气固两相圆柱绕流转捩两种模式的三维直接数值模拟

该文对随空间发展模式的三维气固两相圆柱绕流中颗粒与流体的单相耦合作用进行了直接数值模拟。气相流场采用高精度紧致差分方法的数值方法对N-S方程组进行直接求解,计算颗粒场时,选取Stokes数等于0．01、1、10的颗粒,采用Lagarangian方法跟踪其运动。颗粒与壁面采用了弹性碰撞的方法来模拟。重点考察了颗粒相受两种模式下拟序结构的作用,分析了不同Stokes数的颗粒扩散受其相应流场特性的影响。数值结果表明,颗粒扩散受两种模式的影响很大。在相同的Stokes数下,B模式下的颗粒场纵向和横向扩散要高于受A模式影响的颗粒场；而在相同雷诺数下,Stokes数越大,横向扩散越小,纵向扩散越大。     

浓度对水煤浆壁面滑移和流变特性的影响

在中试规模水煤浆输送试验装置上,采用直径25、32、40和50 mm的直管系统地考察了浓度对水煤浆壁面滑移流动特性的影响。联合采用经典Mooney滑移修正方法和Tikhonov 正则化数值计算方法,确定了水煤浆的真实流变特性和壁面滑移特性。结果表明,在低浓度区,滑移速度随浓度增加而增加;在高浓度区,滑移速度随浓度增加而降低。管内流动存在临界剪切应力,只有壁面剪切应力高于临界剪切应力时才产生壁面滑移现象;临界剪切应力和屈服应力随浓度增加有相同的变化趋势,2者相对大小不同,导致滑移贡献率随壁面剪切应力的变化呈现2种相反的趋势。浓度越高,真实剪切粘度越大,非牛顿流体特性越显著。     

横向紊动射流流场结构的数值分析

利用：RNG k-ε模型对横流中单股紊动射流流场的流动特性进行了数值模拟。运用SIMPI,EC算法求解了适体坐标系下的控制方程，采用壁面函数法处理近壁区流动。射流内部有分叉现象，射流喷孔背风侧的流动出现了分离并形成了尾迹区，分析了分叉及尾迹涡的生成机理。文中给出了射流与主气流速度比等于2和4的速度场、涡量场和压力场，计算与实验的结果吻合较好。结果表明：射流与主气流速度比直接影响流场特性，其值越大射流对主气流的影响越大。     

磁流变液壁面滑移现象及机理研究进展

磁流变液的流变性能测试和工程应用中存在的壁面滑移现象近年来引起了国内外学者的热切关注。对磁流变液壁面滑移现象的产生原因及影响进行了探讨,回顾了磁流变液壁面滑移现象及机理的研究现状,并指出仍存在壁面滑移现象发生机理尚不明晰、影响因素及内在规律尚不明确、铁磁颗粒的动力学模拟未考虑与磁场的耦合作用、力学模型未考虑壁面滑移的影响等不足,并针对这些不足提出了进一步研究的展望。     

霍尔推进器等离子体鞘层特性的Particle-in-Cell模拟

霍尔(Hall)等离子体推进器鞘层特性对推进器的性能具有重要影响。针对Hall推进器鞘层区域建立物理模型,采用粒子模拟方法(PIC),通过求解泊松方程得到粒子位置产生的电场,确定边界条件,研究了不同磁感应强度和方向、不同推进工质和粒子权重对推进器鞘层电势及壁面二次电子发射系数的影响规律。结果表明:当磁感应强度为0.04T时,随着磁场方位角的增大,鞘层电势绝对值升高,壁面二次电子发射系数降低,变化量在10-3量级;磁场大小对鞘层电势及壁面二次电子发射系数影响较小;对于氩、氪和氙3种工质,鞘层电势和二次电子发射系数依次降低;而当粒子权重大于106时,等离子体鞘层振荡明显,推进器的稳定性降低。     

