连通容器气体爆炸流场的CFD模拟

跟单个容器或管道相比,连通容器内气体爆炸会导致较高的爆炸压力和压力上升速率,以至于很多装置或设备不能承受而造成人员伤亡和财产损失。连通容器内气体爆炸强度增加主要是跟气体流动与燃烧过程有关,研究该类气体爆炸机理就必须从爆炸流场着手。本文利用大型计算流体动力学软件FLUENT对气体爆炸流场进行了数值模拟,获得了气体爆炸流场中温度、压力、速度、密度和燃烧速率随时间的变化规律,模拟结果能够比较清晰地反映出气体爆炸的整个过程。研究表明,连通容器中气体燃烧和流动引起未燃气体的压缩和湍流以及湍流诱导的喷射燃烧是系统中气体爆炸强度增加的主要原因,而管道在湍流诱导的喷射火焰中扮演非常重要的角色。     

内置障碍物连通容器内气体爆炸的火焰传播

利用数值模拟方法,建立连通容器气体爆炸模型,模拟内置障碍物条件下的火焰传播过程。分析障碍物不同阻塞率、位置对连通容器气体爆炸的火焰传播、爆炸压力和强度的影响情况。结果表明:当火焰经过障碍物时,障碍物加速了火焰传播,但不同障碍物条件对整个火焰传播过程的影响有差异。     

连通容器内气体爆炸过程的数值分析

为了研究连通容器内气体爆炸强度增加产生机理以及燃烧火焰与压力传播的基本规律,采用k-ε模型和EBU-Arrhen ius混合反应模型,从流体力学和化学反应动力学守恒方程出发,利用大型流体动力学软件F luent 6.1对连通容器内气体爆炸过程进行了数值分析,获得了气体爆炸过程中火焰和压力传播特性以及气体流动特性,模拟结果能够比较清晰地反映气体爆炸的整个过程。研究表明连通容器中气体爆炸过程中火焰始终是加速传播的,气体压缩和反流以及喷射火焰是连通容器气体爆炸强度增加的主要原因。     

立式管壳式换热器封头内部气相数值模拟研究

基于FLUENT软件,采用RNGk-ε湍流模型对立式管壳式换热器进气封头内部含二氧化碳浓度为42％的窑气流场进行数值模拟.结果表明:封头内部压力较大区域的平均值约为0.347MPa;压力较小区域的平均值约为0.31 MPa;分布于径向半径240 mm至400 mm的环形区域内的换热管入进气口下端形成了一定强度的涡流,且涡流的轴向范围在100 mm以内;气流轴向速度最大与最小的换热管分别位于径向半径为100 mm和300 mm左右的区域内,这两个区域的气流轴向速度差随着轴向距离的增大而增大.     

初始压力对容器通过导管泄爆过程的影响

开展了容器内气体爆炸通过导管安全泄放实验,研究了导管泄放气体爆炸过程中的压力变化及导管内火焰发展规律,分析了初始压力对导管泄放过程的影响,并对比研究了密闭容器爆炸、简单泄爆及导管泄爆过程。结果表明:容器内发生密闭爆炸时,爆炸压力及压力上升速率随着初压的升高而增加;简单泄爆时,随着初压的增加,容器内的压力峰值出现了先增加然后降低最后继续增加的过程;采用导管泄爆时,初始压力越高,容器内的压力峰值及压力上升速率越高,相同时刻对应的导管入口处与容器内最大正压差越大,导管入口端的火焰速率越大,容器内爆炸强度对初始压力的变化较为敏感;随着容器内初压升高,导管泄爆过程中容器内的压力峰值与简单泄爆的压力峰值相差越来越大,与对应的密闭爆炸时压力峰值越来越接近,且最大压力上升速率远远高于密闭爆炸。     

