粗糙流道微细颗粒物沉积特性的数值研究

应用Weierstrass-Mandelbrot(W-M)分形方程构建了均方根粗糙度为0.5mm的壁面,采用欧拉-拉格朗日双向耦合方法,对粒径范围为0.1~20μm的球形固体颗粒在风速范围为3~7m/s的粗糙流道内的沉积行为进行了数值模拟,研究了粗糙流道内的颗粒沉积特性。结果表明:粗糙结构在近壁区间生成一系列湍流涡,可大幅提高微小颗粒(无量纲弛豫时间τ+1)的沉积速度,但粗糙结构对较大颗粒(τ~+1)的沉积速度影响较小;风速的提高增大了近壁区间内的湍流涡速度及湍动能,可增大d_p≤5μm的颗粒的沉积率,但对于d_p≥10μm的颗粒,提高风速会使其沉积率下降;减小壁面粗糙度可作为减弱PM2.5沉积速度的有效手段。     

旋风分离器壁面磨损数值模拟研究

壁面磨损是制约旋风分离器发展的突出问题,基于计算流体力学方法研究入口速度和颗粒粒径对分离器壁面磨损及分离效率的影响。研究发现,环形空间壁面沿圆周方向的磨损速率分布规律不随入口速度变化而改变,180°至260°方位角区间磨损较严重;分离空间筒体壁面的磨损速率沿圆周方向呈现较均匀分布,锥体壁面的磨损速率随高度的减小而增大。不同单一粒径下环形空间壁面沿圆周方向磨损速率先增加后减小,且粒径较大时磨损峰值对应的方位角更小;分离空间壁面磨损速率在锥体下部达到磨损峰值,且在粒径大于30μm时会明显增加。当颗粒粒径处于8～30μm之间时,增大入口速度是提高分离器效率的有效方法;当颗粒粒径大于50μm时分离效率接近100%。     

动车组支柱绝缘子伞裙不同部位积污特性的仿真研究

为研究动车组支柱绝缘子伞裙不同部位积污特性,将动车组支柱绝缘子伞裙分为迎风面、背风面和侧风面,建立了积污特性的流场计算模型,以质量沉积率为表征积污特性的参数,分析了不同部位质量沉积率与污秽颗粒粒径、气流速度之间的关系,比较了不同部位质量沉积率的差异性。仿真结果表明:迎风面和侧风面质量沉积率随污秽颗粒粒径的增大而增大,背风面质量沉积率随污秽颗粒粒径的增大而减小;不同部位质量沉积率与气流速度的关系受污秽颗粒粒径的影响,当污秽颗粒的粒径大于10μm时,随着气流速度增大,迎风面和侧风面质量沉积率增大,背风面质量沉积率保持为0,在相同污秽颗粒粒径和气流速度条件下,迎风面质量沉积率大于侧风面,而当污秽颗粒的粒径小于10μm时无上述规律。     

水平槽道近壁面附近颗粒尾流特性的高分辨率PIV实验研究

采用PIV测量方法,对不同雷诺数下球形颗粒的尾流特性进行了研究。实验中颗粒是10mm的不锈钢球,距壁面高度G/D(28)0、0.25、0.5和1.0,Rep(28)900、2500和5000,气相示踪粒子为峰值粒径2.5?m的雾化液滴。通过对实验得到的瞬态速度场进行分析,得到时均流线图和速度场。结果表明,G/D(28)0时,整体涡脱落强度明显减小,颗粒下部的漩涡脱落完全被抑制,在颗粒尾部形成一个顺时针回流区,大小约为颗粒尺寸的1.5倍。0.25?G/D?0.5时,壁面的存在使得颗粒尾流结构出现了不对称,呈一定的角度向上倾斜。随着颗粒与壁面距离的增加,壁面对颗粒尾流的影响减弱,在颗粒后缘会出现一对回流区,上方呈顺时针旋转,而下方呈逆时针,且回流区的长度先减小后增大。     

污泥水焦浆管道输送的壁面滑移和减阻特性

在小型浆体输送试验装置上系统地研究了污泥水焦浆的流变特性、滑移速度和阻力特性。采用Tikhonov正则化方法确定了水焦浆的真实流变特性和壁面滑移速度,研究了污泥添加量对水焦浆真实流变特性、壁面滑移效应、阻力特性和滑移减阻特性的影响。结果表明:水焦浆为胀塑性流体;向水焦浆中添加5%的污泥,浆体的剪切增稠特性减弱;污泥添加量达到10%时,水焦浆随剪切速率增大由胀塑性流体向假塑性流体转变。水焦浆的滑移速度随剪切速率呈加速增长趋势;污泥水焦浆的滑移速度随剪切速率呈减速增长趋势。水焦浆管道流动的阻力系数较大,污泥水焦浆的阻力系数显著降低。水焦浆的滑移减阻率随流速增大而增大,污泥水焦浆的滑移减阻率随流速增大而减小。     

