高能化学激光多物理场耦合数值模拟

高能化学激光是利用大量化学物质的原子受激辐射产生发光现象,为了合理解析这种过程,构建了多物理模型耦合计算体系,所构建的数值模拟体系包含了流场-化学场计算模块、光场计算模块和热-结构计算模块。三种物理过程强烈的时间尺度反差给多物理场耦合计算带来了困难,因而提出了非同步多时间尺度耦合策略,使全三维、高分辨率大尺度化学激光的模拟成为可能,以氧碘化学激光为例,数值解析了超音速化学氧碘激光器流动、光场演变及腔镜系统内各光学元件在激光辐照下的热力学过程,计算结果能直接反映激光器包括功率和光束质量等最为重要的性能指标,是实现高能激光关键问题辨析和优化设计的重要工具。     

套管换热器多场耦合动态响应数值模拟

将管壳程流体与换热管相结合,阐述了套管换热器耦合界面物理量传递关系、多场耦合关键问题和计算流程,建立套管换热器多场耦合数值模型,该模型涉及多物理场计算、多界面耦合和多参数迭代收敛的数值模拟,同时研究了套管换热器多场耦合动态响应。数值模拟表明:界面载荷、位移、热量、温度、传热系数和湍流频率呈现周期性响应规律,界面流体载荷具有阻止换热管加速和减速运动的特征。     

气-固反应产生碘蒸气在COIL中的应用研究

介绍了一种新的化学式的氧碘化学激光器碘发生器,即在固定床式反应器中采用固体碘化亚铜颗粒与氯气(CuI/Cl2)进行反应的气固化学反应体系。在不增加额外供气设备的前提下,极大地缩短了出光前启动时间,并减小了对激光器设备的腐蚀。研究结果显示,CuI颗粒粒度对原料的利用率影响较大,综合考虑床层阻力的情况下1~1.25 mm是较为合适的尺度。出光实验证明,采用该体系作为碘发生器的激光器出光功率和化学效率完全可以达到相同规模的物理式碘发生器的水平。     

多物理场分析软件

<正>ESI集团的CFD-ACE+2008.0版本的软件平台是一种先进的计算流体动力学和多物理场分析软件,能够对广泛用于工业的流体、热量、化学、生物、电力及机械现象进行耦合模拟。这是一种模块式的、可扩展的软件,支持所有模拟技术,包括:多块结构的、一般多面非结     

焦炉燃烧室-炭化室热过程数值模拟及解耦算法

考虑焦炉燃烧室-炭化室的复杂结构和多过程耦合的传输现象,建立了焦炉燃烧室-炭化室的数理模型,针对直接耦合数值模拟计算量大、难以收敛的问题,提出并采用两种解耦算法对焦炉燃烧室-炭化室的燃烧、流动和传热过程进行了数值模拟,并将计算结果与现场实测值进行了比较。计算结果表明,与直接耦合数值模拟相比,两种解耦数值算法具有简单易行、计算量小、能得到收敛和较精确的解等优点,算法二与算法一相比计算量有所增大,但由于其更接近实际工况,具有更好的通用性。本文提出的两种解耦数值算法,对焦炉燃烧室-炭化室等复杂结构、多过程耦合的数值模拟具有一定的理论指导意义,并期望为其他类似复杂传输过程的数值模拟简化处理提供参考。     

耦合格子Boltzmann的聚合物结晶相场方法

在模拟枝晶生长的相场方法上,耦合多松弛格式的格子Boltzmann方法,建立了相场-格子动力学耦合模型,对聚合物结晶过程中出现的枝晶生长形貌进行了数值模拟。耦合模型规避了传统相场法需要高分辨率场精确解决固液界面的难点,其中高精确的解析度会严重影响时间步长的选取。运用LBM方法,提出了一种自适应的时间步长计算方法,允许在改变时间步长的同时不需要相应地改变网格大小,时间步长允许设置得较大而数值模拟结果不会出现发散现象,也避免了高精度差分格式的使用。使用FORTRAN语言对相场-格子动力学耦合模型进行了求解,通过对聚合物等规聚苯乙烯结晶的数值模拟,研究了在不同实验温度下等规聚苯乙烯晶体的数值模拟形貌,并与实验结果进行了比较,验证了模型的有效性。     

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...     

高自由酸油脂甲酯化反应动力学与相分离模拟

为了降低生物柴油的生产成本、提高过程效率,研究了高自由脂肪酸油脂一步法制取脂肪酸甲酯的催化剂体系.提出水解-酯化耦合反应机理,建立拟均相催化反应动力学模型,并借助多物理场模拟软件COMSOL Multiphy-sics和流程模拟软件Aspen Plus 11对甘油水混合物与脂肪酸甲酯的分离过程和相平衡进行模拟研究.结果...     

