基于OBE理念的流体力学课程混合式教学实践

流体力学在航空航天、汽车设计、内燃机零部件结构设计等方面应用广泛,课程教学应以学生为中心,以目标产出为导向,为了使流体力学课程教学更好地服务于毕业要求的达成,基于互联网+和智慧教室对流体力学课程混合式教学模式进行了探索,利用BOPPPS教学设计方法,使课程活动设计和课程考核紧密围绕显著性教学目标,不仅有效发挥了以学生为学习主体的能动作用,提高了师生、生生间的互动性,显著改善了学生的学习自主性和学习效率,使流体力学课程教学能够满足工程教育专业认证要求,同时对推动流体力学课程教学改革也具有一定的参考价值。     

涡流空气分级机熵产与分级性能分析

利用热力学第二定律中的熵产理论对涡流空气分级机各不可逆因素引起的熵产进行分析,通过粉料分级试验对其分级性能进行验证,获得了黏性熵产、湍流熵产和壁面熵产分布特点及操作参数对熵产和分级精度的影响规律。熵产分析结果表明,涡流空气分级机内湍流熵产和壁面熵产占总熵产的比例高达56.41%和43.11%,湍流熵产主要产生于转笼叶片间和转笼内部,进风口和细粉出口壁面剪切引起较大壁面熵产;此外,转笼转速和进口风速变化分别仅对转笼区域和切向进风口区域内气流运动熵产影响较大,进口风速-转笼转速处于8.6m/s、 800r/min和18m/s、1200r/min操作工况附近时,涡流空气分级机内总熵产/总能变化率较小,分级流场稳定性较高,对粗、细颗粒分离有利,该工况下分级机的粉料分级试验效果较好,说明熵产理论可用于涡流分级机内流动分析及其操作参数的优化匹配。     

进料位置与风速对旋风分级器颗粒分级效果的影响

根据旋风分级器内气流速度分布特点进行了进料区域划分,运用非稳态离散相模型和分级实验对比了3个代表性进料位置对颗粒运动轨迹及分级精度的影响,分析了1 μm和10 μm颗粒在不同区域内的受力情况。结果表明,边壁区域进料造成粗组分中细粉夹带现象严重,分级精度差;中部进料区域内流场强度大,粗颗粒受离心力强,细颗粒受轴向气流曳力大,有利于减少颗粒在分级区的停留时间,实现粗、细颗粒的快速分级,对改善分级精度有利;中心位置进料延长了粗颗粒的分级运动路程,增加了粗组分跑损的概率,模拟计算15 μm的粗颗粒进入细组分的质量分数达到11.7%。经实验验证,入口气速在10～22 m·s^-1,中部区域进料时分级后粗、细组分粒度分布曲线重合区面积最小,分级粒径比率值平均提高了25.3%,研究结果为离心气流分级设备的进料位置设计提供了一定的指导。     

流场形态对旋风分级器性能的影响

气流分级器性能的优劣很大程度上取决于流场分布,改变常规旋风分级器的切向进风口位置,在分级空间建立不同类型的离心流场,采用数值模拟和分级试验手段分析了分级流场形态对颗粒运动过程和分级性能的影响。结果表明,传统旋风分级器边壁下行流造成粗粉中细颗粒夹带较多,影响分级精度;新型旋风分级器内形成上下两个旋涡,上旋涡均为上行气流,其流量约占总风量的80%,下旋涡携带细颗粒较少,降低了细颗粒进入粗组分的概率;上旋涡可实现对边壁区的细颗粒的轴向淘洗、再分级,提高了分级精度。试验结果表明,入口气速从10m/s增加至22m/s。相较于传统旋风分级器,新型旋风分级器的分级性能明显改善,分级精度指标平均提高27%,压降损失为传统旋风分级器的53%~62%。     