颗粒帘换热器中气粒两相流动特性实验

在颗粒帘换热器实验平台上,运用实验测量和理论分析等方法,开展了颗粒帘换热器中气粒两相流动特性的冷态实验。结果表明:当颗粒空隙率较低时,颗粒流卷吸周围空气量减小,换热器通道内下落颗粒帘出现扩散现象,反之,颗粒帘出现收敛现象;颗粒帘后部气流速度随进气速度及颗粒帘初始厚度的增加而增大,随颗粒粒径及颗粒质量流量的增加而减小;进气速度、颗粒质量流量对颗粒帘后部气流速度的影响大于颗粒帘初始厚度、颗粒粒径的影响;颗粒帘后部气流速度随颗粒帘下落高度的增加而增大。     

飞灰颗粒横掠管束的沉积特性数值研究

为了揭示飞灰颗粒在管簇式换热器表面的沉积分布,利用拉格朗日粒子随机追踪模型以及El-Batsh和Haselbacher提出的粒子沉积模型,对飞灰颗粒横掠管束时的运动轨迹和沉积特性进行了数值研究,获得了管束排布方式以及粒子直径对飞灰颗粒运动轨迹及沉积分布的影响。结果表明:飞灰颗粒在管壁表面的碰撞率和黏附率与管束排布和粒径有关,飞灰颗粒的黏附率随着粒径的减小而增大。     

滚筒冷渣器内颗粒床运动状态的离散单元法模拟

研究通过离散单元法(DEM)模拟直观获得滚筒中的颗粒运动情况,分析滚筒中处于滚落状态下颗粒床的结构特点。结果表明:1)颗粒运动周期、主动层颗粒最大速率、主动层最大厚度、主动层最大厚度与料床最大深度之比的模拟值与理论模型的计算值相吻合;2)颗粒运动周期随转速的增加而减小,随填充率、滚筒直径的增加而增大;3)主动层颗粒最大速率随转速、填充率、滚筒直径的增加而增大;4)主动层最大厚度随转速、填充率、滚筒直径的增加而增大,δ/h随转速和滚筒直径的增加而减小,随填充率的增加而增大。     

高温线管式静电除尘过程三维模拟

为了分析高温线管式静电除尘器中的除尘过程与颗粒运动情况,建立了颗粒动力学与颗粒收集的三维理论模型,并利用商业CFD软件Fluent对模型进行模拟计算。结果表明:高温线管式静电除尘系统的除尘效率、颗粒运动情况与实验研究较符合;增大端口电压是提高除尘效率的有效方法;当粒径减小时,颗粒的沉积高度会迅速增大,从而变得难以收集,以620℃、端口电压17 310 V的工况为例,粒径大于6μm颗粒的收集效率接近100%,而亚微米颗粒(0.1~1.0μm)的收集效率只有40%左右;颗粒进入除尘空间的初始位置对颗粒运动轨迹有很大影响,以粒径为10μm的颗粒为例,颗粒的初始位置越靠近阳极管,颗粒沉积高度就越低,收尘所需时间越短。     

高通量循环流化床上升管气固流动特性实验研究

以直径0.06 m、高5 m的高通量循环床提升管中气固两相流大量试验数据为基础,考察在高颗粒循环量和较高气体表观流速下,平均粒径为140 mm、密度为2 700 kg/m3的Geldart B 类颗粒气固流动特性。试验发现,截面平均颗粒浓度分布总体上为下浓上稀,并随操作气速的增大而减小,悬浮上升流动结构区域随着颗粒循环速率的增大而向上延伸。滑移因子、截面平均颗粒浓度与无量纲滑移速度之间存在显著相关性。此外,床层总压降和截面平均颗粒浓度随固气质量比的增加而增加,在上升管下部截面平均颗粒浓度受固气质量比的影响比上部大。     

锅炉烟气绕换热器管道的直接数值模拟

采用直接数值模拟方法对含尘烟气经过受热面管道的气相场和颗粒场进行了数值计算,讨论了管壁后涡结构的脱落,同时分析了灰粒与受热面管壁的碰撞与磨损问题.认为随雷诺数的增加,漩涡脱落频率也随之增加,并得出二维流场向三维转捩的临界雷诺数为170～180.得出灰粒尺寸是影响碰撞频率和磨损率的一个主要因素,随粒径的增大,灰粒与壁面的碰撞频率呈指数增长.颗粒的冲击角度在20.左右颗粒对壁面的冲蚀率最大.     

