软性磨粒流加工方法及近壁区域特性

为了解决模具细微结构化表面难以光整加工的问题,提出固 液两相软性磨粒流（SAF）无工具精密加工方法.通过为结构化表面配以约束模块,以构建磨粒流湍流流道,利用软性磨粒流与被加工表面的“无缝”接触特性及壁面效应,实现模具表面的无工具无死角光整加工.以Nikuradse实验方法为理论依据,分析软性磨粒流中固体相在近壁区的运动学和力学特性,得到适用于软性磨粒流加工的摩擦系数公式.采用标准k-ε模型和欧拉多相流模型对软性磨粒流进行数学描述;利用压力耦合方程的半隐相容(SIMPLEC)算法,对不同入口速度时流道内的固体相压力分布进行数值分析研究.数值模拟结果表明,软性磨粒流固体相的压力衰减程度与入口速度成反比,并且固体相在流道内的运动轨迹呈无序状态.利用动态分析三维显示系统对流道内的颗粒运动轨迹进行实验研究.结果显示,固体颗粒运动轨迹呈无序漩涡状,符合湍流形态的运动规律.搭建软性磨粒流加工平台并进行加工实验.实验结果表明,采用软性磨粒流的加工方法能够使工件表面粗糙度达到61.8 nm.     

磨料射流中磨料粒子的加速机理和运动规律

根据二相流理论讨论了磨料射流中磨粒子的加速机理和运动规律。按喷咀收段为准二维流场，对磨粒粒子运动方程进行了求解，并对磨粒子速度和流场速度进行了比较，从而为磨料射流在实际应用中充分发挥效益提供了理论依据。     

离散相磨粒粒径对磨粒流研抛共轨管质量的影响

为研究磨粒粒径对磨粒流研抛质量的影响,以共轨管为研究对象,通过计算模拟不同磨粒粒径下磨粒流的状态,分别从流场动压力、速度场、磨粒的运动轨迹、湍流动能进行不同场的离散相分析。从数值分析可知,随着磨粒粒径增大,动压力、速度和湍流动能降低,磨削效果减弱。对经磨粒流研抛前后的共轨管工件进行了表面粗糙度和表面形貌的检测,测得磨粒流研抛前的表面粗糙度为3.401μm,研抛后的表面粗糙度为1.138μm,从而确认了磨粒流研抛具有内通道结构的工件的有效性,也证实了数值模拟的正确性,为磨粒流研抛技术的发展提供了理论支持。     

辐流式沉淀池液固两相流力学特性二维数值模拟

采用两相流混合模型和Realizable k-ε湍流模型,对辐流式沉淀池液固两相流力学特性进行二维数值模拟.采用有限体积法离散微分方程;速度与压力耦合求解使用了压力隐式算子分裂(Pressure-Implicit with Splitting of Operators,PISO)算法.通过模拟获得了速度场、紊动能和污泥质量浓度等参量在空间的分布规律,并根据模拟结果分析讨论了挡板距离与挡板长度对流场和污泥沉淀特性的影响.模拟结果在一定程度上反映了沉淀池内部水力参数的变化规律,表明所采用模型是研究辐流式沉淀池液固两相力学特性的一种有效方法.     

多物理耦合场磨粒流加工温度对点胶头研抛质量的影响数值分析

为研究加工温度对磨粒流研抛质量的影响,对多物理耦合场的磨粒流加工过程进行数值分析,选取高精密点胶头作为磨粒流磨削对象,通过设定不同的磨粒流加工温度对磨粒流精密加工过程进行数值分析,可获得不同加工温度条件下多物理耦合场下的流体湍流强度能与颗粒动能、湍流粘度云图与速度仿真云图。通过对数值仿真云图的分析可知:在温度为300K~310K条件下,磨粒流的光整加工质量达到最好。研究成果可为促进磨粒流精密加工技术的不断改善提供理论依据,也可为磨粒流精密研抛高精密点胶头提供理论基础和技术支持。     

固液两相磨粒流研抛变口径管的数值模拟研究

为了探讨磨粒流对变口径类零件的抛光效果的影响,以变口径管零件为研究对象,选用固液两相磨粒流,对磨粒流抛光变口径管零件的加工过程进行数值模拟研究,分析了不同磨料浓度和不同入口压力条件下,变口径管零件内磨粒流的静态压力、动态压力、速度、湍流强度、湍流动能、湍流粘度的分布情况。通过对比分析,研究分析了磨粒流抛光变口径管零件的有效性,可为促进磨粒流超精密加工技术的不断改善提供理论依据,使工件疲劳强度得到改善,增强工件的可靠性,延长工件的使用寿命。     

