磁场作用下液态包层中的流动传热和插件安全分析

国际热核聚变实验堆(ITER)的双冷锂铅(DCLL)包层涉及"磁-热-流-固"多物理耦合场问题。流道插件(FCI)作为DCLL包层的关键部件,具有隔绝热量传递和降低磁流体压降的作用。本文基于电势方法,采用PISO算法和相容守恒格式求解了包含Lorentz力的不可压Navier-Stokes方程;应用有限元方法计算了FCI在流场、热场和磁场耦合作用下的热应力和变形。采用顺序耦合法,分析了磁-热-流固耦合场中速度、温度、压力的分布形式,研究了流道插件结构内的热应力和热变形,通过MHD压降系数和热效率系数揭示了FCI结构对于包层内MHD效应和传热性能的影响规律。     

油水分层流条件下腐蚀动力学特性模拟

当石油输送管道内处于油水分层流条件时,管道底部与酸性水层接触极易造成内腐蚀,严重威胁管道安全,传统的静止和单相流条件的腐蚀预测方法已不能指导管道的安全运行,而多相流动、离子传质、化学反应及电极动力学等多种不同尺度的物理化学过程对多相流腐蚀预测提出了挑战。本文基于多相流动特性及电化学腐蚀特性的耦合机理提出了分层流条件下腐蚀动力学模型,首先建立油水三层流传质计算模型,进而基于溶液区域和产物膜内部的传质计算,依据阴阳极电化学反应电流密度与传质通量之间的平衡关系,形成多相流条件下腐蚀预测方法。探究了离子传质、电极反应以及产物膜动态生长的耦合过程对腐蚀行为的作用机理,揭示了CO₂分压、温度对腐蚀发展规律的影响机制。研究发现温度、CO₂分压的改变会导致平衡反应方向的移动,从而改变离子浓度;离子的扩散系数是决定传质系数变化的内在原因;腐蚀速率的变化规律由产物膜生长和电极反应两种因素共同决定：腐蚀产物膜的生长会阻碍反应离子的传质效应,从而抑制腐蚀;而离子浓度的升高或传质增强会加快电极反应,促进腐蚀。     

固定床中热气体非稳态渗流传热与煤热解过程

针对煤燃烧前热解脱硫工艺 ,研究固定床中气体渗流传热传质与煤热解反应综合过程 ,建立多孔介质非稳态渗流传热传质与煤热反应相互作用的物理数学模型 ,研究不同情况下床内气固温度和煤热解挥发分析出浓度瞬态分布规律 .计算结果表明 ,固定床中煤料的热解反应主要发生在床层下部的热渗透作用区域 ,随着运行时间的延长 ,煤热解区段不断向床高方向推移 .提高热气入口温度 ,热渗透作用区域内的物料温度水平提高 ,煤粒热解反应期缩短 .在热作用区域 ,煤热解反应与渗流传热传质过程密切相关 .模型计算结果与文献中的实验数据进行了比较 ,两者符合较好 .研究结果对于煤燃烧前热解脱硫装置的设计与运行具有一定的参考作用     

多物理场中热扩散效应对传热传质的影响

为了便于消除或控制室内挥发性有机化合物(VOCs),分析了VOCs在室内环境中的扩散规律。基于不可逆过程热力学原理,在考虑交叉耦合扩散效应的基础上,建立了3个物理量的梯度驱动下封闭空间内自然对流传热传质的数学模型。采用数值方法研究了室内环境中同时存在温度梯度、湿度梯度和VOCs浓度梯度时的自然对流传热传质现象,并着重考察了多物理量的梯度耦合作用下热附加扩散效应对传热传质的影响,展示了流场、温度场和浓度场等热附加扩散准则数STC的变化状况,研究结果表明,多物理场中热附加扩散效应对传热传质具有一定的影响,且具有复杂多解性。     

