高Schmidt数下喷射器内湍流混合的多尺度模拟放大研究

本文从微观与宏观两个方面考察了喷射器的混合性能.利用CFD模拟软件Fluent 6.2求解了混合模型方程、流体流动方程及k-ε湍流模型方程,对不同结构、不同工况下的喷射器进行了考察,结果表明:1)在喷射器结构一定的情况下,喷嘴速度和引射流体速度比越大混合效果越好;2)在喷射器结构、喷嘴速度与引射流体速度比为定值的情况下,其绝对速度越小混合效果越好;3)在喷射器速度为定值的情况下,混合段直径与喷嘴直径比越小混合效果越好,二者之间存在着线性关系;4)在喷射器速度、混合段直径与喷嘴直径比为定值的情况下,其绝对直径越小混合效果越好,且二者之间存在着线性关系;5)在多数情况下,微观混合速度要慢于宏观混合,微观混合才是喷射器内混合过程的控制步骤.     

高Schmidt数下喷射器内湍流混合的多尺度模拟模型建立

多尺度性是湍流混合的重要特征,本文建立了湍流下物料间的宏观混合和微观混合模型,利用计算流体力学软件Flu- ent6对喷嘴直径为2.5 mm、混合段直径为6 mm、混合段长度为90 mm的喷射器混合段物料的混合状况进行了模拟。对模型进行求解的过程中,进行了网格无关性验证,求解了k-ε方程、流动方程和所建立3个标量方程。求解模型中3个标量方程时,使用了Fluent中的user defined function(UDF)。最终获得了喷射器混合段内宏观混合和微观混合的详细信息,为喷射器的优化及放大设计提供了重要的依据。     

液-液旋流器内近壁湍流处理方法及数值模拟

无论k-ε模型及其修正模型,还是广泛应用于水力旋流器数值模拟的雷诺应力模型(RSM),都只是针对湍流核心区,对近壁区无效,如何确定液.液水力旋流器湍流场模拟的近壁处理方法亟待深入研究.在介绍湍流近壁区流动特点和处理方法的基础上,引入了2种湍流近肇处理函数--标准的和非平衡的壁面函数,在相同的网格系统和计算条件下计算了双锥双柱型水力旋流器内湍流场,结果与激光多普勒测速仪(LDV)测试结果基本吻合,但采用非平衡的壁面函数预报结果更为可信,为进一步精确研究旋流器内的流动过程打下良好的基础.     

液-液喷射器不同进料方式下混合过程的CFD模拟

利用计算流体力学(CFD)软件CFX5对液-液喷射器混合段物料的混合性能进行了模拟,确定了工作流体和引射流体都平行于混合管轴线进料时物料完全混合所需的混合管长度,并分析了三种不同进料方式:(1)工作流体和引射流体都与混合段轴线平行进料;(2)工作流体与混合段轴线平行进料,引射流体与轴线成30°进料;(3)引射流体与混合段轴线平行进料,工作流体与轴线成30°,对混合管内混合过程的影响,结果表明,工作流体和引射流体都与混合段轴线平行进料时混合效果最好。     

喷射反应器内液-液湍流微观混合的研究

通过定义局部分离度,来定量表征喷射器内液-液湍流微观混合规律。其定义式为:(实验所得H~+浓度-模拟所得H~+浓度)/模拟所得H~+浓度。选用酸碱反应体系,利用PLIF技术得到沿喷射器轴线的H~+浓度;采用Fluent软件,利用Standard k-ε模型,模拟获得相同操作条件下的H~+浓度变化趋势。得到不同操作条件下,分离度沿喷射器轴线的变化,结果表明:(1)引流速度不变,喷嘴速度越大,两流体越容易达到微观尺度的均匀混合;(2)喷嘴速度不变,引流速度越大,两流体反而不容易达到微观尺度上的均匀混合;(3)速度比一定的情况下,喷嘴速度越大,越有利于流体的微观混合。     