三步有限元的大涡模拟

采用三步有限元法求解不可压缩非定常流的Ｎ－Ｓ方程直接模拟后台阶流、平面流场中的旋涡运动及流场的压力分布特性,采用亚格子湍流模型,对雷诺数Ｒｅ＝５．５×１０５的流动做了计算分析。空间离散采用速度、压力同阶的三角形三节点单元。根据计算结果绘制了速度向量图,并对流场的压力分布进行了分析,分析表明,用该方法计算所得结果与有关资料吻合较好。该方法为大涡模拟在工程上的应用提供了一定的依据。     

圆形腔多油垫恒流静压推力轴承流场数值分析

对重型数控设备中所应用的圆形腔多油垫恒流静压推力轴承间隙流体进行研究,应用计算流体动力学和润滑理论,数值求解间隙流体的三维速度场和压力场,发现了油腔腔面积对间隙流场性能的影响规律,揭示了间隙流场的流动特性.计算结果表明:油腔压力随着油腔面积增大先增加后减小,在某一位置油腔压力达到极大值,得到油腔面积最优值;而腔面积对流动速度场影响不大.     

明渠交汇口三维水力特性大涡模拟研究

为了解决明渠水流交汇口河道冲刷、泥沙沉淤、污染物滞留等问题,必须探明其水力特性的分布规律.采用气液两相流混合模型,对不同汇流比下90°明渠交汇口三维水力特性进行数值模拟研究.分别选取大涡模拟模型(LES)和RNGk-ε模型封闭两相流时均方程,速度与压力耦合方程组求解时使用半隐式SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法,模拟自由水面采用VOF(Volume of Fluid)法.将汇流比为0.25时两种模型计算的纵向截面水面线与实验结果相比较,得出大涡模型结合VOF法能更好地捕捉交汇口水面的波动情况;将大涡模型计算的不同垂直线上的速度分布与实验结果相比较,两者吻合良好.通过比较两种模型计算的特征横断面上的流线图,得出大涡模型能更好地捕获水流瞬时流动特性,动态再现二次流动结构,且大涡模型能够更好地模拟交汇口附近水力特性分布规律.     

圆外区域Stokes流混合边值问题的自然边界元法

针对圆外区域Stokes流的速度-压力混合边值问题,基于自然边界元原理及复变函数性质并运用Fourier级数展开法推导了圆外区域Stokes方程的Poisson积分公式及自然积分方程,通过分段线性单元将自然积分方程的近似变分问题离散化,求解出压力边界上的速度分布,从而将速度-压力混合边值问题转化成纯粹的速度边值问题,最后利用Poisson积分公式即可给出相应问题的速度分布表达式.计算结果表明:理论计算得到的速度场与CFD软件的计算结果一致;基于自然边界元法的Stokes流混合边值问题的求解,能够降低维数,同时所需求解的矩阵是对称正定的,尤其是边界为圆周时,矩阵还具有循环特性,从而有助于计算量的减小.     

T型管内两相流分配特性数值模拟

T型管内气液两相流分配不均易导致换热器偏流和受热不均。为了优化T型管内气液两相流流动,以FLUENT为模拟软件,以流体流动参数和管子几何结构为研究变量,对T型管内流体流动进行数值模拟。发现流体入口液相体积分数越大,入口速度越小,液滴粒径越小,越利于流体均布;同时支管衔接处采取弯管结构较直管结构优越,其中入口速度对流体分布影响最明显,速度相差3个数值即可优化两个出口液相体积分数比差10%左右。结果表明,相应改变流体流动参数和管子几何结构能有效优化T型管内流体流动。     

Numerical simulation of dense particle-gas two-phase flow using the minimal potential energy principle

A simulation method of dense particle-gas two-phase flow has been developed. The binding force is introduced to present the impact of particle clustering and its expression is deduced according to the principle of minimal potential energy. The cluster collision, break-up and coalescence models are proposed based on the assumption that the particle cluster are treated as one discrete phase. These models are used to numerically study the two-phase flow field in a circulating fluidized bed （CFB）. Detailed results of the cluster structure, cluster size, particle volume fraction, gas velocity, and particle velocity are obtained. The correlation between the simulation results and experimental data justifies that these models and algorithm are reasonable, and can be used to efficiently study the dense particle-gas two-phase flow.     

