基于格子Boltzmann方法的饱和土壤渗流与传热数值模拟

本文利用随机多孔介质生成算法重构了与真实土壤外貌相近的多孔介质几何结构。通过引入不可压耦合双分布格子Boltzmann模型（lattice Boltzmann model ,LBM）对孔隙尺度下单相饱和土壤渗流和传热进行了模拟。着重讨论了不同渗流压差、孔隙率、土壤固体颗粒尺寸分布对流动与传热的影响。结果表明：土壤渗流速度与渗流压差呈线性单调递增关系,平均温度随渗流压差增加而增大,但温升速率逐渐减缓;当孔隙率增大时,渗流速度增加,且当孔隙率大于0.58时,对流换热作用迅速增强,土壤温升速率显著加快;对于相同孔隙率,当土壤固相颗粒尺寸较大时,流动出现典型优先流效应;随着土壤固相颗粒尺寸减小,土壤温度变化逐渐趋于平缓,平均温度降低。     

ZIF-8多孔材料吸附CO2的格子Boltzmann模拟

基于格子Boltzmann方法,在表征体元尺度上研究了ZIF-8材料吸附烟气中CO₂的流动耦合传质过程。分别采用二维D2Q9、D2Q5模型描述速度场和浓度场,分析了ZIF-8吸附剂粒径在0.05～0.20 mm、孔隙率在0.50～0.80以及颗粒排列方式对CO₂吸附性能的影响,并描述了吸附床中的流动、扩散以及吸附现象。结果表明：粒径越大,吸附床中对流作用越强,吸附平衡所需时间减小;孔隙率越小,局部流速增大越明显,为避免流速过大造成局部吸附不充分,工程应用中宜采用孔隙率较大的ZIF-8吸附剂;与采用随机排列和错列排列相比,顺列分布时可有效缩短达到吸附平衡所需的时间;对CO₂吸附量影响的敏感性依次为孔隙率>排列方式>粒径,因此在实际应用中应首先考虑对ZIF-8孔隙率的选择。     

多井同期抽灌储能模式咸水层热运移特性研究

基于含水层储能水、热运移的基本理论与控制方程,针对地下咸水层储能过程中渗流溶液密度及粘滞性系数变化显著的特点,对现有的地下含水层储能数学模型进行修正、完善,建立地下咸水层耦合储能模型,探索不同储能模式下含水层温度场变化规律及阶段性热量运移特征。研究结果得到,采用地下原水与去离子水回灌时,在储热运行期与间歇停运期粗粉砂层中热作用半径变化率分别为0.272m/d、0.008m/d,0.348 m/d、-0.04 m/d。在储能阶段,伴随回灌溶液温度上升、盐度降低,地下水渗流速度上升,导致对流换热与热弥散效应增强；间歇阶段,则由于地下咸水与回灌溶液间盐度梯度增大,在分子扩散作用下回灌溶液温度场影响范围减弱。     

长距离有压输水系统泵站前双向调压井水锤防护特性研究

双向调压井为输水系统水锤防护的有效措施，基于某水库工程长距离有压输水系统，采用特征线法进行停泵水锤计算，研究了泵站前设置非溢流式圆形截面双向调压井时不同调压井体型参数（竖井直径D、与管路的连接管径d）对管路水锤压力的影响。结果表明，管路沿程最大压力点水锤压力随D与d的增大而减小；水泵进口水锤压力ΔP₁主要与d有关，d越大ΔP₁越小，ΔP₂随D与d的增大而减小，ΔP₃随D的减小而增大，随d的增大而增大；泵后阀门出口停泵水锤压力主要与d有关，d越大阀门出口压力下降越低，随后在发生倒流时升压越大；并根据调压井涌波水位的变化规律进一步提出变截面调压井体型。     