高粘性岩土化学渗透效应数值模型试验分析

粘性岩土是工程建设常用材料,被广泛应用于水利、土木工程等领域,其化学渗透现象所致的“耦合流”受到了地球科学、环境科学、土木工程等的高度重视。以往在抗渗计算时,多依据经验确定粘性土抗渗允许坡降,存在较大的偏差,导致堤坝、基坑等工程建设存在潜在的安全隐患。随着粘性岩土本构关系研究不断深入,非线性本构关系逐渐取代了弹性应力应变关系假定,对于粘性岩土化学渗透效应问题未能达到满意的效果。数值模拟在高粘性岩土化学渗透效应分析中得以应用,利用离散元软件的流体模块数值模拟高粘性岩土渗透破流程,能够反映出粘性土渗透规律,基于此研究分析了粘性岩土化学渗透、反渗透及耦合流原理,构建了粘性岩土化学渗透数值模型。通过测定物理指标、试样制备,对其渗透效应进行数值模型试验,分析了接触连接模型及粒子的生成,合理选取模型微观参数,制定了土样渗透判断标准,并对其运行过程进行介绍。实践证明该方法操作简单,具有一定的合理性,且考虑了粘性岩土应力对地基水平位移、沉降变形及孔压的影响,能够反映出化学渗透效应。     

多场耦合的电磁流量计传感器感生电势计算方法

采用有限元数值计算,对电磁流量计传感器建立三维模型计算空间磁通密度分布。根据权重函数的物理意义从虚电流的定义出发,求得二维权重函数数值解,与解析解基本吻合,并将此法应用于三维权重函数的求解。分别采用二维和三维积分计算磁通密度、权重函数并对流场进行数值耦合,获得电极两端感生电势并与实验值对比,相对偏差分别为-11.8%和-3.9%,证明了所提计算方法的合理性。     

A modified DSMC method for simulating gas–particle two-phase impinging streams

A modified direct simulation Monte Carlo (DSMC) method is proposed in the present paper for obtaining the particle motion behavior which is of essential importance for research of the transfer processes in a gas–particle two-phase impinging streams (GPIS). In GPIS, the particle concentration distribution is extremely nonuniform. The particle collisions play an important role in the particle motion behavior inside the impingement zone with high particle concentration, nevertheless, the interactions between gas phase and particle phase play an important role outside the impingement zone. And the volume of the impingement zone is relatively small, and the time required for a particle to pass through this zone is very short. According to these characteristics of multiple spatial scale and multiple time scale, the DSMC method is modified to be more suitable to the numerical study of GPIS. This modified DSMC method is not restricted to flow field cells in the calculation of particle motion and collisions, and the particle time step in this method is adaptive and calculated using local particle parameters. The algorithm and numerical solution method of this method are also given in this paper. The predicted results of the particle motion behavior in GPIS are in reasonable agreement with the experimental data, which indicates the validity of the present method.     

高温固体氧化物燃料电池多孔电极结构介尺度研究方法

高温固体氧化物燃料电池（SOFC）在可持续新能源领域具有广泛的研究与应用前景,多孔电极结构的本质特征是介尺度,这种特性对电极内物质传输和电池性能起着决定性作用。本文综述了应用于多孔电极结构的微尺度和介尺度的数值、物理研究方法以及介尺度耦合其他尺度的多尺度方法,分别讨论了各方法适用的研究内容、研究进展及其优缺点。通过分析得出,微尺度方法可精确模拟SOFC电极材料的微观特性,介尺度方法可重构复杂的电极微观结构、模拟三相反应,同时是研究电极微观结构和宏观模拟之间的重要桥梁,因此,介尺度与其他尺度方法的耦合可以较好地解决微观结构和多物理场耦合下的相互作用。在未来的研究中,降低介尺度及其耦合的多尺度方法的计算成本、发展先进的实验设备和可视化技术具有重要的研究潜力与价值。     

PDC钻头井底水力参数理论与数值模拟研究

为了精确计算模拟钻井过程井底水力参数,以Solidworks制图软件建立了三维模型,利用流体力学软件Fluent的k-ε模型对井底PDC钻头进行了三维流场数值模拟,从理论计算和数值模拟对喷嘴流量,冲击力和水功率两方面分析了PDC钻头水力参数,分析结果证明数值模拟能够较为精确地描述井底不同方位影响的水力参数,为优化PDC钻头水力参数与井底流场理论研究提供了重要依据,具有良好的参考价值。     

湍流氢氧预混燃烧流场的二维数值模拟

基于Cantera化学动力反应模型库,采用工程计算开源软件OpenFOAM建立应用半隐式压力校正方程SIMPLE算法求解定常可压缩湍流燃烧流动问题的数值模拟方法,设计出适合于稳态求解的可压缩燃烧反应的求解程序,并对燃烧室内的氢氧燃烧过程进行二维数值模拟。通过计算结果与试验数据的直观对比分析表明:所建立的数值计算方法对定常可压缩燃烧流动问题有很好的计算仿真效果,体现了其可行性与正确性,同时对解决其他燃烧流动问题也具有较高的参考价值。     