自激式除尘脱硫装置流场的数值模拟

利用Fluent软件对SXJ-Ⅱ-L-6T型自激式除尘脱硫装置内的三维二相流场进行数值模拟,气相采用标准k-ε湍流模型,颗粒相采用离散相模型(DPM),选择SIMPLEC算法进行计算。分析了装置内气固二相的速度矢量、压力以及固相颗粒的运动轨迹等参数的分布。分析结果表明,气体流经双层交错式挡板时产生明显压降,同时,双层交错式挡板也延长了气体在塔装置内停留时间,从而实现高效净化气体的目的。     

Characteristics of pressure drop for single-phase and two-phase flow across sudden contraction in microtubes

Single-phase and gas-liquid two-phase pressure drops caused by a sudden contraction in microtubes were experimentally investigated at room temperature and atmospheric pressure, using nitrogen and water. The experimental results on pressure drop with a novel measurement method, the tiny gaps on the tubes, were used to characterize the sudden contraction pressure drop for tube diameters from 850 to 330 μm. The ranges of the gas and liquid superficial velocity were 2.55–322.08 and 0.98–9.78 m/s in the smaller tube respectively. In single-phase flow experiments, the contraction loss coefficients were larger than the experimental results from conventional tubes in the laminar flow. While in the turbulent flow, the contraction loss coefficients were slightly smaller than those from conventional tubes and predicted well by K _c=0.5×(1−σ²)^0.75. In two-phase flow experiments, the slip flow model with a velocity slip ratio S=(ρ_L/ρ_G)^1/3 showed a good prediction that reveals the occurrence of velocity slip. An empirical correlation for two-phase flow pressure drops caused by the sudden contraction was developed based on the proposed contraction loss coefficients correlation for single-phase flow and Martinelli factor. Supported by the National Key Basic Research Program (Grant No. G2000026300) and Beijing Open Fund     

基于静电传感器的相关流速测量

为了解决传统方法测得的气/固两相流流速具有一定波动性等问题,提出一种新的互相关峰值计算方法——最小二乘法拟合寻峰,利用环状静电传感器与互相关测速原理实现了气/固两相流流速测量.通过静电传感器测得气/固两相流中固相颗粒的随机信号,采用FIR数字滤波处理技术,有效提高了信号的信噪比,在测量过程中实现了真正的非接触式测量.经过反复实验确定了最佳采样频率和采样点数量,与传统方法相比,采用最小二乘法拟合互相关函数寻峰可以使离散的相关峰值点连续,测量误差减小.     

急冷锅炉内流场传热特性及失效分析

针对裂解炉急冷锅炉内管失稳问题,对炉管内流体的气液两相流场和温度场进行了数值模拟,得到换热单元内锅炉给水的分布规律,以及炉管内气液两相流和沸腾传热特性.结果表明,流量分配不均,锅炉给水出口处的含气率超过界限是导致传热恶化是炉管失效的主要原因.数值模拟计算得出的易发生失效炉管及其主要失效部位均与现场实际失效的情况基本吻合.     

波纹翅片管换热器空气侧流动换热的三维数值模拟

基于有限容积法建立波纹翅片管换热器流体流动与传热的计算模型,在不同送风速度工况下,分别对6种不同波纹倾角结构换热器内流体的流动及传热进行了数值模拟,分析了流道内的温度场、压力场及速度场的变化规律,得到了换热量、压降以及出口温度随入口风速变化的规律。结果表明,换热量、压降以及出口温度均随波纹倾角的增加而增大;换热量随着送风速度的加快而增加,压降及出口温度随着送风速度的加快而降低;翅片板间流体的流动与传热存在比较明显的不均性,导致换热管背风侧存在明显的传热"死区"。     

基于Lilley宽带声源模型的锅炉承压管泄漏数值模拟研究

以锅炉管道泄漏喷流流场分布计算结果为基础,采用Lilley宽频声源模型,计算泄漏喷流噪声的声功率级分布。对不同泄漏孔径以及不同工况下的蒸汽泄漏进行数值模拟,结果表明泄漏孔的直径越大,喷流速度和声功率级越大。而蒸汽的温度不变,压力越大,喷流速度和声功率级越小。模拟结果为锅炉承压管泄漏声学监测与诊断提供了重要依据。