面向量产的氩气中铝丝电爆炸及纳米颗粒粒径分布特性

铝纳米颗粒具有广泛的应用前景,金属丝电爆炸是高效批量生产铝纳米颗粒的重要途径。为了进一步提高铝纳米颗粒的制备效率和产量,研究了更高初始质量铝丝(长度7～15 cm、直径0.1～0.4 mm)在电压20～30 kV、气压100～300k Pa下的电爆炸特性及其纳米颗粒粒径分布特性,获得了铝丝长度、丝直径、充电电压、氩气气压对电爆炸过程中的电压电流波形和金属丝沉积能量的影响规律,建立了沉积能量及过热系数与纳米颗粒粒径分布的对应关系。实验结果表明:增加铝丝长度和直径,电爆炸丝中的单位体积沉积能量减小,纳米颗粒的平均粒径增大,且粒径大于100nm的颗粒占比显著提高;当铝丝参数一定时,提高充电电压可以使单位体积沉积能量增大,纳米颗粒的平均粒径减小;氩气气压对沉积能量和纳米颗粒粒径分布特性的影响较小。     

考虑颗粒强度尺寸效应的堆石体缩尺效应研究

统计分析了国内外堆石体尺寸效应室内试验研究成果,认为采用相同试验颗粒来源及相同制样方法时,缩尺效应主要是由颗粒强度的尺寸效应所产生。将能够描述不同粒径颗粒的强度表达式引入到服从Weibull分布的生存概率模型,并以此来考虑颗粒强度的尺寸效应。采用连续-离散耦合分析方法,研究了颗粒强度的尺寸效应对堆石体室内试验缩尺效应的影响,从细观层面揭示了室内试验尺寸效应的产生机制。数值模拟结果表明:缩尺效应主要是由法向接触力各向异性差异造成的;在相同颗粒强度尺寸效应参数?下,峰值内摩擦角随最大粒径的增大而减小,而破坏点对应的体积应变呈现出相反的变化趋势;对于同一尺寸试验,峰值内摩擦角随颗粒强度尺寸效应参数?的减小而减小,体积应变随?的减小而增大;考虑颗粒强度尺寸效应后,颗粒强度c?随粒径的增大而减小,颗粒平均法向和切向接触力随最大粒径的增大而增大,因此不同尺寸试样表现出明显的缩尺效应。     

考虑颗粒强度尺寸效应的堆石体缩尺效应研究北大核心CSCD

统计分析了国内外堆石体尺寸效应室内试验研究成果,认为采用相同试验颗粒来源及相同制样方法时,缩尺效应主要是由颗粒强度的尺寸效应所产生。将能够描述不同粒径颗粒的强度表达式引入到服从Weibull分布的生存概率模型,并以此来考虑颗粒强度的尺寸效应。采用连续-离散耦合分析方法,研究了颗粒强度的尺寸效应对堆石体室内试验缩尺效应的影响,从细观层面揭示了室内试验尺寸效应的产生机制。数值模拟结果表明:缩尺效应主要是由法向接触力各向异性差异造成的;在相同颗粒强度尺寸效应参数?下,峰值内摩擦角随最大粒径的增大而减小,而破坏点对应的体积应变呈现出相反的变化趋势;对于同一尺寸试验,峰值内摩擦角随颗粒强度尺寸效应参数?的减小而减小,体积应变随?的减小而增大;考虑颗粒强度尺寸效应后,颗粒强度c?随粒径的增大而减小,颗粒平均法向和切向接触力随最大粒径的增大而增大,因此不同尺寸试样表现出明显的缩尺效应。     

尿素溶液雾化颗粒在锅炉炉内的运动轨迹

选择性非催化还原(SNCR)脱硝装置中Y型部分内混气力式雾化喷枪的雾化粒径随着气耗率的增加而变小,气耗率相同时,雾化粒径随着雾化工质的增加而变小。利用CFD软件平台,采用数值模拟方法对喷入100 MW机组四角切圆煤粉锅炉的雾化颗粒运动轨迹进行了研究,得出在25 m/s速度下最佳喷入雾化粒径在0.3~0.5 mm之间。在锅炉中进行了喷射尿素溶液的脱硝试验,脱硝率随着雾化粒径的增加先增加后减小,当氨氮比为1.5时,其脱硝效率最高可达到58%。     