电渣重熔过程中电磁与流动及温度场的数值模拟

以电渣重熔体系电极、渣池和钢锭为研究对象,利用有限元分析软件求得稳定电渣重熔过程中电磁场和焦耳热场分布,并通过计算流体力学软件模拟耦合电磁场和焦耳热场的三维电渣重熔过程. 分析了基本控制参数下电渣重熔过程金属熔池的形状、温度和速度场分布. 结果表明,计算值与实验值总体吻合良好,尤其在渣-金界面以下部分,最大误差不超过10%;当电极插入深度为0.015 m时,渣池两侧的逆时针方向旋转涡流之间出现一个中间区域,中间区域的速度场为顺时针方向旋转涡流;电极插入深度每增加0.015 m,温度场最大值下降约为最大温度值的1%.     

电极插入深度对矿热炉加热影响的CFD分析

为了探究三相交流电矿热炉在稳定工作时的炉内工作情况,建立了48MW矿热炉的三维有限元模型,研究了不同电极插入深度对于炉内温度场分布的影响,并对熔池内的融化凝固情况进行了分析。结果表明：熔池内最高温度在电极下方的坩埚区内;固液两相的分布情况与温度场梯度变化有关;随着电极插入深度的增加,熔池内部的最高温度会不断降低。     

多物理场耦合作用下平板式固体氧化物燃料电池的蠕变损伤行为

利用COMSOL Multiphysics软件建立了电化学-气体流动-物质传递-温度相耦合的多物理场模型,将多物理场数值计算得到的不均匀温度场分布作为热载荷施加至ABAQUS模型中,基于由Wen-Tu蠕变延性耗竭模型开发的蠕变损伤子程序,研究了固体氧化物燃料电池(SOFC)的蠕变损伤行为,预测了蠕变裂纹演化过程.结果表...     

分离空间结构对旋流器流场和传质面积的影响

为了揭示分离空间结构对水力喷射空气旋流器(WSA)的气液传质性能影响作用机理,采用雷诺应力模型(RSM)和流体体积多相流(VOF)模型对圆柱型和柱锥结合型水力喷射空气旋流器内部耦合场进行了数值模拟,并以CO_2-NaOH化学吸收体系测定了这2种分离空间结构WSA的有效比相界面积。结果表明:分离空间结构对WSA内的射-旋流耦合场中轴向、切向和径向速度分布都有较大影响。柱锥结合型WSA的耦合场具有较高的切向速度、较低的轴向速度和较稳定的径向速度;而圆柱型WSA的耦合场具有较大的轴向速度、较小的切向速度和稳定性较小的径向速度场。与圆柱型WSA相比,柱锥结合型WSA的流体湍动能和有效比相界面积高于前者,这是后者传质效率高的主要原因。     

双辊薄带连铸工艺布流系统的三维数值模拟

以直径600 mm、辊宽550 mm的双辊薄带连铸的布流系统及熔池为研究对象,采用FLUENT软件对熔池内钢液流动进行三维非稳态数值模拟分析,以计算结果验证设计结构的合理性,分析转速及浇注温度对熔池内流场及温度场分布的影响.结果表明,三维数值模拟能计算熔池沿轴向的温度场和凝固区分布,比二维数值模拟能更准确描述熔池的传热过程.转速为60 m/min、浇注温度1490℃时,熔池温度场及凝固区分布最合理.     

