微喷管内气体流动特性研究

研究旨在提高微型空间推进器和微型气体涡轮机等微器件的性能。采用硅微加工技术在硅片上制作出矩形截面三维收缩扩张微喷管,喉部宽度为16mm,深度为20mm,收缩比为1.6251。实验测量了不同进出口压比条件下微喷管内氮气流量特性。实验设定进出口压比范围为1.0~5.0,由此出口体积流量范围为0~0.2mL/s,出口截面特征雷诺数小于500。基于两种数值模拟方法(有限体积法和Boltzmann气体动力学方法)对微喷管内部流动特性进行了数值模拟。数值模拟结果与实验结果相吻合。数值模拟结果发现几点不同于宏观流动的异常现象随着压比的提高,声速截面逐渐偏离喉部,向下游区移动,并且下游区的流动不断加速。当压比达到5.0时,出口截面中心区域的马赫数达到1.26。沿程压力分布呈现非线性下降的趋势。这些现象主要是由于相比于常规尺度管道,微小尺度下表面效应引起的粘性附面层效应和三维效应更显著。     

恒定壁温pVTt标准容器气体质量数值模拟与实验

以36m³卧式pVTt标准装置为研究对象,采用恒定壁温、恒定流速入口边界条件,对容器中气体进气过程和均匀过程进行了数值模拟与实验;提出了一种新的计算pVTt标准容器内平均温度的算法,即质量平均温度算法。模拟结果显示,在进气后自然对流过程中,容器内气体质量平均温度 随时间呈抛物线状缓慢下降,并趋于壁温;而平均压力则急剧下降,并很快达到均匀。通过数值模拟与实验验证,发现容器中的气体质量与lnT满足线性关系。     

恒定壁温pVTt标准容器气体质量数值模拟与实验

以36 m~3卧式pVTt标准装置为研究对象,采用恒定壁温、恒定流速入口边界条件,对容器中气体进气过程和均匀过程进行了数值模拟与实验;提出了一种新的计算pVTt标准容器内平均温度的算法,即质量平均温度算法。模拟结果显示,在进气后自然对流过程中,容器内气体质量平均温度T珘随时间呈抛物线状缓慢下降,并趋于壁温;而平均压力则急剧下降,并很快达到均匀。通过数值模拟与实验验证,发现容器中的气体质量与ln T珘满足线性关系。     

低温气液两相流中压力波传播特性研究

以竖直管路中的液氧-气氧两相流体为研究对象,构建了液氧流动冷凝与压力波传输数学模型,并通过实验数据验证了数学模型的正确性。数值模拟了不同流速下液氧-气氧的流动冷凝过程,得到了流速对压力波传播情况的影响规律。结果表明:过热气氧在液氧中发生流动冷凝的过程中,沿流动方向截面含气率逐渐减小,且随着入口流速的增加,气氧在管内冷凝的长度逐渐增加;在恒定扰动频率下,管路内流速越大,压力波的传播速度越慢,衰减幅度越大。     

气流在喷管内流动的理论分析与数值模拟

基于气体动力学原理,由数学模型得出气流一元流动的特性:流速与压力的关系、流速与断面的关系,并分析说明原因.然后根据理论用软件进行数值模拟,结果与理论相符合.     

变截面管道结构对H2/Air预混气体燃爆特性的影响研究

实际工业中,管道截面突变可改变预混燃气火焰的燃烧模式和燃爆特性,影响燃气输送的安全性。为此,利用Fluent软件,数值模拟研究了4种变截面管道结构(突变扩张型管道、突变收缩型管道、渐变扩张型管道和连续突变扩张型管道)对H_2/Air预混气体燃爆过程火焰动态变化的影响,并分析了管内温度场、压力场的分布情况、气体流速和涡量等燃爆特征参数以及焓、熵值等热力学参数的变化规律。研究结果表明:扩张型管截面的突扩诱导作用和收缩型管截面的收缩阻挡作用改变了管内预混气体燃烧火焰传播的动态结构以及火焰前锋的稀松波和预混气流方向,使火焰出现了"杯口"型和"长颈花瓶"型前锋面;突变收缩型管截面的阻挡、反射和抑制作用加强了湍流强度和涡流运动强度,管内最高温度、峰值压力和平均流速等燃爆特征参数也相对较高,而涡团向上、下管壁的运动抑制了火焰尖端的反应强度和传播速度;渐变扩张型管道能降低突扩诱导作用的影响;而连续突变扩张型管内发生在层流向湍流火焰转变阶段的首次截面突扩产生的诱导作用对其燃爆特性的影响更为显著。     