圆管湍流脉动流动与换热的数值模拟

利用标准k-e模型结合脉动燃烧器尾管的实验参数进行湍流脉动流动与换热的数值模拟,通过修正模型内的冯?卡门常数建立适用于实验条件下的脉动流动的湍流计算模型,并研究脉动湍流中压力振幅和频率对湍流流动和换热特性的影响。研究发现：符合实验条件下的冯?卡门常数范围为0.48~0.52;脉动瞬时截面上的速度在靠近壁面附近出现峰值且速度变化较大;速度与温度分布呈周期性变化;压力振幅越大,速度和温度波动范围就越大,频率越大,速度和温度的波动范围则越小;壁面摩擦系数随着压力振幅的增加而减小,随着频率的增加而增大;壁面平均对流换热系数随压力振幅的增加而增大,随频率的增加而减小。     

气固两相流横掠圆管传热的研究

本文根据气固两相流横掠圆管的传热机理，建立了能综合考虑颗粒运动轨迹、颗粒与壁面的碰撞频率、碰撞角度、颗粒在壁面停留时间、颗粒与壁面接触面积、固体颗粒浓度、颗粒粒度、圆管位置、烟气流速和温度等因素对气固两相流传热影响的两维数学模型。模型通过对流场和颗粒场的计算可较好地模拟气固两相流传热过程的复杂性和随机性，模型计算结果与实验相吻合。本模型可为工程应用提供较可靠的计算方法。     

y~+值对垂直轴风力机气动特性计算结果的影响

通过改变第一层网格到叶片壁面的距离来获得不同的壁面参数y~+值,结合SST k-ω湍流模型,采用CFD方法计算了垂直轴风力机在多个尖速比下的功率系数,将模拟值与风洞实验值比较并分析模拟误差产生的原因,研究了不同y~+值对数值计算结果的影响。结果表明,不同y~+值的模拟结果之间的差别随尖速比的增加逐渐缩小,y~+值的减小可以显著提高模拟计算精度,但也会使计算耗时增加。综合考虑计算效率和精度,控制y~+在5~10范围内适用于垂直轴风力机气动特性CFD计算。     

多孔横向紊动射流涡量场的数值分析

应用realizable k-ε紊流模型并结合SIMPLEC算法，分别对单圆孔、双圆孔和四个圆孔的涡量场进行了数值模拟，近壁区流动的处理采用两层模型的壁面函数法，计算得出了不同工况下的剪切层涡、马蹄形涡和反向涡旋对(CVP)。结果表明：在多孔射流中，由于前面射流的遮挡作用，使得后面射流剪切层涡发生的位置升高；在多孔射流中，当多股射流合并为一股新的射流之后，才出现马蹄形涡的雏形，并最终发展成为马蹄形涡；剪切层涡的破裂导致CVP的形成，马蹄形涡和尾迹涡都影响CVP的发展。当多股射流合并为一个新的射流之后，CVP的形状才逐渐发生变化并趋于规则。     

水平旋转空腔环流的壁面切应力的变化规律

本文推导了水平旋转内消能泄洪洞空腔环流壁面切应力的理论分析表达式。水平旋转空腔环流的壁面切应力不仅与泄流量、旋流夹角、切向流速的速度矩、空腔环流的内外界面的压强差及空腔半径有关，还与空腔环流的内外界面压强差及空腔半径沿程变化率有关。壁面切应力在水平洞的前半段急剧减小，随后沿程缓慢减小，按指数规律衰减变化；上游水位、下游水位越高，其值越大，沿程的衰减变化率也越大；通气孔的直径对壁面切应力的影响较小。壁面切应力的变化规律表明，能量的耗散和易于空化的部位主要在水平洞的前部。     