初始压力对容器通过导管泄爆过程的影响

开展了容器内气体爆炸通过导管安全泄放实验,研究了导管泄放气体爆炸过程中的压力变化及导管内火焰发展规律,分析了初始压力对导管泄放过程的影响,并对比研究了密闭容器爆炸、简单泄爆及导管泄爆过程。结果表明：容器内发生密闭爆炸时,爆炸压力及压力上升速率随着初压的升高而增加;简单泄爆时,随着初压的增加,容器内的压力峰值出现了先增加然后降低最后继续增加的过程;采用导管泄爆时,初始压力越高,容器内的压力峰值及压力上升速率越高,相同时刻对应的导管入口处与容器内最大正压差越大,导管入口端的火焰速率越大,容器内爆炸强度对初始压力的变化较为敏感;随着容器内初压升高,导管泄爆过程中容器内的压力峰值与简单泄爆的压力峰值相差越来越大,与对应的密闭爆炸时压力峰值越来越接近,且最大压力上升速率远远高于密闭爆炸。     

不同管长条件下连通容器预混气体泄爆实验

通过容器与管道的连接组合,改变管道长度,开展不同管道长度的连通容器预混气体等容爆炸与泄爆实验,分析在密闭爆炸与相同泄爆面积条件下,管道长度的变化对连通容器中火焰传播与容器内压力的影响。实验结果表明：火焰在管道中加速传播,随管道长度的增加,传播速率加快;无论是密闭爆炸或是泄爆,连通条件下容器的最大压力上升速率均高于单个容器的情况;连通容器等容爆炸时,传爆容器的压力峰值随管长的增加而增加;泄爆时,传爆容器的泄爆压力峰值超过其单容器泄爆的压力峰值,特别是传爆容器为小容器时,压力峰值更高;随管长的变化情况,与相应密闭条件下的等容爆炸压力密切相关,但变化趋势不完全一致,受容器泄爆面积、火焰传播等多种因素的影响。     

乙醚蒸气爆炸特性数值研究

以湍流燃烧理论和CFD模拟技术为基础,对爆炸过程采用EBU-Arrhenius模型,压力与速度的耦合采用SIMPLCE算法,研究了乙醚蒸气在反应釜中气体爆炸传播过程中火焰及冲击波的传播规律和可燃液体蒸气爆炸的相关特性,验证了密闭空间中乙醚蒸气爆炸方式为爆燃,模拟过程能够较为清楚地反映可燃液体蒸气的爆炸过程,得到的爆温和爆压与理论值相近。所做工作能为可燃蒸气爆炸强度的评价提供一个良好的途径与思路,为进一步使用CFD数值模拟手段分析工业灾害中的问题提供一些帮助。     

密闭空间内聚乙烯粉尘爆炸火焰传播特性的实验研究

采用竖直、可视粉尘爆炸火焰传播实验平台,结合粒子图像测速PIV技术测得喷粉的冷态流场分布,研究聚乙烯粉尘在密闭容器内的爆炸火焰传播特性,探讨火焰结构与锋面位置的动态变化、火焰传播速度等参数的变化规律。结果表明,在200～1000 g/m~3浓度范围内,低浓度聚乙烯粉尘爆炸火焰呈不连续片羽状结构,火焰锋面呈离散的星点状。粉尘浓度增加,火焰连续性及亮度增强,锋面呈齿状,并在400 g/m~3火焰最明亮,火焰平均传播速度均随粉尘浓度的增加先增大后减小。采用均方根湍流速度量化体系整体脉动幅度,浓度接近最佳爆炸浓度400 g/m~3时,均方根湍流速度为3.21 m/s。关键词:密闭空间;粉体;湍流;爆炸;火焰结构;火焰传播速度     

