基于试验载荷的某重型燃气轮机结焦积炭模拟

燃烧室燃油壁面结焦和燃烧积炭能对燃烧性能和寿命产生严重不良影响。基于某重型燃气轮机4种功率下燃烧载荷的火焰筒壁面测温漆试验结果,数值研究了壁面燃油结焦和积炭特性。用UG软件进行实体三维建模;用气相Realizable k-ε湍流模型、燃油颗粒Lagrange随机轨道模型、EDC燃烧模型和碳烟生成模型等模拟两相湍流燃烧反应流;采用压力-速度耦合SIMPLE算法和二阶迎风差分离散格式,计算分析了燃油颗粒分布与热壁面结焦、燃烧传热、火焰筒壁温分布和碳烟沉积。模化并分析了壁面同时发生的结焦和积炭特性及其影响因素。模拟结果与相关试验基本符合,为降低壁面的结焦积炭和改进燃烧室设计提供了理论依据。     

超临界受热面水侧颗粒沉积的数值模拟研究

为明确汽水侧的沉积物在流场中的运动规律,采用离散项模型对细长光滑水平圆管进行数值模拟。基于实验数据,对跨临界流动的湍流模型进行对比分析,并结合离散项模型,根据结晶动力学定义颗粒入射几何面,在壁面全捕捉与全反射2种极限壁面条件下分析颗粒在壁面的沉积规律。结果表明：Realizable k-ε模型适用于超临界水的湍流模拟,颗粒在壁面的沉积规律受流场影响且与颗粒粒径密切相关;小粒径颗粒主要受流场作用,且与壁面的碰撞频率更高,而大粒径颗粒主要受自身重力影响,这种特性有利于颗粒集中沉积;热泳力对于小粒径颗粒的影响更明显。     

柱状颗粒填充床的储能性能分析

填充床储能是一种很有发展前景的热能储存技术,它具有可降低存储成本和提高太阳能热系统开发效率等优点。研究人员多采用球形的储能单元,而圆柱体在储能填充床换热中有其独特的优势,因此基于圆柱形和拉西环形两种柱状颗粒,建立了一种潜热储能填充床的三维模型,采用数值模拟的方法分别研究两种柱状颗粒组成的填充床的储能性能,分析了储能填充床的直径比对其性能的影响。研究表明,填充床直径比越大,其储能性能越好。同时研究了圆柱形储能单元高度和拉西环形储能单元孔径对储能性能的影响。结果表明,在研究范围内,由高度为3 mm的圆柱形储能单元和孔半径1.50 mm的储能单元分别组成的填充床储能速率最高。     

扇形孔出口宽度对气膜冷却效率影响

数值模拟了不同出口宽度的扇形孔射流在不同吹风比下的气膜冷却效率,侧重于分析涡流结构和涡量对冷却效率的影响。结果表明,出口宽度增大不但减小了涡量,还改变了涡流方向。出口宽度增大到2.5倍入口直径时,孔中心下游冷气流线由燃气指向壁面,有效改进冷气贴附性。气膜孔出口宽度越大,冷却效率越大。随着吹风比的增加,气膜孔出口宽度对冷却效率影响越明显。     

亚毫米平行板通道内燃烧过程的数值模拟

微动力系统是动力机械具有里程碑意义的发展.由于能量密度的极大优势,应用燃烧释放碳氢燃料的化学能转化为电能或者机械能的微动力系统有巨大的发展潜力和广阔的应用前景.微燃烧室是该类微系统的核心,本实验建立了1mm以下尺寸的平行板微燃烧室内的流动、传热和燃烧模型,在实验验证的基础上,用CFD软件进行了数值模拟,获得了亚毫米平行板通道高度、混合气流量和比率等参数对内部燃烧情况及壁面温度的影响规律.     