生物质热风炉换热器传热性能数值分析及实验研究

以生物质热风炉为研究对象,搭建生物质热风炉实验台,控制空气入口速度为12～20 m/s,开展相关测试实验。采用Realizable k-ε湍流模型,速度和压力的耦合采用SIMPLEC算法,利用FLUENT软件计算得到换热器温度、速度、压力分布,将模拟结果与实验测试结果进行比较,误差在2%以内。结果表明：随着壳程空气流速的逐渐增大,换热器的壳程温差ΔT、压降Δp逐渐升高;对流传热系数、总传热系数、传热量和换热器评价指标η也逐渐增大。随着雷诺数增大,努塞尔数和传热因子逐渐增大。     

锌镍单液流电池正极内部流动与传质过程的格子Boltzmann方法数值模拟

本文针对锌镍单液流电池多孔正极，基于格子玻尔兹曼方法从孔隙尺度对多孔正极内的流动传质及化学反应过程进行了模拟，获得了多孔电极孔隙内部电解液渗流速度场，浓度场和电流密度变化。从孔隙内渗流与传质的角度分析了不同充电电流、电解液流速和多孔电极孔隙率对电极电化学反应的影响。     

非理想气体工质对内可逆Otto循环功率、效率性能的影响

基于有限时间热力学理论和内可逆Otto循环模型，进一步考虑非理想气体工质比热模型，对循环的功率和效率性能进行研究。通过数值计算分析比热模型、气体分子自由度d和传热损失B对循环最大功率P_{ot max}、最大效率η_max、P_{ot max}对应的最佳压缩比(γ_opt)_p和效率η_P、η_max对应的最佳压缩比(γ_opt)_η和功率P_η的影响。结果显示：循环性能η_max、(γ_opt)_η和η_p随着B的增大而减小；工质比热模型对循环性能不产生定性影响，仅产生定量影响，非理想气体比热模型条件下的循环P_{ot max}、(γ_opt)_p、η_max、(γ_opt)_η、η_p     

热力弥散对地埋管换热器所在含水层传热过程的影响

针对地埋管换热器所在含水层三维非稳态传热模型进行优化,建立涵盖热力弥散效应的含水层过余温度解析模型。结合渗流砂箱热响应实验,探究热力弥散效应对于含水层传热特性与热扩散范围的影响。研究结果表明,当考虑热力弥散效应时,各观测点过余温度解析解与实验结果相似度增强,两者均方根误差RMSE(Θ)小于3%。通过计算得到,热力弥散效应对于含水层温度场演化过程的影响具有时空非一致性特征。当含水层中传热过程趋于稳定后,随着热力弥散效应的提高,地埋管井群所在区域过余温度变化幅度增大;位于下游区域的过余温度变化幅度则逐渐下降,热扩散范围缩小。     

基于混合热格子玻尔兹曼模型的液滴蒸发数值模拟

采用格子玻尔兹曼方法(LBM)的单组分伪势模型与有限差分耦合的混合热格子玻尔兹曼模型(TLBM)对液滴蒸发过程进行了研究。首先,通过对液滴在方腔内蒸发过程进行模拟,验证了所采用计算方法及程序的有效性。随后,模拟了液滴撞击高温壁面后的蒸发过程,研究了壁面温度、液滴邦德数和液滴雷诺数对蒸发过程的影响。结果表明,壁面温度、液滴邦德数和液滴雷诺数的增加均会造成液滴撞击高温壁面后蒸发速率的增大。     

多孔泡沫金属散热模型数值模拟与分析

多孔泡沫金属在紧凑型换热器领域具有广阔的应用前景。本文对具有随机结构的多孔介质中的流动和传热进行了耦合分析。采用有限元法研究了不同孔隙率(30%、50%、70%和90%)泡沫多孔材料的传热特性和阻力特性。利用 作为性能评价指标,即h越大,Δp越小,换热性能越好。通过改变孔隙度和入口流速从而分析整体的换热性能。结果表明,对于换热特性,泡沫金属的对流换热在高度方向上存在明显的温度梯度,边界层沿流动方向可以很好地发展,在高流速下具有更好地换热能力。随着孔隙率的增大,流体扰动变少从而局部速度将会减小,因此换热量也会降低。对于阻力特性,随着孔隙率的减小,内部压力显著增大,压力损失也显著变大。孔隙率为70%时,多孔泡沫金属具有更高的均匀性,同时通过实验验证了模型具有一定的有效性。     