复杂地质条件下井下巷道瓦斯运移规律研究

煤与瓦斯突出发生使得短时间大量煤与瓦斯涌入采场空间，在复杂巷道内运移，直接摧毁巷道设施、矿井通风系统，引起瓦斯爆炸事故。研究瓦斯在巷道内的传播扩散规律，构建了突出瓦斯气体释放模型，借助Fluent数值模拟对突出瓦斯气体传播扩散过程进行模拟。结果表明，无风状态下的突出瓦斯表现为子口扩散运移方式，有风状态下表现为对流-扩散运移动，突出冲击波超压峰值与瓦斯压力成正比，在巷道内的传播速度明显大于空气声速，瓦斯运移速度小于冲击气流在巷道内传播速度，突出瓦斯压力越大，复杂巷道内传播速度越大，随着传播距离增大，突出冲击波超压峰值不断衰减。     

Influence of flow field on sedimentation efficiency in a circular settling tank with peripheral inflow and central effluent

The paper presents an experimental study of suspension flow patterns and velocity field inside a circular settling tank with continuous operation. Research was focused on the impact of a specific flow pattern on the sedimentation efficiency of the prototype settling tank. The latter differed from a common circular settling tank in that it was peripherally fed and had the central draw-off. Experiment was carried out on a settling tank section made of plexiglass and represented a radial slice of a prototype settling tank. The flow field and local suspension concentration was determined by computer-aided visualization. Sedimentation efficiency was assessed relatively by comparison of the amount of settled particles (sludge height measurements) between different types of flow in a certain time period of the settling tank operation. Results showed that there were two types of flow in the settling tank that were initiated by a horizontal or vertical inflow from the distribution ring. The type of inflow (horizontal or vertical) was a function of the suspension height in the settling tank. Significant differences in sedimentation efficiency were observed between both types of flow, particularly at lower inlet suspension concentrations. Horizontal inflow proved to be less efficient in terms of settling.     

计算流体力学在二沉池改造中的应用

利用计算流体力学对污水处理厂二沉池内流场进行了数值模拟,得到二沉池内流场速率分布规律,进而确定流态临界位置水流速率,并将其作为标准速率。基于此,在二沉池内对挡板结构进行改造。改造后二沉池的模拟计算结果表明,二沉池在保证出水水质的情况下很好地满足了增大处理量的要求。     

急冷锅炉入口联箱与扁圆管结构优化设计

采用ANSYS软件对急冷锅炉换热单元结构进行数值模拟,得到热负荷均匀情况下各炉管流量分配规律。根据辅助连接管的直径及位置提出六种结构方案,研究其流量分配规律,并获得了最优结构。采用数值模拟研究最优结构入口联箱和扁圆管的速度场、压力场分布规律,得出压力分布和速度分布均较原结构均匀,从而验证了最优结构结论的正确性。     

Fluid dynamics and flow patterns in stirred tanks with a turbine impeller

Velocity profiles were measured in a stirred tank with a turbine impeller using a three-dimensional, pitot tube probe. A tangential jet model was used to describe the flow in the region of the impeller, and two-dimensional potential flow models and a circular jet were used to describe the flow in the rest of the tank. The tangential jet model accurately predicted the measurements from this work and comparable measurements reported in the literature for water and air, for varying impeller diameter and speeds and for different tank diameters. In the rest of the tank a three-dimensional, low velocity, flow field exists; and the center of circulation is not a true stagnation point. The flow at this point is tangential. The two-dimensional models only qualitatively described the flow in this region, and a three-dimensional model would be required. It was experimentally and theoretically confirmed that standard practice of using 10% baffles effectively controls the flow in the tank.     

板式螺旋桨搅拌槽内的流场及其流动特性

以板式螺旋桨叶轮为例,采用相位多普勒粒子分析仪测量了直径为300 mm的平底圆筒搅拌槽内的流场;分析了时均速度、脉动速度及湍流动能的分布,以及叶轮离底间隙变化和挡板对流场的影响。结果表明:随离底间隙增大,叶轮区脉动速度和湍流动能增大,时均速度和脉动速度最大值位置向槽中心方向移动;主循环区轴向速度最大值随离底间隙增大而减小;叶轮区湍流动能较高,随离底间隙增大,湍流动能最大值增大,位置靠近叶轮端部;挡板阻碍槽内切向流动,影响湍流动能的分布,挡板前流场反映了叶轮区的湍流动能分布。     