逆风和静止环境中火焰沿柱状燃料传播的实验研究

本文测量不同直径的ＰＭＭＡ燃料捧在逆风和静止环境中的火焰传播速度，裂解长度和火焰形状，实验结果表明，在相同的燃料直径下，逆流风速越大，火焰传播速度较小，裂解区长度越小。火焰形状越平；在相同的逆流风速下，（１）当逆流风速于０．７ｍ／ｓ时，燃料直径越大，火焰传播速度越小；（２）当逆流风速大于０．７ｍ／ｓ时，燃料直径越大，火焰传播速度越大，当逆流风速较大时，不同直径燃料的无因次裂解长度趋现一致。     

不同直径颗粒在S809翼型流场中的运动特性及对其气动性能的影响

以风力机专用翼型S809为研究对象,采用SST k-ω湍流模型和离散相模型(DPM)进行数值计算,研究不同直径颗粒在流场中的运动特性及其对翼型气动性能的影响。结果表明,颗粒入射轨道较少(颗粒浓度低)时,不能采取等效,应保证轨道数精确。而轨道数足够多时,可用较小的轨道数等效;随着颗粒直径增大,颗粒的跟随性变差,绕过前缘后远离吸力面的情况加剧。进入边界层和分离涡的颗粒及其所能达到的最大速度均减小,且最大速度点沿流向移动;当直径增大到50μm时,出现颗粒碰撞壁面的现象,且直径越大碰撞现象越剧烈;各直径颗粒对8.2°和12.2°攻角的升力系数影响很小,而对于18.1°攻角,0.5μm的颗粒会明显增大其升力系数。     

应用Fluent软件研究流化床中布风板结构

利用Fluent数值模拟软件对流化床冷模入口段进行流场模拟，重点讨论布风板二种布孔排列型式（正方形和正三角形）和三种开孔直径（d=0．5mm，d=1mm和d=2mm）下对流态的影响。经过合理简化和缩小模型，认真细化网格，Fluent数值模拟和实验数据分析，最终结果表明：在本实验模型和操作工况下，开孔形式成正三角形排列，开孔直径d=2mm布风板，是本实验所选的流化床冷模中直孔式均匀多孔布风板的最优结构。     

气固喷射器的三维数值模拟

采用欧拉双流体模型及颗粒动理学理论,对洁净煤发电器内的气固两相流动进行三维数值模拟.结果表明.在该喷射器的收缩段的下壁面有一明显的固体颗粒聚集区,这与实验观察到的现象基本一致;气体在喷射器中心形成一个高速射流区域,由于高速气流的卷吸作用,高速射流区的两侧有明显的回流现象;固体颗粒速度最大的地方离气体入口有一段距离.为了进一步验证模型.气固喷射器内静压分布的数值结果与实验进行了比较,结果表明:基于欧拉双流体模型的三维数值模拟结果和试验结果吻合得较好,平均误差较小,这说明该模拟方法是成功的.可为进一步研究与节能减排相关装置的气固喷射器的复杂气固流动特性提供参考.     

稠密气固流动中颗粒聚集现象的数值模拟

基于确定性轨道和真实碰撞，对二维稠密气固两相流动进行了数值模拟，真实展现了颗粒聚集现象从无到有的发展过程。在此基础上，对颗粒聚集现象影响因素的作用规律进行了研究。结果表明，颗粒间的相互碰撞是造成颗粒聚集的重要原因，即使在初始颗粒体积分数低至0.24％的情况下，仍然有显著的颗粒碰撞发生和聚集出现。颗粒弹性恢复系数越小、颗粒初始体积分数越大，则颗粒聚集现象越明显。这与已有的一些实验和数值计算结果是一致的。     

飞灰复燃对炉内颗粒沉积状况的影响分析

实际工程表明,采用飞灰复燃技术对锅炉进行改造,可以减少飞灰所带走的燃料损失,提高锅炉效率,但飞灰回收复燃给壁面颗粒沉积状况也带来了影响.采用FLUENT模拟了SZL15-1.25-AⅡ型双筒链条蒸汽锅炉炉内燃烧,对比分析了采用飞灰复燃技术前后炉内壁面颗粒沉积状况.模拟结果表明,飞灰复燃对锅炉顶墙、前墙及后墙的颗粒沉积速率影响较大,其中飞灰复燃提高了顶墙和前墙的颗粒沉积速率,降低了后墙颗粒沉积速率,而对锅炉前后拱的影响很小可以忽略.减小飞灰入射质量流量或调整飞灰入射角度为水平偏下,均可以降低颗粒在水冷壁的沉积速率,有利于炉膛与水冷壁间的传热.     