多孔介质中高温气体非稳态渗流传热数值计算

针对水平导管中填充颗粒物料层内的高温气体参流传热现象，考虑渗流与传热的相互作用并采用局部非平衡假设建立多孔介质中的瞬态渗流传热物理数学模型。研究不同情况下填充物料中的渗流速度和气固温度分布。计算结果表明，高温热气体对水平导管中移动颗粒料层的热渗透主要发生在渗流入口端区域，随着渗流时间延长，热渗透深度沿导管推进。增大入口渗流速度以及减小出料速度，将导致物料温度沿导管慢速下降，热渗透深度扩大，热渗透作用区域内的物料温度水平提高。在热渗透作用区域，孔隙率对流场和温度场有很大的影响。研究对于高温反应器的颗粒输运和给料器的设计与运行有一定的参考作用。     

初始条件对H2-空气湍流扩散燃烧及NO生成的影响

将考虑有限速率反应的涡耗散概念(EDC)模型与13组分34步H₂-N₂反应机理耦合,研究了不同初始条件对H₂-空气湍流扩散燃烧过程的影响。结果表明：空气初始温度和燃料初始温度升高均能使火焰中心轴线上的峰值温度升高和NO质量分数增大;随着空气入口速度的增大,火焰峰值温度上升,NO质量分数增大;随着燃料入口速度的增大,火焰峰值温度下降,NO质量分数减小;不同初始条件下,NO生成以基元反应R22、R31和R32为主,而NO消耗以基元反应R20、R29和R30为主。     

均匀及梯度泡沫金属复合PCM熔化特性模拟研究

基于六面通圆孔的均匀泡沫金属结构,构建了泡沫金属复合相变材料(PCM)三维模型,采用高性能计算显卡(GPU)加速的多松弛时间格子玻尔兹曼方法模拟了均匀及梯度泡沫金属复合PCM的瞬态熔化过程。结果表明：随着均匀泡沫金属孔隙率的降低,复合PCM的传热速率提高,潜热储能的能力减弱;对于固定平均孔隙率的不均匀泡沫金属,孔隙率沿导热方向上递增的模型具有最佳的强化传热效果,其完全熔化时间比填充均匀骨架模型和孔隙率在导热方向上递减的骨架模型分别缩短了4.2%和25%,当孔隙率梯度变化方向与导热方向一致时,在高温壁面附近填充低孔隙率泡沫金属能显著强化传热;当两者方向垂直时,熔化速率取决于平均孔隙率,与梯度分布几乎无关。     

耦合强制对流井式土壤源热泵系统模拟研究

以耦合强制对流井式土壤源热泵系统为研究对象,以等效内热源理论为基础,建立了2U型埋管换热器及含水层热-质运移耦合模型。采用FEFLOW6.1计算软件,针对两类运行模式中粗粉砂含水层温度场分布规律及强制渗流过程对地埋管换热能力的影响开展了模拟研究;引入埋管换热器能效系数E,对地埋管能效特性进行量化分析。研究结果表明,含水层中的强制渗流过程可有效地缓解埋管井群区域土壤热失衡1现象,增加埋管进出口温差,提高单位管井换热能力。与单独使用埋管换热器工况相比,耦合强制对流井模式在第5年的排热、取热阶段,能效系数E分别提高了7.6%和4.8%。     

多层地质与热渗耦合环境下U型地埋管换热性能研究

以重庆某工程实际地层环境为依托,建立管内流体流动及周围土壤热渗耦合传热模型,采用数值方法对有无渗流工况下的埋管出口温度、单位井深换热量、钻孔壁过余温度进行模拟计算分析。结果表明,连续运行7天工况,渗流速度为5×10~(-6)m/s时,热渗耦合模型比纯导热模型的单位井深换热量提高10.74%;间歇运行工况下,单位井深换热量随着运停比的增大逐渐减小,较连续运行的单位井深换热量增加11.9%。     