高超声速飞行器流-热-固耦合数值模拟

选用HiFire-1锥体部分作为研究对象, 采用顺序耦合方法, 对飞行器锥体的流-热-固耦合场进行了研究分析。在外流场的数值模拟中采用Transition k-kl-w湍流模型准确计算出了转捩位置和热流数值, 在温度场和应力场的数值模拟中计算了气动加热1 s时温度场和应力场的分布, 温度最高点和变形最大处均出现在头锥顶端, 温度在轴线方向上呈现环状的分布, 沿轴线逐渐降低, 整体结构的弹性变形和温度正相关, 且主要变形区域集中在前端高温区。     

Calculation of three-dimensional flow and pressure fields in cracking furnaces

The simulation of correct flow and pressure fields in the radiation section of industrial thermal cracking furnaces is of practical interest since the amount of combustion air taken in by the burners in general is partly determined by the pressure field. For such engineering purposes often a (practical) simplified numerical treatment of the viscous terms in the flow equations is used to reduce the computational cost. It is shown that the interaction between such a simplified numerical treatment of the viscous terms and the alignment of the cell interfaces with the coordinate system can result in an erroneous (non-physical) calculation of the pressure field. This alignment problem is predominantly present when using a semi non-structured prismatic grid to solve the flow equations. Using a fully non-structured tetrahedral grid avoids this problem because of the random orientation of the cell interfaces for this type of grid. This is confirmed by assuring that the calculation results are independent with respect to grid refinement. At the same time the influence of the presence of the reactor tubes on the velocity field inside the furnace is examined.     

制冷工质流动沸腾数值模拟中源项模型的研究进展

作为描述流动沸腾过程物理现象的核心,源项在流动沸腾的数值模拟研究中起着至关重要的作用,主要体现在：①反映流动沸腾过程的传热、传质机理;②描述沸腾传热、两相流动特征;③影响数值计算稳定性。源项模型的准确性、适用性及稳定性对于制冷工质流动沸腾机理的数值研究具有重要意义。本文通过文献综述的方法,对现有源项模型进行了梳理。首先从源项在数值模拟中的角色入手,对现有针对流动沸腾数值模拟的源项模型进行归纳;其后分别从纯工质、混合工质两方面对源项模型的研究进展进行具体综述,分析了典型模型（如动力学模型、标量场模型、扩散模型等）的优缺点;同时对源项模型的典型验证方法进行系统总结,包括标准模型验证法、实验验证法。在此基础上,指出了流动沸腾数值模拟中源项模型的发展方向。     

CFD 在食品干燥过程及其干燥设备设计中的应用

CFD是通过计算机数值计算和图像显示以定量描述流场的数值解,从而对物理问题进行分析研究。CFD兼有理论性和实践性的双重特点,其主要用途是对流态进行数值仿真模拟计算,能够对流态的温度场、速度场、浓度场等进行有效的指导和预测。本文综述了CFD数值模拟在食品干燥过程中以及干燥设备设计中的应用和发展前景。     

旋风分离器气相旋转流流场动态特性的研究进展

旋风分离器的气相旋转流场对颗粒的分离过程有重要影响。本文指出实验测量和数值模拟表明这种流场具有很强的动态特性,表现为速度和压力随时间的低频高幅脉动变化。但以往的研究主要关注流场的稳态时均特性,缺少对流场动态特性的研究。旋风分离器内流场动态特性主要产生于旋转流的旋转中心围绕着几何中心作随机摆动,由此造成了流动参数的脉动和湍流强度的急剧增大,也导致了对时均流场中一些现象的分析不清晰。此外,由于各种气固分离模型没有考虑流场的动态效应造成了计算结果不够准确。文章指出目前这种流场动态特性主要是实验测量分析,数值模拟方法尚难以准确描述,还需在计算模型上改进。开展流场动态特性的研究对开发高效低阻旋风分离器和改进其分离性能是非常必要的。     

3D‐Flow Analysis by Means of Streamline Calculation

Over the last several years simulation software has become more and more important for mould design and process optimisation in polymer processing. Due to the mainly thin‐walled nature of most injection moulding parts, the currently used simulation programs are predominantly based on shell‐type elements with a two‐dimensional flow field in each element. Because of some assumptions, related to this specific calculation method, these so‐called 2.5D‐programs reach their limits in the simulation of complex‐shaped, thick‐walled mouldings. The fully three‐dimensional calculation of the injection moulding process offers a high potential which leads to improvement in result quality. This paper is a report of an investigation of streamlines in three‐dimensional flow fields, which typically occur in injection moulding. The streamlines were investigated by numerical simulation using 3D‐simulation software and by experiments. For the experiments a special mould has been designed, which enables pigments to be injected into the runner system of the mould. The injection can be done at different positions over the flow channel cross section. Thus the path of different coloured particles can be directly observed. The mould can be equipped with different inserts in order to allow an investigation of different geometries. In general, simulated and observed streamlines are in good agreement. Minor differences are due to special features in mould design or the calculation algorithm. The insights gained from this investigation can be applied to find appropriate simplifications in numerical 3D‐simulation in order to cut down computing times.