粗糙壁面流道内颗粒趋壁沉积特性的数值研究

采用欧拉-拉格朗日方法分别对光滑壁面和布置有横肋粗糙元结构粗糙壁面流道内颗粒趋壁沉积特性进行了模拟。分析了气相速度变化范围在3~7m/s,颗粒粒径在3~40mm范围内的颗粒沉积速率和流道内不同位置的颗粒沉积率变化。结果表明,粗糙元的存在使得粗糙元位置处边界层厚度增加,漩涡捕捉卷吸作用增强;粗糙元结构迎风面是颗粒沉积的主要壁面,沉积率随气相速度的增大而减小,颗粒粒径的增大而增大;粗糙元底面间隙是颗粒沉积到次要壁面,底面间隙颗粒沉积率随气相速度的增大而减小,当颗粒粒径d_p达到10mm时,底面间隙沉积率达到最大值;粗糙元的存在使得颗粒的沉积速率增大,粗糙壁面、光滑壁面颗粒沉积速率均随驰豫时间的增加而增大。     

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%。     

水膜对静电除尘器内部微细颗粒分布及运动特性的影响研究

建立了一个静电除尘器微细颗粒分布与运动特性研究平台,通过改造的静电低压撞击器对电除尘器极板有/无水膜状态下的微细颗粒浓度变化进行实时测试,结合静电除尘器内部不同区域微细颗粒的受力分析,研究了水膜对静电除尘器内部颗粒的分布状况、运动轨迹、沉积情况、分级效率及力学行为等的影响。研究表明,水膜对近壁区微细颗粒的力学行为影响显著,均布水膜后近壁区的电场力、热泳力、浓度梯度力均有不同程度的增大,且颗粒与收尘极之间的相互作用转变为气固两相流与水膜之间的扩散过程;有/无水膜状态下静电除尘器内部微细颗粒浓度从中心到壁面均呈现递减的趋势,均布水膜后截面浓度梯度更大(特别是近壁区域)且随着气流的发展近壁面处的低浓度区增大;均布水膜后颗粒沿程浓度的变化主要由粒径为0.1~1μm范围内的颗粒浓度变化引起,浓度降低的最大幅度为30%;有/无水膜状态下微细颗粒物分级脱除效率的曲线形状和变化趋势相似,颗粒粒径为0.3μm时脱除效率最小,当颗粒直径减小或增大时,颗粒脱除效率迅速增大,水膜对小颗粒的脱除效果更显著,较无水膜状态下提高20%左右。     

矩形管边界层内亚微米颗粒运动热泳规律的实验研究

建立带有玻璃窗的由"煮黑"工艺完成的矩形通道实验装置,对已有的颗粒动态分析(particle dynamicsanalyzer,PDA)测量技术进行了改进,并以此方法对矩形通道内的不均匀温度场中近壁区的亚微米颗粒的运动情况进行了测量。改进的PDA测量方式可更有效地了解近壁面颗粒运动状况。利用实验数据对在温度场中亚微米颗粒的受力情况和运动情况进行了分析。研究表明:亚微米颗粒在湍流温度场中运动,既有湍流和热泳的沉积效应,也存在较小颗粒的团聚效应。热泳力对较小粒子的作用强于较大粒子,但如果粒径太小,粒子在主流中的跟随性变强。热泳力对亚微米颗粒作用较强,湍流对较大颗粒作用较强。由于亚微米颗粒能够跟随气流运动,对沉积也带来不利的影响。当温度较高时,在边界层内,热泳力超过由于速度梯度造成的横向沙夫曼力,是使细颗粒发生热泳沉积的重要原因。布朗扩散可能对亚微米颗粒运动起到主导作用。     