进气方式和气速对卧轮式分级机性能的影响

传统卧轮式分级机内流场分布比较混乱，分级精度普遍不高。本文基于对分级机内气流运动规律的分析，将传统切向进风方式调整为径向进风，分别设计了百叶窗型和多孔型风筛，试验对比了传统切流风筛和上述两种径向进风方式对分级效果的影响。结果表明，径向进风方式对分级流场形成和细颗粒淘洗更有利，不仅可以提高分级机的粗粉产率，同时还可降低粗组分中的细粉夹带量，提高粗、细颗粒分离的程度，改善颗粒分级效果；百叶窗型风筛分级机的分级效果最优，气流经百叶窗风筛可对粗组分进行多层、充分扬析，减少细颗粒误入粗产品的概率，牛顿分级效率较传统切流风筛分级机平均提高约6%；此外，入口气速也对分级精度有较大的影响，但对分级粒径的影响不明显，存在临界入口气速使得综合分级效果最好。为提升涡轮分级机的颗粒分级性能提供了新思路。     

新型旋风分级器流场特性及颗粒分级性能

针对传统旋风分级器分级效率较低的难题,本文设计了一种中部进风、顶部重力进料式新型旋风分级器,利用数值模拟和试验手段对其流场特征及分级性能进行了研究。模拟结果表明,新型旋风分级器内存在若干旋涡,主气流进入分级器后形成由上、下两个旋涡构成的主分级流场,上部旋涡均为上行气流,下部旋涡为切流返转形式;二次气流形成的细颗粒淘洗旋涡具有近壁面处高转速、中心区快速上升的特点,最大轴向速度达16.5m/s,可强化对边壁处浓集颗粒的剪切分散和淘洗作用,对主分级流场切向速度影响较小,但可使其轴向速度值最大增加100%,这将缩短细颗粒的停留时间;主分级流场与淘洗流场相互作用形成分区流动,具有较明显的动态边界,为粗、细颗粒的定向分离提供了力场基础。试验表明,二次气量占比约20%,主、二次气流气速分别为14m/s和20m/s时,牛顿分级效率可达88%,分级精度指数K值最小为1.84,此时新型旋风分级器具有较高的分级精度。     

卧轮式FCC催化剂分级机的分级性能研究

针对流化催化裂化(FCC)催化剂生产中的细粉分级问题,设计了一种卧轮式气流分级机,系统研究了主、二次风量和分级轮转速等操作参数对其分级性能的影响,并依据流体力学理论计算了各实验条件下的分级粒径。结果表明：该卧轮式分级机能够获得较好的FCC催化剂分级效果,其牛顿分级效率可达到82.4%,分级精度指数可达1.54;理论计算的切割粒径与实验测量值吻合较好,最大相对误差不超过4%。研究结果可为该卧轮式分级机的设计与应用提供基础数据支持。     

激光粉末床熔融成形腔内非稳态流场特性研究

目的 研究激光粉末床熔融(LPBF)中成形腔内保护气的流动规律,获得气流速度脉动和旋涡等流场非稳态特征及其变化规律。方法 利用热线测速计测量腔内的瞬时速度,研究保护气的速度分布及其脉动特性;基于数值模拟方法探究腔内气流形成的旋涡情况,分析涡的分布及其旋转速度;利用烟雾示踪方法对保护气流场进行可视化处理,分析气流的运动过程。结果 腔内气流经历了射流扩散、上下波动、大涡流、汇流等复杂运动过程,气流速度随时间的变化呈明显脉动特征,且气流脉动幅度受位置影响较大,进出风口的平面流速最大可达2.4 m/s,最小为0.25 m/s。同时,气速随平面高度的增大而逐渐减小;腔内存在以纵向大尺度旋涡为主、若干小尺度旋涡共同作用的涡流,由腔内边壁至中心,涡流切向速度呈先上升后下降的趋势,且随入口气速的增大而增大,在切向速度急剧降低的腔体角落、透镜等区域,易形成流动“死区”,导致烟尘颗粒聚集且难以排出,影响构件的高质量成形制造。结论 保护气在LPBF成形腔内形成了复杂的非稳态流动,并以剧烈的速度脉动和多尺度的涡流为典型特征,而针对非恒定的层流、成形腔结构的优化设计仍需进行更深入的研究。