MIG焊接V型熔池特性的数理模型建立

通过对MIG坡口焊接工艺过程的分析将三维焊接物理过程简化为二维数理模型,建立移动高斯热源模型用于描述电弧与工件的热作用,建立熔池内的CFD模型用以描述熔池内熔化/凝固过程的流动传热传质现象,对典型V型坡口焊接过程进行实验和数值模拟研究,通过与实验得到的工件截面金相图对比分析验证了数理模型的准确性,最后对数理模型中高斯热源参数及熔池流动的驱动力机理模型进行了进一步讨论。结果表明通过合理的模型参数选择二维数理模型可以准确地分析MIG坡口焊过程熔池的演变过程。     

对称双阴极固体氧化物燃料电池阴极流道影响的数值模拟

基于热-电-力-化学多物理场耦合理论,针对对称双阴极固体氧化物燃料电池建立了一个三维数值模型,设计出一种具有强化传质能力的Ⅰ型流道,并与传统Z型阴极流道电池中流道的气体流动速率、氧气摩尔分数、压损、温度、应力分布以及电化学性能进行了对比研究。结果表明:在0.6 V工作电压下结构优化后的阴极Ⅰ型流道与传统Z型流道相比,传统Z型的氧气浓度分布差约为58.6%,优化Ⅰ型流道的氧气浓度分布差约为38%,氧气分布更加均匀,优化Ⅰ型流道相较于传统Z型流道压降损失减少约36%,随着工作电压的减少,电池的浓差极化损失越小,能够有效提升电池性能。     

流化床液固两相传质过程的模拟研究进展

液固两相流化床具有液固相接触效率高、传质和传热性能好、颗粒分布均匀等优点，已被广泛应用于众多工业过程中。然而，流化床中与传质过程耦合的颗粒流化的复杂非线性特征及其湍动特性，使得对传质过程特性的研究十分困难。且仅依靠实验观测和理论预测难以揭示多相流相互作用规律，无法获得全面和详细的速度场和浓度场分布情况。近年来，数值模拟的快速发展为深入探索流化床中液固两相流动行为及其与传质过程耦合问题提供了重要的途径。本文对流化床液固两相流动与传质过程模拟方法进行了综述，并对其未来研究趋势进行了展望。借助于计算传质学理论可以更精确地预测局部浓度的分布情况，进而可以深入分析液固两相流化床中的传质过程规律与传质特性，为液固两相流化床的设计和优化提供理论基础。     

电场-旋流耦合强化多相介质分离研究进展

概述了国内外基于电场-旋流耦合场来强化非均多相分离的研究进展,并对相应强化分离方法进行分析与归纳。根据不同介质类别分别介绍了电场-旋流耦合强化液-液分离、气-固分离、气-液分离、固-液分离等多相介质分离技术、设备及工作原理,例如：动态/静态静电旋流脱水装置、静电旋风除尘器/摩擦旋风分离器、静电旋风除雾器及电动旋液分离器。总结了电场类型与分布、耦合场与液滴、颗粒作用、耦合场数值模拟方法等,为研究电场-旋流耦合强化分离多相介质提供依据。针对特殊多相介质（如黏度大、密度差小及弱/无电导率等）分离性能较差的问题,本文提出应综合考虑耦合设备的结构尺寸、操作参数及安装条件,在提高分离效率的基础上,应加强电场-旋流耦合装置运行安全性的研究以扩大耦合强化多相介质分离的适用范围。     

多孔介质内复合对流传热传质的数值分析

采用数值方法分析了具有非均匀内热源的竖直套管中复合对流传热传质,考查内热源分布系数M和热质二浮力比N对速度、温度、浓度分布以及Nusselt数和Sherwood数的影响。结果表明：当N〉1时速度V为正,其值随N的增加而增大;当N〈-1.5时,V则先负后正。随着M增大,等温线和等浓度线分布更加密集,传热和传质过程更加明显。     

MIG焊接V型熔池特性的数理模型建立

通过对MIG坡口焊接工艺过程的分析将三维焊接物理过程简化为二维数理模型,建立移动高斯热源模型用于描述电弧与工件的热作用,建立熔池内的CFD模型用以描述熔池内熔化／凝固过程的流动传热传质现象,对典型V型坡口焊接过程进行实验和数值模拟研究,通过与实验得到的工件截面金相图对比分析验证了数理模型的准确性,最后对数理模型中高斯热源参数及熔池流动的驱动力机理模型进行了进一步讨论。结果表明通过合理的模型参数选择二维数理模型可以准确地分析MIG坡口焊过程熔池的演变过程。     