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。     

基于格子玻尔兹曼方法的风力机尾流特性研究

为研究风力机尾流特性,采用基于格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)和大涡模拟方法(large eddy simulation,LES),通过壁面自适应局部湍流模型数值模拟New MEXICO (model rotor experiments in controlled conditions)风力机尾流并验证模型。然后研究不同入流湍流强度及动态入流条件下NREL 5MW (National renewable energy laboratory)风力机尾流结构。结果发现：LBM模型准确模拟了实验风力机轴向和径向速度分量及涡量分布,但是叶片中段附着涡耗散偏快;高湍流入流工况下,叶尖涡和叶根涡更早发生破坏;动态入流工况下,风力机尾涡耗散速度随着入流风速增加而变慢,螺旋结构的涡间距增大,尾涡持续距离变长,尾流膨胀效应减弱。入流风速变化10s后稳定,风力机的推力系数保持剧烈波动。     

基于近壁湍流拟序结构的离心泵内沙粒冲蚀角研究

流体机械中的泥沙磨损现象是一个国内外至今尚处于探讨阶段的问题。多年来有关学者们从试验、计算、理论研究等多方面对这一现象进行了大量的研究与探讨。本文尝试从近壁区湍流的拟序结构出发,研究离心泵内的泥沙磨损问题。文中首先从沙粒近壁BBO方程出发得出了沙粒近壁区法向运动速度upy,然后基于拟序结构导出了沙粒"扫掠"情况下的流向速度upx。最后用两个速度得到了基于近壁湍流拟序结构的离心泵内的沙粒对叶轮壁面的冲击角。研究表明在离心泵内正是由于近壁区湍流拟序结构时的"扫掠"作用造成了小粒径沙粒在叶轮壁面附近的小角度切削破坏,这与国外学者的试验观测结果相吻合。     

90°方形弯管内颗粒冲蚀磨损研究

采用k-ε双方程湍流模型,同时考虑壁面粗糙度和颗粒旋转等因素的颗粒随机碰撞模型和颗粒脉动频谱随机轨道(FSRT)模型,对90°方形弯管在不同来流速度、不同粒径、不同挡板位置等多个工况下颗粒冲蚀磨损进行了数值模拟和计算分析,进一步了解了弯管内颗粒对壁面的冲蚀磨损特性,较为系统地预测了弯管内易磨损部位及磨损量,为管道防磨提供了可靠的数值依据和理论参考。     

90°方形弯管内颗粒冲蚀磨损研究

采用k-ε双方程湍流模型，同时考虑壁面粗糙度和颗粒旋转等因素的颗粒随机碰撞模型和颗粒脉动频谱随机轨道（FSRT）模型，对90°方形弯管在不同来流速度、不同粒径、不同挡板位置等多个工况下颗粒冲蚀磨损进行了数值模拟和计算分析，进一步了解了弯管内颗粒对壁面的冲蚀磨损特性，较为系统地预测了弯管内易磨损部位及磨损量，为管道防磨提供了可靠的数值依据和理论参考。     

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。     

330 MW循环流化床锅炉炉膛壁面颗粒浓度分布测量

循环流化床(CFB)锅炉炉膛内固体颗粒浓度对炉膛水冷壁传热、炉内温度分布和受热面磨损影响较大。在某台亚临界330 MW机组CFB 锅炉炉膛水冷壁上开设测孔,利用颗粒取样抽屉装置对炉膛内的局部颗粒浓度进行测量,研究炉膛近水冷壁区域的颗粒浓度水平分布。结果表明,在距离壁面1m范围内,颗粒浓度随着与壁面距离的增加而减小,相同高度的中心区内颗粒浓度基本保持不变;测孔所在高度越高,颗粒浓度越小;炉膛空截面风速的增加将使炉膛上部测孔的颗粒浓度增加;回归得到近壁面颗粒浓度水平分布关联式,利用关联式计算近壁面颗粒浓度误差小于20％。     