静止流体中颗粒污垢沉积模型数值模拟

为了研究静止流体中颗粒污垢沉积规律,基于固液两相流理论以及扩散理论建立了颗粒沉积模型,采取数值模拟的办法,分析研究了颗粒沉积速度、浓度及沉积量随沉积过程的变化,得到了适用于粒径大于5μm的颗粒沉积规律:颗粒沉积速度、浓度以及沉积量均呈现渐进型趋势,颗粒最终以恒定的沉降速度沉底;越靠近底端,沉积时间越短;越靠近表面浓度变化越快。分析对比模拟值与实验值,在误差允许的范围内认为两者吻合较好。     

两阶段悬浮液超音速火焰喷涂传热和流动模拟

两阶段悬浮液超音速火焰喷涂过程中的悬浮液溶剂的蒸发、固体颗粒沉积于基板时的温度和速度对最终形成涂层的性能有着至关重要的影响,因此有必要对悬浮液液滴和固体颗粒在流场中的换热和运动过程加以研究。在分析两阶段悬浮液超音速火焰喷涂原理的基础上,建立了两阶段悬浮液超音速火焰喷涂过程的传热和流动模型,通过使用DPM模型采用双向耦合的方式对TiO₂悬浮液液滴注入超音速流场过程进行数值模拟。研究了不同掺混气体质量流量对液滴以及TiO₂固体颗粒粒径、温度、速度的影响。模拟结果表明,氮气质量流量越高,沿轴线相同位置液滴粒径越大,液滴水分蒸发越慢,TiO₂固体颗粒温度下降越明显,TiO₂固体颗粒速度越大。     

基于水平圆管外加装排液板降膜流动的数值模拟

为了研究排液板对水平圆管外降膜流动与传热的影响,建立了水平圆管底部加装排液板的物理模型,采用流体体积函数(VOF)模型对其管外降膜流动进行了数值模拟,并将数值模拟结果与文献中的实验数据进行了对比.结果表明:加装排液板的水平圆管的平均液膜厚度比未加装排液板的水平圆管薄,管壁局部Nu大,排液板起到加速排液及减薄液膜的作用,有利于强化传热;排液板高度越大,管外同一周向角位置处的液膜厚度越薄,管壁局部Nu越大;排液板厚度较小或者较大都不能有效发挥加速排液的作用.     

壁面温度对油滴撞壁铺展的影响

利用Level Set与VOF耦合(coupled level set and volume of fluid,CLSVOF)数值模拟和能量理论分析的方法,研究发动机冷起动时的油滴撞击冷壁面现象及壁面温度对油滴撞壁铺展结果的影响。结果表明:壁面温度造成油滴表面张力系数、动力黏度和速度梯度的改变;壁面温度越低,油滴的最大铺展系数越大。     

考虑壁面粗糙度的双流体颗粒-壁面碰撞模型

提出了考虑壁面粗糙度的双流体颗粒－壁面碰撞模型，将轨道模型中颗粒碰壁模型考虑壁面粗糙度和双流体模型中用概率密度函数积分法处理颗粒与光滑壁面碰撞模型的优点结合起来，引入壁面粗糙度对碰壁颗粒湍流影响的机理。数值模拟结果表明，由于考虑了各方面雷诺应力之间的相互转化，雷诺应力从平均运动中得到能量，以及壁面对运动的衰减作用等因素，包括摩擦系数、恢复系统、壁面粗糙度等物理参数的颗粒－壁面碰撞模型作为边界条件时，得到的结果与实验符合得更好。     