Pb(Zr,Ti)O_3/Terfenol-D叠层结构中的磁电共振特征及其磁电压分布

研究了Pb(Zr,Ti)O3/Terfenol-D(Tb1-xDyxFe2)合金叠层结构的磁电压特征.介电常数和磁导率随频率变化特征表明,复合样品的电-机械谐振和磁-机械谐振不在同一频率.电-机械谐振和磁-机械谐振均可以增强磁电耦合效果,电-机械谐振对磁电耦合的影响比磁-机械谐振的影响大得多.磁电压的相位差在电-机械谐振频率附近增加0.75π～π.在磁-机械谐振频率附近出现明显的突变.磁电压显示出中心线对称分布,样品的不同位置对磁电压输出的贡献不同.磁电压的不同分布是由于应变的分布方式和谐振模式造成的.     

基于电流体动力学的气泡浮升行为分析

为了研究电流体动力学(EHD)在多相流体间传热传质的促进机理,基于开源计算流体力学软件OpenFOAM对电场作用下单个气泡上浮过程进行数值模拟。实现基于interFoam求解器的电场与流场的双向耦合方法,通过与已有试验结果的对比,验证所采用计算方法的准确性。结果表明,加入电场后,微气泡在短时间内发生剧烈形变与振荡,电场力越大,形变与振荡越明显;此外,在电场作用下,气液相表面张力系数过小将会导致气泡进入失稳状态。     

物理场强化气液传质的研究进展

分别简述了磁场、电场、电磁场、超声场和超重力场5种物理场的作用机理,综述了这些物理场在强化蒸发、精馏和气体吸收等气液传质过程中的研究进展,同时概述了物理场强化气液传质的热力学研究进展。分析表明,物理场强化气液传质在化工、环保和节能减排等领域具有广泛的应用前景,但目前的研究大多还处于实验阶段,其机理和各种因素对强化效果影响的研究还不够深入和完善。指出今后研究热点主要包括：继续探索物理场强化传质的作用机理,拓展其应用领域,并对过程中的瓶颈问题进行技术攻关;通过实验和热力学研究两种方法对不同种类物理场强化传质效果进行比较,以确定各种物理场的适用体系。     

非热平衡多孔介质内反应与传热传质耦合过程

采用局部热不平衡假设,对发生强吸热化学反应的多孔介质体系建立了反应与传热、传质耦合问题的数学模型,采用Ergun-Forchheimer-Brinkman方程描述多孔介质中的流体流动.运用交替方向隐式(ADI)方法对模型离散求解,并采用文献中的实验数据对模型进行验证.计算了不同条件下颗粒物料层内气体和固体骨架的温度场、产物气体浓度场以及固体转化率分布,以得到多孔介质体系内固有化学反应时的传热、传质规律.结果表明,不能忽略固体骨架与流体间的温度差.入口渗流速度、入口气体温度以及固体颗粒尺寸是影响系统反应特性的重要参数.研究结果对具有强吸热反应的固定床反应器的设计和运行具有一定的参考作用.     

固定床错流流动和传热耦合的数值模拟

引入对流项和黏性项的流动模型和传热模型耦合,对内置传热管构件的固定床错流传热进行了研究,获得了床层温度分布,并与文献实验数据进行比较:计算值与文献实验值基本一致,表明模型能正确描述床层的温度分布。然后在不同的三角形和正方形排列方式情况下,研究了床层内在多圆管管间及周边的温度分布,结果表明:错流传热与流体流动方向密切相关,床层被加热的区域在加热管二侧,管壁附近和床层加热管前方,这些区域出现了较宽的被加热区;采用三角形排列方式,与采用正方形排列方式相比,强化了床层内的对流传热,使得床层内温度分布更趋于均匀。