基于流固耦合分析的矿用干式变压器温度场仿真

壁面对流换热系数是影响干式变压器换热分析和温度场计算结果准确与否的关键因素,但其值很难精确测量。为了更准确地计算壁面对流换热系数,提出了一种基于FEM的干式变压器流固耦合数学分析模型,同时采用Fluent对干变的3D温度场和流体场进行了仿真计算,分析了干变内部温度场的分布情况,并与解析结果进行了比较。在此基础上,分析了谐波、负载系数对干变谐波损耗及温升的影响,得到谐波损耗及温升与谐波次数、负载系数的关系。结果表明,考虑空气流场的流固耦合模型能准确分析变压器运行中的温升问题,同时指出干变谐波损耗和温升随谐波次数的增加而增大,并逐渐趋于平缓,且随负载系数的增大而急剧增大。这为变压器的定点监测提供了参考依据,有助于减少变压器的损耗,延长使用寿命,保证变压器的安全稳定运行。     

超声速流道内温度特性的数值模拟

基于有限体积法压力速度耦合求解器、SST k-ω双方程湍流模型和平衡化学反应模型,对简化的超燃发动机燃烧室内温度场进行数值模拟。得到3种空气入口条件、3种壁面条件共9种工况下的模拟结果,对比燃烧室内温度场分布情况并分析激波对燃烧和温度场的影响。结果表明,壁面对温度场的影响只存在于近壁面附近,燃烧室内温度随入口马赫数增大而提升,激波对燃烧存在一定的促进作用。     

电厂孔板下游流动加速腐蚀模拟研究

使用计算流体软件对电厂孔板下游流场进行模拟分析,研究不同流速和不同孔径比对孔板下游流场分布、传质系数的影响规律,并基于所建立的流动加速腐蚀(FAC)过程模型,确定孔板下游的腐蚀行为与流速、孔径比之间的相关性。结果表明:孔径比一定时,孔板下游传质系数和流动加速腐蚀速率随着流速增大整体呈现增大趋势,并且腐蚀峰值出现位置向孔板下游偏移;流体流速一定时,孔径比越小,传质系数和流动加速腐蚀速率越大,腐蚀高发区向孔板方向移动。该模拟结果与实验结果较吻合。     

圆管内对流换热的场协同理论分析

以空冷电机转子通道内的流动换热问题为背景,将场协同理论应用于旋转坐标系中。通过理论分析,指出了场协同理论应用于静止坐标与旋转坐标中的差异,说明了在旋转坐标系下对流换热问题的规律。采用数值模拟方法对旋转坐标下的三维轴向直圆管模型内部流动与换热进行了研究,验证了理论分析结果,并进一步对比了不同转速、不同入口条件下换热情况。理论分析与数值计算结果均证明在旋转坐标系下,高转速带预旋入口条件的轴向通道内固体壁面对流体做功量对总换热量的影响不可忽视。     

明槽交汇区污染物浓度场分布规律研究

明槽交汇水流存在于很多水力系统中，交汇区水流结构十分复杂，对干、支流交汇浓度场的研究具有重要意义。本文采用能突破空间单点流速测量局限的PIV技术，观测在不同交汇角及污染物浓度等条件下非对称型交汇明槽的污染物扩散情况，分析污染物浓度场的分布规律。试验结果表明，支槽来水刚汇入主槽水体时，交汇区的表层污染物的扩散较其他水平面更为均匀，但随着两种水体不断混合，其他水平面的污染物比表层污染物混合得更加均匀。交汇角越小，使得支流中污染物进入主流后在交汇口下游支流侧形成较长的污染带；相反交汇角越大，形成的污染带在横向偏移上越突出；污染物浓度越大也会使得污染带变长。污染物浓度的变化对混合层的位置及宽度影响较大。PIV技术能良好地观测交汇区污染物扩散规律，可应用于明槽交汇区的浓度场试验研究。     

高低齿汽封表面换热系数计算方法研究

为探索汽轮机关键部件换热系数的计算方法,以某高压转子轴端高低齿汽封为例,对比分析了表面换热系数的4种常用经验公式,同时采用数值模拟方法研究了不同结构参数汽封的表面换热系数并得到拟合公式。结果表明:美国西屋公司、南京工学院-哈尔滨汽轮机厂和苏联采用的经验公式在结构上具有相似性,均与汽封间隙、汽封室高度、齿数、蒸汽导热系数和雷诺数相关。根据数值模拟结果得到的汽封表面换热系数与近壁面雷诺数和普朗特数正相关;换热系数呈周期性变化,在齿间隙出口处达到极值,且短齿出口处表面换热系数较大;当汽封间隙减小、汽封室高度或齿数增加时,换热系数减小;根据数值模拟结果得到的换热系数拟合公式,具有较好的适应性。拟合公式可用于叶顶汽封、隔板汽封、轴封等高低齿汽封表面换热系数的计算,同时该方法提供了一种计算大容量高参数汽轮机关键部件换热系数的思路,可为其设计和安全性校核提供依据。     

