淹没型旋流竖井泄洪洞流态过渡的数值模拟研究

旋流竖井泄洪洞的工程技术难题之一是：高尾水位淹没出流时的泄洪洞排气难, 出口易发生气爆。对此,本文采用数值模拟的方法,结合某泄洪洞工程开展了相关的研究,获得了各个流段不同的水流流态、流速、压强以及消能率的沿程分布和特性,计算结果与实验结果符合良好。分析了水流由强紊动掺气状态过渡到有压流动状态的转换机制及其对结构的影响,研究表明,泄洪洞内水平段可分为掺混消能区、气泡逸出区、气体排出区和平稳流动区,其中掺混消能区是消杀能量的主要区域,该新型旋流竖井泄洪洞在淹没条件下,气体能够顺利排出,流态转换平顺,压强分布平稳,可为类似工程参考。     

旋流喷嘴内部流场的数值模拟和实验研究

为了揭示旋流喷嘴内部流动机理,有效预测其外部雾化特性,采用VOF多相流模型和RNG κ-ε湍流模型对旋流喷嘴内部的气液两相流动进行了数值模拟.通过对喷嘴结构进行合理的网格划分和特殊边界条件设置,计算了喷嘴内部的速度场、压力场和空气芯的形状尺寸.分别通过激光测速仪和高速摄像仪测量出口速度、空气芯的直径和雾化半锥角,对计算结果进行了验证.结果表明,旋流喷嘴内部流动为Rankine涡结构,其雾化特性如雾化角和液膜厚度等可以通过分析出口处流场得到.     

涡管水流排沙规律的研究

本文在实验和理论分析的基础上,得到了涡管排沙的计算公式,即耗水率W、开口宽度b及排沙率E的表达式。涡管排沙节约用水,用10％以下的耗水量,能排出80％的推移质来沙。     

竖井旋流泄洪洞三维数值模拟研究

竖井旋流泄洪洞作为一种较新的泄洪洞布置形式,用传统的模型试验方法仍难以揭示其复杂的水流特性,为了探索采用数值模拟的方法来研究竖井旋流泄洪洞水力特性的可行性,用Fluent商用计算软件,对某电站竖井旋流泄洪洞进行了数值模拟研究,得到了泄流能力、竖井空腔、井壁压强分布、井壁水流空化数、总消能率等,并将部分计算结果与试验结果进行了比较,两者符合较好,表明采用数值模拟的方法研究竖井旋流泄洪洞是可行的,在进行体型优化过程中,可以采用数值模拟的方法对体型进行初选。通过对沿程断面的能量的分析计算,竖井旋流的消能主要为两部分,一是沿程能量损失,一是水垫消能。数值模拟暂时不能正确反映竖井底部的掺气及下平段的空气逸出、掺气水深、洞顶余幅等,相关的研究需借助其它手段进行更深入的研究。     

排沙漏斗流场的大涡模拟

排沙漏斗是一种截沙率高、冲沙耗水量小的新型的泥沙处理设施.为了得到全面详细的排沙漏斗流场结构信息,进一步探明排沙漏斗的排沙机理,采用大涡模拟和VOF方法,对排沙漏斗内水气两相流进行了3维数值模拟.计算的水流流速分布与用激光多普勒测速仪(LDA)所测得的试验结果基本一致.根据模拟结果对排沙漏斗内水流流速分布提出了一些新的认识.计算结果显示了排沙漏斗中二次流的特征,分析指出二次流是排沙漏斗能够顺畅高效排沙的关键.     