抽-灌井水量对耦合式地埋管井群传热性能的影响

基于多孔介质传热、传质理论以及有限长线热源模型,建立耦合式地埋管换热器井群热-渗数学模型,以原位热响应试验与现场抽水试验为验证依据。针对渤海盆地含水层,通过数值模拟探究不同抽-灌水量对地埋管井群传热性能的影响。研究表明:随着抽-灌水量的增大,地埋管井群换热能效系数增大,井群下游区域热影响范围扩大。在制冷与供热工况下,井孔E7所在细砂层佩克莱特数(Pe)与单位埋深换热变换量Δq关系曲线均呈高斯函数分布。基于所建耦合式地埋管井群物理模型,抽-灌水量推荐范围为400~600 m3/d。     

组分H2/CO的比例对合成气非预混射流火焰燃烧特性的影响

采用一种14组分37步简化机理模型、RNG k-ε湍流模型以及稳态层流小火焰(SLF)燃烧模型，研究了N₂稀释条件下组分H₂/CO的比例对合成气燃烧特性的影响。数值模拟结果表明：当组分H₂/CO的体积比从3:7变化至7:3时，合成气燃烧过程中生成的OH自由基浓度上升，燃烧位置向入口靠近；火焰燃烧峰值温度随H₂/CO体积比的增大而下降，火焰峰值温度所在位置向燃料入口靠近；火焰传播速度随H₂/CO体积比的增大而加快，燃烧反应在更短的距离和时间内完成。     

渗流对竖直地埋管换热器换热性能的影响

为了确定渗流对竖直地埋管换热器换热性能的影响,基于多孔介质传热理论与Darcy定律,利用多物理场耦合软件COMSOL建立了三维热渗耦合模型,模拟了有无渗流条件下竖直地埋管换热器周围土壤温度场的变化。结果表明,地下水渗流有助于竖直地埋管换热器换热,且渗流速度越大,竖直地埋管换热器换热效果越明显;平行于渗流方向处温度场偏向下游,垂直于渗流方向处温度场始终保持对称分布,渗流速度由0m/s增大到1.0×10-5 m/s时,对应热作用半径由0.42m减小到0.32m。     

土壤热渗耦合作用下U型埋管换热器换热特性数值模拟

建立了管内流体流动及周围土壤热渗耦合传热的垂直U型地埋管换热数理模型,采用数值方法对有渗流和无渗流工况下的土壤温度场分布、埋管出口温度、不同渗流速度下的单位井深换热量进行了模拟计算分析。结果表明,地下水渗流作用能减小埋管出口升温幅度,在埋管入口平均温度为33℃时,有渗流工况下的埋管出口平均温度为29.91℃,无渗流工况下的埋管出口平均温度为30.85℃。单位井深换热量随渗流速度的增大而增加,当地下水渗流速度为10 m/a和400 m/a时,与无渗流工况相比,单位井深换热量分别增大了约6.33%和71.33%。     

氨/柴油燃烧模型构建及低速机性能优化

基于化学反应动力学及三维计算流体动力学(CFD)耦合开展了低压氨/柴油双燃料低速机的燃烧和排放仿真研究．构建了氨/柴油双燃料机理，其滞燃期、层流火焰速度及重要组分浓度的计算结果与试验结果吻合良好；在CONVERGE中建立了低速船机的三维CFD模型，确定了G方程模型中NH₃燃料层流火焰速度的经验参数，研究了压缩比和当量比对氨/柴油双燃料低速机性能的影响．结果表明：适当提高压缩比可以改善氨着火燃烧的稳定性，压缩比为14.5可获得较高效率并将最大爆发压力控制在合理范围；氨燃料当量比在0.410附近性能达到最优，当量比更高使着火过于提前、燃烧温度大幅提高，导致热效率下降和NO_x排放明显升高，而当量比更低时指示热效率降低．在当量比为0.410、压缩比为14.5时氨/柴油双燃料低速机获得了效率及排放相互折衷下的最优值．