吸入压力对水蒸汽喷射泵抽气性能影响的数值分析

为研究水蒸汽喷射泵内部工作蒸汽与被抽气体的流动及其相互作用规律,考察被抽气体压力改变引起的膨胀比、压缩比变化对泵性能的影响机制,基于realizablek-ε湍流模型,建立了描述喷射泵内跨音速流动的数学模型。对喷射泵内压力沿壁面的分布进行了数值模拟。模拟结果与实验数据有很好的一致性,验证了理论模型的适用性。应用所建模型,在不同被抽气体压力条件下,对喷射泵内部被抽气体流动迹线、质量流率分布进行了数值预测,并计算了泵的引射系数。结果表明,被抽气体的质量流率随吸入压力的升高而增大,在被抽气体有效流动截面变化不大的情况下,使喷射泵引射系数相应增加,说明被抽气体压力增加引起的压缩比减少对引射系数的增加作用强于膨胀比减小对引射系数的减小作用。     

翅片管式气-液换热器变工况下传热特性研究

采用FLUENT软件对高温空气-混合硝酸盐在翅片管式换热器中的换热进行了三维数值模拟,研究其换热与流动特性。模拟主要考察对于不同压力工况下及不同Re数的高温空气,换热器的换热及阻力特性。计算结果表明:随着空气侧流速及空气压力的增加,空气侧表面换热系数都有显著增加,同时流动阻力也有所增加。低压力工况时的换热及阻力特性曲线几乎随空气流速呈线性相关,高压力工况流动和换热呈非线性趋势。将数值模拟结果与实验结果进行了对比,对数值模拟结果的准确性进行了验证,并得出了流体物性对换热器性能的影响,给出了翅片管换热器在不同条件下的换热准则方程式。     

超临界CO2冷却换热特性数值模拟

采用L-B低雷诺数模型对超临界二氧化碳在竖直圆管内的冷却对流换热特性进行了数值模拟.通过分析得到了管内不同截面的径向流体温度、速度、湍动能分布,并进一步分析了二氧化碳和冷却水进口雷诺数对超临界二氧化碳对换热的影响.研究表明,对流传热系数峰值出现在接近准临界温度的截面内,此时截面内湍动能最大,跨过该截面流速小于进口流速;...     

R290的管内冷凝实验研究

用实验与关联式理论计算对比的方法，研究了自然工质丙烷在外径9．52mm的铜光管、内螺纹管及内交叉肋管内的冷凝换热特性。冷凝实验的进口压力为：1079kPa(30℃)和：1369kPa(40℃)，质量流速为100，150，200，250和288kg/m^2s，进出口状态均保持饱和状态。为获取平均局部换热系数，实验管段为套管式逆流换热器结构，分为1m长四段，弯头相连。制冷剂在内管内冷凝，而10％的乙醇溶液在管间流动。实验结果与大多针对非自然工质(CFC，HCFC或HFC)建立的关联式的预测结果基本吻合。     

工业超声波燃气表内部结构设计的气体流动仿真研究

利用流体动力学仿真软件CFX对新设计的G10超声波燃气表腔体结构的气体流动进行仿真研究和分析。在大、中、小流量点上分别仿真新设计结构内的气体流动,获得超声波燃气表的整个腔体内、腔体的YZ轴向截面上、XZ轴向截面上和XY轴向截面上的气体流速分布,并进一步获得3个截面上属于超声波测量的内流道部分的气体流速分布。对仿真结果进一步分析发现,与整个腔体气体流动和整个轴向截面上气体流动相比,超声波测量部分截面内气体流动更快,但相对更均匀和稳定,有利于超声波气体流速的准确测量。最后给出基于该设计结构的超声波燃气表样机的检测结果,检测结果也验证了用仿真来辅助表体结构设计的可行性。     

空炉冷态和满装炉量下真空高压气淬过程流场与温度场数值模拟和实验研究

本文采用标准的k-ε三维紊流模型,利用FLUENT软件对喷嘴型真空高压气淬炉中空炉冷态流场和工件满装炉量下气固耦合流动传热过程进行了数值模拟计算.建立了符合实际的控制方程和简化物理模型,对空炉冷态下炉内的气体流动特征点进行流速测量,通过实测值与计算机模拟结果进行对比,验证了流场模拟计算的准确性和适用性;预测了满炉状态下炉区内的气体流动和工件温度分布,实测了指定工件的冷却曲线,比模拟冷却时间慢,误差在10％以内.     

粮食颗粒群密相变径气力输送的流动特性

针对稀相气力输送能耗和粉料破碎率高以及稳定性差等缺陷,在计算流体力学软件FLUENT上,选择Euler双流体模型与k-ε湍流模型对粮食颗粒在水平变径管内的密相流体输送进行数值模拟,并将仿真数据与实验结果相论证。发现湍流对两相流动过程中的稳定性有较大影响;分析管道内颗粒浓度、输送气体速度和压力损失随管道长度的变化规律,探讨密相气力输送主要参数间的影响关系,得出气流速度、压力损失会随着变径长度的增大分别下降15%、20%。     