高压直流导线表面粗糙度与电晕放电时粗糙系数的关系

高压输电线路表面磨损会对线路电晕放电造成影响。粗糙系数是根据导线表面状态预测起晕场强的重要参数。文中研究了表面粗糙度与高压直流导线起晕场强以及粗糙系数之间的关系,基于触针法测量了圆截面导线的表面粗糙度,利用圆柱电晕笼获得了导线正负极直流起晕电压,得到了粗糙系数与导线表面粗糙度之间的变化规律。导线粗糙度在0.5μm到2.5μm的范围内变化时,粗糙系数随表面粗糙度增大而减小。与正极相比,表面粗糙度对负极电晕放电影响更大。表面粗糙度越大,粗糙度变化对粗糙系数的影响越明显。     

强旋湍流气固两相流动的实验研究

以循环流化床为应用背景，采用三维激光颗粒动态分析仪(3D—PDA)对一方形截面分离器内的强旋气固两相流湍流进行了研究。结果表明：(1)方形分离器内的旋流流场呈中心为强制涡而边壁附近为准自由涡分布，在边角位置存在局部旋涡。颗粒在边角处的相互碰撞强化了该处的准层流脉动，使得湍流动能和局部湍流强度在边角附近取得较大值。其消耗了较多的能量，是造成分离器压力损失的主要区域之一，并有利于颗粒在边角约分离。(2)在分离器上部，垂直方向的平均下落速度的最大值靠近导流锥体的右侧(进口在左侧时)。在分离器中下部，最大下落速度在分离器的右壁面，截面中心部位速度方向向上，出现回流。     

大型循环流化床锅炉炉膛颗粒速度的光学测量

循环流化床锅炉炉膛内的颗粒速度分布对炉内燃烧、传热和受热面磨损均具有重要影响。在一台330 MW循环流化床锅炉炉膛水冷壁上开设测孔,利用水冷激光光纤测枪结合互相关计算对炉膛内的颗粒轴向速度进行了测量,研究了炉膛近水冷壁区的颗粒轴向速度水平分布、“环-核”边界层厚度、颗粒团贴壁下滑速度以及气固相滑移速度。结果表明,炉膛贴壁面位置颗粒轴向速度为负值,随着与壁面距离的增加,颗粒轴向速度逐渐转为正向,颗粒由下降流过渡到上升流动。颗粒“环-核”边界层厚度在0.1~0.2 m,且炉膛下部测点的边界层边界厚度略大于炉膛上部测点,颗粒团贴壁下滑速度均小于1 m/s。炉膛中心区气固相滑移速度为2.05~2.73 m/s,大于单颗粒终端速度。     

撞击流气化炉内气固两相流动与颗粒附壁沉积数值模拟

对多喷嘴对置式气化炉内复杂的气固两相流动与颗粒附壁沉积进行3D数值模拟。采用Realizable k-ε湍流模型计算炉内气相湍流流场,应用Euler-Lagrange模型模拟气固两相流动,颗粒轨迹跟踪采用随机轨道模型。根据液态排渣气化炉本身特点,描述炉壁熔渣流的形成过程,建立适用于液态排渣气化炉的颗粒附壁沉积模型,模拟结果与实验值吻合较好。模拟结果表明,数值模拟再现了撞击流气化炉内分区流动的情况;射流撞击使颗粒在气化炉内分布较为均匀,撞击中心和撞击流股区域浓度略高;颗粒在炉壁沉积基本覆盖整个气化炉,不存在局部积渣;当气化炉操作压力达到 4.0 MPa时,渣口气流夹带颗粒量有所提高,气流流速的增大而提高,颗粒停留时间缩短,影响碳转化率。     

叶片前缘气膜冷却离散孔下游湍流特性试验研究

以NASA发布的燃气轮机叶片为研究对象,风速设定为10m／s;以热膜风速仪为测量工具,在气膜冷却叶片压力面和吸力面下游指定位置沿不同叶高湍流度进行测量。实验结果表明：随着射流比的增大,压力面和吸力面主射流掺混中心有上移的趋势且掺混中心扰动强弱受当地吹风比影响较大;在压力面叶片型面曲率梯度较大处,沿壁面流动的风速增大导致回流、扰动加强及混合流体的贴壁性变差;吸力面流体近尾流区域在大吹风比下扰动反而减弱;叶片表面的湍流度受到射流比、壁面曲率梯度大小及方向等多方面因素的影响。     