不同气液流量下喷射器内液滴特性分析

单重态氧是氧碘化学激光的能量来源,其反应生成效率直接影响COIL输出的激光功率和光束质量.单重态氧的反应生成效率取决于气液接触面积,喷射式单重态氧生成器的气液接触面积与喷射器内的液滴分布有关.本文利用商业计算流体力学软件.Fluent 6.3,对喷射式单重态氧发生器内不同气液流量情况下的液滴直径、速度分布规律进行模拟.模拟过程主动流体为水,被动流体为氯气和氦气的混合气体,通过模拟得出了不同气液流量情况下,喷射器内液滴的直径、速度分布情况.在液相流率不变的情况下,随气相流率的增大,喷射器内的液滴平均直径减小,平均速度增大,直径方差和速度方差减小,液滴直径和速度分布趋于集中,且变化趋势随气相流率的增大而减缓;当气相流率不变时,随液相流率的增大.液滴平均直径减小,平均速度增大,直径方差和速度方差都增大,液滴直径和速度分布趋于分散.     

喷射反应器内液-液快速反应的数值模拟

对于复杂快速反应,反应物之间能否快速均匀地混合是影响反应转化率、选择性和收率的重要因素,而喷射器作为一种高效混合设备,以它固有的优越性,越来越受重视。本文以酸碱快速中和反应为例,利用CFX5软件,采用k-s模型．将主动流体与引射流体的速度,在不同比值下对反应的影响作了模拟,结果表明,流速比决定反应的速度,流速比越大则反应越快,消耗的动力也越多,因此对于实际的喷射反应器,它必然有一个最优的速度比值。另外,本文还对流速比确定,不同反应物浓度比对反应的影响进行了模拟,结果表明浓度比对反应的影响很小,可以忽略。     

基于机群的湍流燃烧数值模拟平台的构建与应用

首先对机群系统的特点和软硬件配置环境进行阐述,然后基于MPI和开源工具OpenFOAM实现一个计算流体力学机群系统的搭建,并对这个机群系统的性能和并行效率进行测试和分析。通过利用此机群系统对湍流燃烧流动反应进行数值模拟及并行计算得到模拟效果的三维流场。实验结果表明,该机群系统针对湍流燃烧数值模拟可以明显提高计算效率并得到较好的仿真效果。     

基于CPU/GPU异构系统架构的高超声速湍流直接数值模拟研究

【目的】高超声速湍流直接数值模拟(DNS)对空间及时间分辨率要求高,计算量非常大。过大的计算量及过长的计算时间是导致DNS难以在工程中被大范围应用的重要原因。为加快计算速度,作者设计并开发了一套CPU/GPU异构系统架构(HSA)下的高性能计算流体力学程序OpenCFD-SCU。【方法】该程序以作者前期开发的高精度有限差分求解器OpenCFD-SC为基础,经GPU系统的移植及优化而得。GPU程序的计算部分使用CUDA编程,确保所有算术运算都在GPU上完成。【结果】利用GPU程序OpenCFD-SCU,进行了来流Mach数6,6°攻角钝锥边界层转捩的直接数值模拟,得到了转捩过程中的时空演化流场。针对这一算例,GPU程序OpenCFD-SCU与CPU程序OpenCFD-SC相比,实现了60倍的加速效果(单GPU卡对单CPU核心),大大加速了DNS计算过程。【结论】未来,相信会有更多高超声速湍流模拟选择在GPU上开展。     

湍流燃烧反应数值模拟的研究与实现

基于开源计算流体力学平台OpenFOAM和化学动力反应模型库Cantera设计出定常可压缩的湍流燃烧反应解算器,使用该解算器对Sydney钝体驻定火焰HM1进行数值模拟,模拟采用煤气和空气的详细反应机理,并根据计算结果得到燃烧流动组分浓度分布图和温度曲线变化图.通过计算结果与实验数据对比分析表明,模拟效果较好的符合燃烧组分变化的研究要求,这说明设计的解算器对定长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.湍流燃烧流动解算器的设计对于燃烧室性能预估有一定的参考价值.     