旋流燃烧器的冷态试验研究

通过轴向可动叶轮旋流燃烧器改造方案的冷态模拟试验，给出了冷态空气动力场的测量结果，对测量结果进行了有益的讨论，得到的结论对旋流燃烧器的改造提供了基本依据。     

旋流筛板式流化床流化特性的数值模拟

利用计算流体力学CFD软件,采用欧拉气固多相流模型进行计算,模拟研究了带有旋流筛板的气⁃固流化床内在不同操作气速下（0.44~1.14 m/s）FCC颗粒的流化特性。通过对床层颗粒固含率瞬时变化、不同时刻速度矢量的分布、操作气速对颗粒固含率的影响和颗粒固含率随轴向高度的变化分析,研究了流化床内气泡形成、发展和破裂的过程。模拟结果表明,计算值和实验值吻合较好,与自由床平均误差为13.4%,与筛板床平均误差为7.59%;模型能够较好地预测不同操作气速下固体颗粒的流化特性,模拟床层内气泡形成、成长和破裂的发展历程;旋流筛板上部区域有喷射现象,形成固含率较低的喷泉区;旋流筛板的加入能够将大气泡破碎形成小气泡,具有破碎气泡、强化气固混合的作用。     

多旋流烧嘴加热炉内冷态流场的数值模拟研究

在任意拉格朗日－欧拉（ALE）框架下，采用有限体积法开发了三维非定常流体流动的数值计算程序，利用该程序对包钢多旋流平焰烧嘴步进式加热炉内的冷态流动场分布进行了计算模拟，并与无旋流烧嘴加热炉内场进行了比较，发现多旋流烧嘴加热炉内的流场分布更加合理，且与生产中所观察到的情况一致，对生产实际有重大的指导意义。     

油水旋流分离器数值模拟优化研究

采用计算流体动力学（CFD）软件中的雷诺应力模型（RSM）对油水分离旋流器内部流场进行了数值模拟,研究发现采出液在进口处的相互流动干扰对油水分离效果有重要影响,据此提出了一种新型结构——带有空间阿基米德螺旋线进口流道和导流螺旋的油水旋流分离器。进一步的优化设计和性能试验表明：空间阿基米德螺旋线进口流道和导流螺旋实现了平滑过渡,从而得到较稳定的流场和较高的分离效率。     

旋流消能工内空腔旋流的数值模拟

为了克服试验研究的局限,揭示旋流消能工内部的流动特性,以公伯峡水平旋流泄洪洞为例,在原、模型试验研究的基础上,采用Realizablek-ε湍流模型对空腔旋流进行数值模拟.模拟结果表明,压强等值线沿径向大致以旋流空腔为中心的同心圆轴对称分布;旋流区和空腔内流速具有明显的分区特性,旋流区动能沿程由切向动能向轴向动能转变,并得到旋流角的印证;旋流空腔沿旋流洞轴向和径向均有变化;湍动能与湍动能耗散率的径向分布体现出水气交界面处水气混掺紊动、离心力引起壁面摩擦力的增加是空腔旋流具有较大消能率的原因.通过数值模拟与原、模型水力特性的对比分析可知,数值模拟能够客观地反映出空腔旋流内部的流场特性,成果可为旋流消能工内空腔旋流的研究应用提供参考.     

旋流燃烧锅炉炉内流场的数值研究

某电站2×600 MW机组锅炉采用了轴向旋流燃烧器,前后墙布置,对冲燃烧.为了更好地了解旋流燃烧锅炉的性能,采用数值模拟的方法对该锅炉炉膛内的流场进行了分析计算.结果表明:采用旋流燃烧器,在锅炉炉膛出口沿宽度的流场分布相对较均匀,仅在两侧速度稍大.另外停投不同层的燃烧器时,对炉内空气动力场及炉膛出口流场影响不大.     

放置翼型的槽道湍流的实验研究

在槽道底部放置翼型导致的压力梯度的变化大大增加了槽道湍流的复杂性。通过激光多普勒测速仪（LDV）对放置翼型的槽道湍流进行了实验测量,并进行了初步的统计特性分析。研究发现,压力梯度对湍流统计特性有明显影响,并且翼型前后出现了湍流的逆梯度输运现象,逆梯度输运区域随着压力梯度呈现有规律变化。     

明渠水气两相流数值模拟

本文采用紊流代数应力模型计算了明渠强迫掺气水流掺气设施后的两相流动,通过求解气相的质量守恒方程求得两相混合物的掺入浓度分布。算例与实验资料比较,结果基本吻合,表明这种模型是合理可行的。     

水平旋流内消能泄洪洞的壁面压强及脉动特性

通过模型试验,研究了水平旋流内消能泄洪洞壁面压强及脉动特性.研究结果表明,在各流态下,随着上、下游水位的升高壁面压强随之增加,沿程逐渐减小;在Z/D=0.5～4.5范围内,压强变化剧烈,过渡段的性质非常明显,流态不同时规律不同;脉动压强主频在0.03～1.6 Hz,属于低频范围,优势频率主要集中在0～20 Hz之间;壁面脉动压强振幅概率分布基本上呈现高斯正态分布;但在水平段首 (Z/D=0～4.5)和尾(Z/D=29～水平段出口) Cs、Ce均要略大于理论值.     