脱硫废水喷雾塔粘壁和颗粒干燥特性分析及优化

某350 MW机组2 200 kg/h脱硫废水喷雾塔运行时经常出现粘壁现象,对该塔进行数 值模拟研究,探讨了喷嘴中心距、雾化角对喷雾塔黏壁及出口粒子温度和含水率均匀性 的影响。研究表明:在设计工况下,壁面处颗粒最大含水率自塔顶向下,先增大后减小,在17.5~21.2 m壁面处颗粒最大含水率超过5%,粘壁概率极大;优化工况为喷嘴中心距1.18 m、雾化角41.43°;与设计工况相比,优化工况的壁面含水率自上而下平均下降了4.36%,出口截面颗粒含水率和温度标准偏差系数CW、CT分别降低了4.9%和8.3%,出口颗粒含水率平均值和最大值分别下降了4.5%和3.9%,优化效果显著。     

台风“米克拉”近登陆点强风特性实测与输电线路设计风荷载研究

为识别台风作用下尤其是近登陆点输电线路沿线强风特性,提高输电线路抗风设计可靠性,开展近台风"米克拉"登陆点某输电线路附近30米高度处强风实测工作,全面研究了平均风速及风向、湍流强度及其尺度、阵风因子、功率谱等台风风场参数特性,探讨台风作用下输电线路风荷载设计参数取值规律。研究表明,本次台风登陆过程中,水平平均风速从低于20m/s迅速攀升至41.1m/s,伴随风向角完成约160°快速转变;台风登陆后强风阶段,湍流强度和阵风因子随平均风速增大而逐渐减小,变化范围分别为0.35～0.15和2.25～1.25;阵风因子与湍流强度、峰值因子存在递增变化规律,其中阵风因子与湍流强度之间关系可由石崎(Ishizaki)模型近似表示;湍流积分尺度随平均风速变化的离散性较大;各方向脉动风速功率谱与冯×卡门(Von-Karman)经验谱均吻合较好。DL/T 5551-2018计算给出的档距折减系数、导地线阵风响应系数可适度包络住台风41.1m/s最大风速对应的最不利结果。     

芒刺线–板式电除尘器内流场研究

电除尘器内气流流动影响微细粒子的运动与捕集。利用3D-粒子图像测试技术测定不同放电电压、电场风速以及线间距下芒刺线–板电除尘器内部的复合流场。实验结果表明:单电晕线放电时,放电电压的增加使粒子运动更加复杂,通道内的涡旋会带动近壁区部分粒子远离极板,影响粒子捕集。电场风速的增加会弱化流场中的涡旋运动,使近壁区粒子的x向分速度占比减小,z向分速度占比增大;电场风速为0.8m/s时,y向分速度占比达到最大。线间距的增加会降低涡旋强度,气流偏转程度减弱,沿电场力方向的y向分速度则会随之增加。     

基于小波模极大的循环流化床气化炉冷态试验研究

对循环流化床气化试验系统进行冷态试验研究,改变风量、颗粒粒径、组合粒径等操作参数,掌握固体循环速率Gs、空隙率的变化规律,应用小波模极大法对压差波动信号进行分析。结果表明：随着表观风速的提高,Gs逐渐增大。表观风速大于2 m/s时,普通颗粒在提升管底部表现出快速区特征,其压差的模极大值线条数与顶部差不多相等。改变粒径分布范围,细颗粒能够增大Gs的同时,相当份额的粗颗粒在提升管内能表现出底部湍流区、上部快速区的特征,延长了其在床内的停留时间。对应的底部压差波动信号的模极大值线较顶部要多,但随着表观风速的增大,快速区长模极大线位置向后移动。分析结果有助于深入理解增压循环流化床气化的设计、控制和运行。