽液入口处距离之比在2∶3—2∶1之间。设置在该区域时,分离室内流场均匀,流动阻力损失较小,推动力较大;在平衡孔形状及位置较佳的情况下,分离室一内液位高于分离室二,隔离板两侧温度分布相对比较均匀,并能够建立起稳定的温度差和浓度差,在分离室上方汽液能够实现较好的分离;模拟结果进一步证实了双室双管程蒸发器实际操作的可行性。     

用三维网络模型模拟多孔介质的吸着回路

在简单立方网络框架的基础上构造了具有规整和随机特性的三维网络模型,并引入了周期边界条件.采用Weibull分布作为孔尺寸参数的分布函数,模拟了不同配位数和孔尺寸范围下氮在多孔介质中的等温吸附和脱附过程.着重考察了多孔介质网络模型的几何性质和拓扑性质对吸着等温回路的影响.结果发现,影响吸着等温线回路形状的主要因素是孔喉的半径和网络的配位数.     

不同形状方向性型孔液体润滑端面密封性能对比

表面微孔的方向性可以改变密封间隙中流体的流向,在孔区末端汇聚产生明显的流体动压效应,使摩擦副端面打开,形成全膜润滑。以不同开孔形状(圆形、菱形、椭圆形、长方形)型孔端面密封为研究对象,考虑润滑液膜中的空化现象,基于质量守恒JFO空化算法建立数值模拟模型,采用有限差分法求解Reynolds控制方程,获得端面膜压分布。对比分析了在不同操作参数和几何结构参数下不同开孔端面密封性能。结果表明:相比于圆孔,在低速或高压下,方向性型孔都具有较好的动压效应,且长方形孔的动压开启力最好,菱形孔泄漏率较小。当膜厚h0=1.5~2.5μm,孔深hp=2~3μm,长短轴比γ=3~4,反向开孔比β=0.5,倾斜角α1=30°~50°、α2=120°~140°时,不同形状方向性型孔可获得最佳的动压密封性能。     

微流道粗糙壁面对流动阻力和控制的影响

研究了3种粗糙单元(三角形、矩形、三角形与矩形交错混合)壁面对微流道内流动和摩擦阻力的影响。利用二维模型模拟了量纲一泊肃叶数与粗糙单元的几何特性和分布的关系。结果发现:在模拟条件下,粗糙壁面摩擦阻力(泊肃叶数)总是大于光滑壁面的摩擦阻力;壁面粗糙单元的高度对摩擦阻力的影响较大,可有近乎指数型的增长,粗糙单元的长度和间隔的影响居中,而雷诺数的影响较小。说明壁面粗糙度可有效改变槽道内的流动状态,增大混合效率。     

列管反应器改进结构环形分布器内变质量流动的数值分析

环形分布器是实现载热体在列管式固定床反应器壳程均匀流动的重要部件。采用计算流体力学方法对丙烯氧化反应器壳程熔盐在改进结构型式(即椭圆扩张型进口,进口处两侧分别设置呈45°的导流挡板,挡板上均匀分布小孔,不均匀的开孔方式)的环形分布器内的变质量流动进行了模拟研究,分析了环形分布器内的速度及静压分布规律,并与传统型式环形分布器进行对比,并考察了出口分布孔数目及进口熔盐流量对均布效果的影响。通过计算发现,改进结构的分布器均布特性优于传统结构;优选24个分布孔能够满足流体均布的要求,且分布孔达到36,流体均布情况基本稳定;减小进口熔盐流速,进口区域速度及静压波动较小,减小了进口能量损耗,有利于流体均布。     

不同形状方向性型孔液体润滑端面密封性能对比

表面微孔的方向性可以改变密封间隙中流体的流向,在孔区末端汇聚产生明显的流体动压效应,使摩擦副端面打开,形成全膜润滑。以不同开孔形状（圆形、菱形、椭圆形、长方形）型孔端面密封为研究对象,考虑润滑液膜中的空化现象,基于质量守恒JFO空化算法建立数值模拟模型,采用有限差分法求解Reynolds控制方程,获得端面膜压分布。对比分析了在不同操作参数和几何结构参数下不同开孔端面密封性能。结果表明：相比于圆孔,在低速或高压下,方向性型孔都具有较好的动压效应,且长方形孔的动压开启力最好,菱形孔泄漏率较小。当膜厚h₀=1.5～2.5 mm,孔深h_p=2～3 mm,长短轴比γ=3～4,反向开孔比β=0.5,倾斜角α₁=30°～50°、α₂=120°～140°时,不同形状方向性型孔可获得最佳的动压密封性能。     