煤浆混合槽混合性能的数值模拟

利用计算流体力学(CFD)方法研究煤浆混合槽的混合性能。采用Fluent 6.2计算软件,选用多重参考系法(MRF)、RNGk-ε湍流模型以及混合物多相流模型,对卧式煤浆混合槽的内部流动情况进行数值模拟,得到了湍流强度、湍动能、压力、速度分布以及出口各相分布等混合性能。模拟结果与实验结果进行了初步比较,吻合较好。研究结果表明,混合时在挡板和搅拌浆叶之间产生漩涡,有利于防止物料堆积,使混合更均匀。     

铁路罐车高压水射流清洗数值模拟

利用计算流体动力学(CFD)软件FLUENT对铁路罐车高压水射流清洗进行数值模拟,计算了速度场、压力场,为了解射流特性、改善喷嘴结构设计和提高罐车清洗效果起指导作用。     

Perturbed turbulent stirred tank flows with amplitude and mode-shape variations

Stirred tank (STR) flows at low and moderate Reynolds numbers show poor mixing behavior due to formation of segregated zones inside which both magnitude and fluctuation level of velocity components show lower values compared to the active fluid regime (i.e., impeller jet stream, circulation loops). Active perturbation of the STR flow using a time-dependent impeller rotational speed can potentially enhance mixing by breaking up these segregated unmixed zones and enhancing the turbulence level throughout the tank volume. In the present study, the effect of different perturbation cycles on an unbaffled turbulent stirred tank flow at a moderate Reynolds number (rotational speed N=3 rps) is studied using a large-eddy simulation (LES) technique coupled with immersed boundary method (IBM). The perturbation frequency (f) is chosen to correspond to a dominant macro-instability in the flow (f/N=0.022). Two different perturbation amplitudes (20% and 66%) and two perturbation shapes (square-wave and sine-wave) are investigated, and changes in the mean flow field, turbulence level and impeller jet spreading are examined. Large-scale periodic velocity fluctuations due to perturbations are noticed to produce large strain rates favoring higher turbulence levels inside the tank. Production of turbulent kinetic energy due to both the mean and periodic component of the velocity field is presented. Fluctuations in power consumption due to perturbation are also calculated, and shown to correlate with the perturbation amplitude.     

轴流桨搅拌槽内轴向流动速度的研究

为研究轴流桨搅拌槽内轴向速度的分布,在直径为300 mm的平底圆筒搅拌槽内,采用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)对轴流式搅拌器主流区的流场进行测量。在不同转速和离底间隙条件下,对挡板前轴向时均速度在径向和轴向的分布进行分析和研究,采用壁面射流理论,建立搅拌槽内壁面射流流动模型,揭示轴向流动特性。结果表明:轴向速度沿径向的分布具有相似性;轴向最大速度沿轴向衰减;轴向流边界沿轴向线性扩展。研究结果有助于进一步了解搅拌槽内部流动特性,为固-液悬浮操作、过程放大和搅拌设备的优化设计提供理论依据。     

射流混合设备内混合时间的研究进展

介绍了有关射流混合设备内混合时间的实验研究进展,概述了计算流体力学（CFD）技术在射流混合设备内流场结构演化和混合效率评价中的应用,总结了不同研究者提出的混合时间关联式。分析影响射流混合效率的参数发现：混合时间随着混合槽直径的增加而增加,并与混合槽的高度呈正比;射流速度的增加可有效地降低混合时间;射流喷嘴的最佳直径与形状由混合槽的具体结构决定,但其最佳位置取决于混合槽高度与直径的比值;多股对置射流明显地提高混合效率。最后指出将CFD方法与压力波动信号（PFS）、PIV和PLIF等实验方法相结合可有效地推进射流强化混合机理研究和新型射流混合反应器的开发进程。