圆管湍流脉动流动与换热的数值模拟

利用标准k-e模型结合脉动燃烧器尾管的实验参数进行湍流脉动流动与换热的数值模拟,通过修正模型内的冯?卡门常数建立适用于实验条件下的脉动流动的湍流计算模型,并研究脉动湍流中压力振幅和频率对湍流流动和换热特性的影响。研究发现：符合实验条件下的冯?卡门常数范围为0.48~0.52;脉动瞬时截面上的速度在靠近壁面附近出现峰值且速度变化较大;速度与温度分布呈周期性变化;压力振幅越大,速度和温度波动范围就越大,频率越大,速度和温度的波动范围则越小;壁面摩擦系数随着压力振幅的增加而减小,随着频率的增加而增大;壁面平均对流换热系数随压力振幅的增加而增大,随频率的增加而减小。     

连续进出料CFB密相区中颗粒横向运动行为模拟研究

采用计算颗粒流体力学模型(CPFD),研究了连续进出料条件下,密相区中床料粒径分布及流化风速对床层气固流动结构、颗粒横向运动行为及停留时间的影响。模型尺寸为900 mm×100 mm×1 200 mm。模拟结果显示,床面呈现出左高右低,排渣口上方存在"死区",随着流化风速的增加,床面高度差及"死区"大小减小,床内颗粒平均停留时间先减小后增大,最后趋于不变,停留时间分布的离散程度增加,床层膨胀度增加,达到一定风速后增加幅度减小。相同风速下,单一粒径与0.3~0.6 mm宽筛分条件下得到的结果基本一致,0.6~1.5 mm宽筛分床内得到平均停留时间要大,停留时间分布函数更为集中。     

混凝土冲击破坏动力特性及能耗规律研究

为探究冲击速度和骨料率对混凝土动力特性及能量传递规律的影响,设计了骨料率为0、32%、37%和42%的混凝土试样,利用SHPB装置进行了速度为5、6和7 m/s的冲击压缩试验。系统分析了冲击速度和骨料率不同时混凝土动态变形、动强度增长及能量转化规律,并利用双因素方差分析法研究了冲击速度和骨料率对动强度的影响程度。结果表明：冲击压缩作用下,混凝土试样主要以拉伸劈裂破坏模式为主。混凝土动强度随骨料率和冲击速度的增大而增大,而且相较于骨料率,冲击速度对动强度的影响程度更大。冲击速度介于5 ~ 5.8 m/s时,DIF随骨料率的增加而增加;冲击速度介于5.8 ~ 7 m/s时,DIF随骨料率的增加而减小。混凝土试样透射能随冲击速度和骨料率的增大而增大,而反射能、吸收能和吸能占比均随冲击速度的增大而增大,随骨料率的增大而减小。     

基于改进MED模型的循环流化床壁面磨损数值模拟

采用商业软件Fluent 6.3.26中的双流体模型研究了不同操作条件和颗粒物性对流化床内壁面磨损速率的影响。基于颗粒动力学理论(KTGF)对单层能量耗散(MED)磨损模型进行改进,并对比验证了改进模型的准确性。采用该模型研究了表观流速、固体负载量、颗粒粒径和密度等不同操作条件对壁面磨损速率的影响。结果表明:壁面磨损速率随着表观流速和固体负载量的增加而增大;在相同的操作条件下,粒径较小和质量较轻的颗粒磨损速率较快,发生磨损的区域面积也相对较大。     

离心风机翼型叶片非光滑表面脊状结构减阻特性

基于RNG k-ε紊流模型,采用Fluent软件对G4-73型离心风机翼型叶片表面脊状结构的减阻特性进行了数值模拟研究,并分析了脊状结构的相对布置位置对翼型减阻效果的影响规律.结果表明:脊状结构在叶片表面具有较好的减阻效果,脊状结构宽度s=0.1mm时的减阻效果最好,最大减阻率为9.65％,在风机设计流量下减阻率为2.96％.脊状表面近壁区时均速度相比光滑表面明显增大,边界层近壁面的法向速度梯度降低,湍动能、湍流强度都明显低于光滑表面,验证了翼型表面脊状结构具有的减阻效果.当脊状结构相对位置为后段布置时,脊状表面会使黏性阻力随流速增大而大幅增加,导致总阻力增大,减阻率降低,甚至产生增阻现象.文中所得研究结果可为工程实际中风机叶片的优化改型及性能改善提供参考依据.