Direct numerical simulation of turbulent flows with chemical reaction

Results from full turbulence simulations incorporating the effects of chemical reaction are compared with simple closure theories and used to reveal some physical insights about turbulent reacting flows. Pseudospectral methods for homogeneous turbulent flows with constant physical and thermal properties in domains as large as 64³ Fourier modes were used for these simulations. For the case of nonpremixed flows involving a two-species, second-order, irreversible chemical reaction, it is found that the scalar dissipation microscale is only a weak function of the reaction rate and that chemical reaction contributes very little to the decay of the variance of the reactant concentration. Examination of local values of the velocity and concentration fields shows that the local reaction rate is highest in regions of the greatest rates of strain and that vorticity tends to align with the reaction zone. Finally, difficulties associated with the evaluation of multipoint pdf's and with the archival of time-dependent data from the threedimensional simulations are described.Presented at the Second Nobeyama Workshop on Fluid Mechanics and Supercomputers, Nobeyama, Japan (September 1987).     

提升管反应器FCC汽油催化转化过程数值模拟

在汽油催化转化反应动力学模型和气-固两相流模型的基础上,将流动、传热、反应综合考虑,建立了催化裂化汽油催化转化提升管反应器的反应-流动耦合模型。模拟结果与中型实验提升管出口数据吻合较好。数值模拟了提升管反应器内气相组成、温度分布、速度分布沿提升管高度变化,以及提升管出口产品产率随温度和剂油比的变化情况,模拟结果反应了其变化规律,验证了模型的可靠性。     

船用低温蒸馏海水淡化装置二级引射器的数值模拟

目前船用蒸馏海水淡化系统中,为减小装置体积并实现系统节能目标,引射器通常需要同时具有抽气和抽水功能,而传统的单级引射器只能形成单一真空度,从而影响淡水产率.文章提出了一种二级双吸口引射器设计方案,通过对引射器的流场特性进行数值模拟,分析结果表明入口流速和压力升高有利于提高真空度,而出口压力升高则会降低真空度.实验结果显示,在流速大于3.5 m/s时,模拟结果与实验数据基本一致,引射器吸口真空度可达到92％和90％,满足了船用引射器性能要求.     

上喷式喷射器内气液两相流的流体力学特征

喷射器作为气液混合装置,比传统接触混合器具有更高的混合强度和传质系数.计算流体力学(computational fluid dy-namics,CFD)模拟作为研究气液混合流的方法,有助于理解喷射器的流体力学和混合特征.它能提供详细的信息来量化操作条件对喷射器性能的影响.本文利用CFD模拟了上喷式喷射器内的气液两相流的流体力学特征.结果表明在较高的混合段长径比下,混合段入口处的压力较低.但是存在一个最大的压力降,此时混合段长径比约为4.0.在相同的喷嘴速度下,混合段入口处压力降最低,气体卷吸量最大.模拟中混合管与喷嘴面积比范围为1～16.无论是保持喷嘴直径不变还是混合管直径不变,混合段入口处的压力都随着D2M/D2N的增加而增加.但是对应的最大气体卷吸率发生在面积比为4.0.当喷射器的结构参数不变,混合段入口处的压力降和气体卷吸率随着喷嘴速度的增加而增大.     

液-液水力旋流器内轻相浓度场的非稳态模拟

为了更好地掌握液-液水力旋流器内油水流动和分离特性与结构的关系,采用计算流体力学的有限体积法(FVM),对其轻相分离过程进行了非稳态的数值计算,得到了轻相(油)在旋流器内的逐渐分离、聚积和运移的过程,分析发现,大锥段和小锥段的分离效果明显,尤其在小锥段的中心区轻相(油)聚积的浓度最高。因此,对大锥段和小锥段优化设计是提高旋流器分离效率的最重要的方面之一,可以进一步研究锥段的过渡型式,如采用高次曲线。