6种低雷诺数k-ε模型在三维附壁剪切流中的数值模拟与对比分析

采用Fluent14.0中的标准k-ε湍流模型及其包含的6种低雷诺数k-ε湍流模型,对三维附壁剪切流进行数值模拟,并依据湍流流动的壁面限定条件及其流动特性,对计算模型及其计算结果进行分析。结果表明,大部分低雷诺数模型相对于标准k-ε模型,其计算准确性都有所改进。但其中LB、LS模型不符合壁面限定条件,而AB与CHC模型的计算结果与湍流壁面的流动特性不符。在对流动速度场的模拟中,LB、YS及AKN模型准确度相对较高。并对采用不同常数的AKN模型进行了数值测试,结果表明采用标准k-ε模型所用常数的AKN模型的计算结果最为准确,且模型相对较为合理。在对三维附壁剪切流的低雷诺数流动的模拟过程中,建议采用AKN模型。     

风速对特高压直流输电线路离子流场分布的影响

特高压直流(UHVDC)输电线路地面离子流场的大小是检验电磁环境是否超标的重要判据,对不同风速条件下的地面离子流场的分布进行了计算研究。针对离子流场的计算,提出一种改进迭代上流有限元方法,建立了考虑风速影响的离子流场模型。研究了不同风速对±800 k V输电线路离子流场分布规律的影响。研究表明,地面最大合成场强和离子流密度随风速的增大而增加明显,且风速会使其发生一定偏移。考虑风速为8 m/s时,地面最大合成场强比无风增加了12.64 k V/m,且地面最大离子流密度是无风时的2.65倍。水平风速越大地面合成场强和离子流密度的分布曲线和峰值往背风向偏移越严重,空间其他较远处的合成场强和电荷密度变化不大,且空间合成场强与电荷密度的最大值主要分布于导线周围空间。     

壁面滑移条件下水煤浆的流动阻力和减阻特性

在中试规模的浆体输送装置上进行水煤浆直管流动阻力试验,在壁面滑移特性和流变特性分析的基础上,将水煤浆管内流动划分为3种形态,并重点研究了浓度、温度、煤粉粒径、管径和流动形态对流动阻力特性和减阻特性的影响。结果表明:当各因素变化时,流动阻力的变化通过改变流变特性和壁面流动条件实现;各因素对摩擦阻力系数和减阻率的影响规律取决于浆体所处的流动形态;在同一流动形态范围内,不同的浓度、温度、煤粉粒径或管径下,滑移减阻率随流速的变化规律具有相似性。     

铝硅合金熔体在多孔石墨中的浸渗动力学

石墨/铝复合材料因其独特的高温稳定性在轨道交通等领域具有重要应用价值。由于石墨、铝熔体的物理属性差异，需要利用压力浸渍法驱动铝熔体进入石墨基体孔隙、以提高复合材料的机械强度与导电性。铝熔体的浸渗动力学过程对复合材料的最终性能具有关键影响作用，其高度依赖于石墨相和铝相之间的界面润湿性。文中基于实验测试和数值模拟，系统研究了硅的体积分数对铝硅熔体在多孔石墨结构中浸渗动力学的影响。结果表明，添加硅元素能有效促进铝熔体的渗透，在较短的填充时间内获得高的填充率。由于局部孔隙残余气体作用，硅元素对合金熔体浸渗的促进作用存在极限。同时，论文对铝硅合金熔体在多孔石墨结构中渗流过程中的压力场、速度场进行了分析，并重点对复合材料的电导率进行了讨论。