基于CFD的强化裂解炉管设计

通过计算流体力学（CFD）的方法,将丙烷裂解反应动力学与流动方程、能量方程耦合,考察了在普通裂解炉管中加装中空立交盘（hollow cross-disk,HCD）内构件对管内流动及裂解反应的影响。结果发现,HCD内构件通过壁面几何形状变化重布了流场结构,以合理的压力损失为代价产生径向速度,并诱导产生纵向涡剪切破坏边界层,强化了流体的湍动程度,降低热阻,提高了温度分布均匀性。相比于普通炉管,加入中空立交盘后,裂解管丙烷转化率提高7.24%,烯烃选择性提高3.67%,乙烯收率降低0.87%,但丙烯收率大幅上升16.50%,烯烃总收率上升6.94%。此外发现,纵向涡产生的径向流动促进了近壁区高温流体和管中心区相对低温流体的换位,流体温度最高下降了0.7℃;与普通炉管相比,新型裂解管出口处重组分浓度下降了28.33%,说明加入中空立交盘可防止近壁面高温区域过度裂解,有助于抑制结焦。在此基础上,结合模拟所得的场分布数据,定量分析了HCD强化传热和传质的机理,并就阻力损失和强化效果做出综合评价。     

孔盘式液体分布器内液体流动对布液孔出流均匀性的影响

借助包括双欧拉均相多相流模型、VOF界面追踪方法和SST k-ω湍流模型的CFD模型,对孔盘式液体分布器内的流场对布液孔出流均匀性的影响进行研究。首先以单孔流动时的液体流量为标准值,通过与标准值的偏差来评估布液孔的出流不均。根据偏差的大小,可以衡量分布器内流动对布液孔出流的影响。然后结合孔前流动区概念对模拟结果进行分析,发现布液孔出流不均是由分布器内液体流动不均造成的。最后,提出了通过改变进料管位置来优化盘式液体分布器结构。计算结果表明,改变进料管的位置可以避免大规模不良分布,进而提高液体分布器的性能。     

含孔损伤复合材料层合板固有频率研究

建立了舍圆形穿孔和方形穿孔损伤复合材料层舍板的有限元计算模型.随着开孔损伤尺寸的变化,计算出含圆形穿孔或方形穿孔损伤复合材料层合板的各阶固有频率.拟合出开孔大小和固有频率之间的关系,得到了层合板固有频率随孔的尺寸和形状变化规律.结果表明,随着损伤程度增加,层合板固有频率都将减小;方孔损伤层合板固有频率减小的幅度和速度都比圆孔损伤层舍板的大;小尺寸穿孔损伤对层合板固有频率的影响很小.     

基于CFD的强化裂解炉管设计

通过计算流体力学(CFD)的方法,将丙烷裂解反应动力学与流动方程、能量方程耦合,考察了在普通裂解炉管中加装中空立交盘(hollow cross-disk,HCD)内构件对管内流动及裂解反应的影响。结果发现,HCD内构件通过壁面几何形状变化重布了流场结构,以合理的压力损失为代价产生径向速度,并诱导产生纵向涡剪切破坏边界层,强化了流体的湍动程度,降低热阻,提高了温度分布均匀性。相比于普通炉管,加入中空立交盘后,裂解管丙烷转化率提高7.24%,烯烃选择性提高3.67%,乙烯收率降低0.87%,但丙烯收率大幅上升16.50%,烯烃总收率上升6.94%。此外发现,纵向涡产生的径向流动促进了近壁区高温流体和管中心区相对低温流体的换位,流体温度最高下降了0.7℃;与普通炉管相比,新型裂解管出口处重组分浓度下降了28.33%,说明加入中空立交盘可防止近壁面高温区域过度裂解,有助于抑制结焦。在此基础上,结合模拟所得的场分布数据,定量分析了HCD强化传热和传质的机理,并就阻力损失和强化效果做出综合评价。     

环形分布器气体的流动及气流均布

采用激光多普勒技术测量了装有整流环的环形分布器中的流场 ,发现整流环外侧环形通道内存在大量循环气流 ,并呈变质量流动状态 ;整流环内侧环形通道中 ,循环流动基本消失 ,但仍存在较大的脉动速度 ,靠近内环射流孔处气体均匀径向流动为主。利用压力排管研究了整流环开孔率和开孔方式对均布效果的影响 ,发现通过调整整流环周向开孔率可以实现内环射流流量均布。在本实验范围内 ,整流环的使用可以降低环形分布器的能量损失。     

阳极开孔形状对金属锰电沉积行为的影响及数值模拟

电沉积锰过程中阳极的结构直接影响电解槽内电场分布以及电沉积过程能耗。采用实验与数值模拟相结合的手段,分析阴极金属锰和阳极泥的微观形貌、电流效率以及电解槽内电场分布,研究阳极板开孔形状对电沉积锰过程的影响规律。对电解槽进行了三维建模与数值模拟,并通过在线测定阴极过电位实验对模拟结果进行了验证。实验结果表明:在相同开孔面积的条件下,圆孔比方孔和整块矩形孔的电解性能要好。圆孔阳极板在电解过程中阴极过电位的值最小为–1.609V,获得的最大电流效率74.54%,最低单位能耗降5506k W·h/t,而且金属锰表面更加平整致密。模拟结果表明:模拟结果和实验结果具有良好的一致性,圆孔阳极板在电解过程中电解槽内电场分布均匀、合理,在阴极板水平与垂直方向上均获得最小过电位值–1.5989V。