窑用多通道燃烧器回流区的三维数值模拟

在采用重整化群（RNG）k—ε模型对水泥窑用多通道燃烧器进行数值模拟的基础上，针对影响燃烧器性能的重要指标一回流区进行讨论，将三维条件下燃烧器的流场分布与传统燃烧器流场进行对比，提出了三维条件下燃烧器回流区分为中心回流区、内回流区、外回流区3个回流区的分布模型，并分析了影响回流区的直流风和旋流风2个重要因素。结果表明：旋流风的速度变化对回流区的影响比其他因素的影响更大，旋流风速度适当增大可以增大回流区的范围，而当旋流风速度过大时，外回流区消失。     

颗粒物在矩形管道内流动的PIV实验研究

对水平管道内颗粒物运动规律进行研究。应用粒子图像测速（PIV）技术,在不同的气体流量下,对矩形管道在两种不同结构下的气固两相流的流动情况进行了测量,得到了平直通道和带肋通道中气体及固体颗粒的时均速度场,并分析比较了管道结构及气体流量对速度和粒子沉积的影响,发现加肋有助于粒子的沉积,且使通道内流动状态发生了较大改变。对深入了解管道内气固两相流动状况及数值模拟结果的评价提供了参考。     

倾斜管内油水两相流数值模拟

倾斜管内的油水两相流流动是油田地面集输管道内最常遇到的流动现象。采用VOF在不同含水率和混合流速条件下对不同角度的倾斜管内的油水两相流进行数值模拟。通过计算可知,管内流型受管道倾斜角度影响。倾斜管内的油水两相流压降与含水率和流体混合流动速度有关,倾斜管内流体压降随含水率的增大而减小,随流体混合流动速度增大而增大。倾斜管压降计算公式对高含水期的油水两相流压降规律预测同样适用。     

横掠膜片管束周期性充分发展换热的数值模拟

用ＳＩＭＰＬＥ算法对横掠膜片管束周期性充分发展层流流动换热进行了数值模拟，得到了不同Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数下的摩擦阻力系数和Ｎｕｓｅｌｔ数     

质子交换膜燃料电池流道尺寸的数值模拟

为了研究流道尺寸对质子交换膜燃料电池性能的影响,通过多物理场直接耦合分析软件COMSOL,建立了质子交换膜燃料电池三维模型。分析了流道宽度不变,流道宽度与脊宽度之比分别为1:1、1:2、1:3时对电池性能的影响,验证了建立模型的有效性与可靠性;进一步研究当脊宽度不变,流道宽度与脊宽度之比分别为1:1、2:1、3:1,综合考虑了电流密度、阳极氢气浓度及阴极氧气浓度等因素的影响分析。研究发现：流道宽度和脊宽度之比为1:1是燃料电池较理想的尺寸比,并且脊宽度变化比流道宽度变化对电池性能的影响大。     

河宽渐变水流运动对河床冲淤特性影响的数值分析

天然河道受水沙条件、堤防工程等因素的影响,其平面形态常呈现河道拓宽与缩窄的特征。本文以宽窄渐变河段的洪水过程与典型断面冲淤变化特性为基础,利用数值模型探讨了河宽渐变对水流运动特性的影响,并进一步分析了局部区域冲淤的水动力机理。分析结果表明：不同的洪水过程峰量大小及历时特征,将显著影响其涨退水强度;不对称的河道拓宽与缩窄,将改变断面流速峰值的分布;河床断面的冲淤特性取决于洪水过程的流速变化与床沙起动流速的大小。