气膜孔形状对冷却效率影响的数值研究

采用控制容积法对三维定常不可压缩雷诺时均紊流方程(N-S方程)进行了离散,并在吹风比M为0.6和1.2的情况下,利用非结构化网格及两层k-e湍流模型,对气膜孔几何形状对涡轮叶片气膜冷却效率的影响进行了数值模拟,得到气膜孔附近的流场分布.结果表明:圆柱形孔的冷却效率随吹风比的增大而明显降低.前向扩张孔的冷却效率优于圆柱形孔,射流在叶高方向上扩展较广,在侧向孔间区域的气膜冷却效率较高.缩放槽缝孔在不同吹风比下的冷却效率均高于圆柱形孔和前向扩张孔,而且在孔下游较远区域,2个孔之间沿叶高方向的气膜覆盖性较好.缩放槽缝孔和前向扩张孔不同程度地抑制了反向涡旋对的产生,因而提高了射流对壁面的贴附性,增强了壁面的冷却效果.     

DPF单通道内颗粒物沉积特性的数值模拟

基于离散的格子Boltzmann方法(LBM)耦合格子气元胞(CA)自动机概率模型,结合计算机断层扫描技术与四参数随机生成法获取和生成过滤器薄壁微观数字结构,模拟柴油机颗粒捕集器(DPF)通道内不同入口流速u0下的颗粒物沉积特性.结果表明:不同粒径颗粒群在过滤器壁面的沉积分布很大程度取决于通道气流的u0,u0=1 m/s时颗粒群沿着通道壁面沉积分布比较均匀;u0=3 m/s、u0=6 m/s时颗粒更加倾向于沉积在通道的中、后段.颗粒沉积后,过滤器通道的有效宽度减小,与洁净通道相比,轴向速度与压力都有所增加,且u0越大,变化越明显.     

有压管道中孔板相对间距对局部阻力系数的影响及其机理研究

为探明局部构件对局部水头损失的影响,采用标准κ-ε紊流模型,就有压直管道中单个孔板局部阻力系数随雷诺数(Re)的变化规律及孔板相对间距(Ls/d)对总局部阻力系数的影响进行了试验研究和数值模拟。结果表明,数值模拟结果与试验结果吻合,即单个孔板局部阻力系数随Re增大而增大直至趋于定值;当Ls/d≤9时,总局部阻力系数小于单个孔板局部阻力系数之和,相对间距越小,两孔板间的影响越明显,总局部阻力系数越小;当Ls/d9时,可以认为两孔板间已无相互影响,总局部阻力系数等于单个孔板局部阻力系数之和。为进一步分析其影响机理,模拟了不同孔板间距下的管道流场,从流场角度初步揭示了孔板间距对总局部阻力系数的影响机理。     

基于灰烬沉积的微粒捕集器热再生特性

柴油机微粒捕集器的循环再生过程中,微粒中的不可燃灰烬物质会累积在进口孔道的过滤壁面上.考虑沉积灰烬层对微粒捕集器热再生过程的影响,耦合过滤体孔道内气相质量、动量和能量守恒以及碳烟颗粒的质量守恒与壁面能量守恒方程建立了微粒捕集器热再生模型,采用数值模拟的方法研究不同灰烬沉积状态下过滤体孔道内碳烟颗粒再生与壁面温度沿轴向的分布规律.结果表明:微粒捕集器内沉积的灰烬层增加了碳烟颗粒再生时过滤体的热传导阻力,使得再生时过滤壁面的温度升高,且随着灰烬沉积量的增加,壁面峰值温度增加幅度增大;同时进气孔道前端温度的升高会加快后端孔道内碳烟的氧化速率,进一步增加再生时后端壁面的峰值温度.因此,为避免灰烬层对微粒捕集器工作状态的影响,必须根据过滤体内灰烬的沉积量严格控制微粒捕集器再生时碳烟颗粒的承载量.