考虑流体附加质量的输流管道振动特性分析

针对管内流体激励(flow-induced vibrations,FIV)引起的结构振动问题,考虑单向流固耦合作用,通过引入附加质量分析内流流速对结构振动特性的影响。以两端固定支撑输流直管作为研究对象,利用数值方法模拟不同流速下管内的流动状态,获取流体压力系数、湍动能及管道结构位移响应。基于单向耦合振动机理,建立管道流固耦合附加质量模型,采用FEM方法展开结构模态分析,计算流体作用于结构的附加质量和固有频率。数值仿真结果表明:内部流体流速对管道结构振动有较强的耦合作用,流速增加使得耦合附加质量增大,且存在临界流速使管道发生静态屈曲失稳现象。与经验公式对比,该计算结果在10%的误差范围内能更准确地反映流体对结构振动的单向耦合作用。因此,提出的方法能够应用于单向耦合振动问题分析,并为研究流固耦合对结构动力特征影响等管内流动的FIV问题提供思路。     

外部空间与初始温度对氢气与空气混合气体爆炸过程的影响

为了研究容器形状和初始温度对氢气与空气预混气体爆炸过程的影响,分别采用20 L球形容器和20 L圆柱形容器对氢气与空气混合气体的爆炸过程进行了研究。首先,通过壁面压力传感器获取了两种容器内的最大爆炸压力,并采用高速摄影装置拍摄了球形容器内部爆炸火球的发展变化过程。其次,利用计算流体力学方法对氢气爆炸过程进行了数值模拟,获取了三维爆炸压力场、火焰温度场等爆炸参数,对比分析了容器内不同位置处的压力曲线,并探讨了初始温度对氢气爆炸压力的影响。实验结果表明:在常温下,最大爆炸压力出现在氢气体积分数为30.0%的条件下,略高于理论当量浓度。数值模拟结果表明:两种容器内,火焰传播初期均呈球面往外发展;容器内上壁面的压力均低于右壁面的压力;由于壁面不规则的反射作用,圆柱形容器第1个压力峰值后的压力振荡周期不同步;在体系初始压力不变的情况下,初始温度提高20%,容器内部总的物质的量减少,最大爆炸压力下降15%。     

海底悬跨输流管道固有特性的DQ解法

研究在复杂的海洋环境和管内流体的耦合作用下,水下管跨振动的固有特性.将水下管跨模拟成两端受土弹簧支承和约束的一般支承输流管道,综合考虑管内外流体和管截面轴向力对管跨固有特性的影响,采用求解边值/初值问题的微分求积法(DQ法)分析其固有特性,建立了微分求积法的模拟方程和边界条件.数值仿真分析结果表明,管跨固有频率随两端入土端土弹簧刚度系数和管截面轴向拉力的增加而增大,随管内流体流速和压强及管截面轴向压力的增加而减小.本文所建立的模型更接近工程实际,DQ法用于水下管跨的工程设计和分析是可行的.     

多因素耦合影响亚音速喷口强化气体流场分布研究

为了研究多因素耦合条件下亚音速喷口内气体流场分布演变的作用机制与影响规律,基于标准k-ε湍流模型,对压力-流速-收缩比耦合条件下的亚音速喷口构造均匀气体流场进行了数值模拟,通过定义top-hat流场分布关键参数的方式,定量评估压力-流速-收缩比对强化后流场分布的耦合影响.结果表明:多因素耦合条件下,亚音速喷口通过影响压...     

水平直管内冰浆流动过程冰晶粒径演化研究

本文采用实验研究与数值模拟相结合的方法,研究了冰浆在水平直管内流动过程中冰晶粒径的分布及其演化规律。通过CFD-PBM耦合模型模拟研究冰浆在不同过冷度、流速、含冰率下冰晶粒径分布及其演化规律,并通过实验对数值模拟结果进行验证。结果表明:在含冰率为15%的冰浆管道入口处,冰晶粒径数量密度分布均近似高斯分布;随着冰浆流速和含冰率的增加,沿流动方向中心轴的冰晶平均粒径增大,截面冰晶粒径分布越不均匀;流速越小、含冰率越大,冰晶粒径的长度数量密度分布曲线的峰值升高,峰值所对应冰晶粒径的平均值减小。     

内部爆炸作用下水介质容器壁部动态响应数值模拟

为了全面研究水介质爆炸容器在内部爆炸作用下,冲击波压力场的动态分布和壁部应变规律,本文利用动态数值模拟软件LS-DYNA,对水介质爆炸容器在内爆作用下内部动态压力场和壁部应变进行了三维数值模拟,并与实验和经验公式计算结果进行了对比。通过对数值模拟结果的分析,确定了爆炸容器结构强度在内爆作用下的薄弱区域。     

内部爆炸作用下水介质容器壁部动态响应数值模拟

为了全面研究水介质爆炸容器在内部爆炸作用下,冲击波压力场的动态分布和壁部应变规律,本文利用动态数值模拟软件LS-DYNA,对水介质爆炸容器在内爆作用下内部动态压力场和壁部应变进行了三维数值模拟,并与实验和经验公式计算结果进行了对比。通过对数值模拟结果的分析,确定了爆炸容器结构强度在内爆作用下的薄弱区域。