障碍物条件下氢气火焰传播特性的大涡模拟计算

【目的】与常规气体燃料相比,氢气的爆炸危险性更大,障碍物的存在又会极大地激励氢气燃烧,加快火焰传播速度,造成更为严重的事故后果。为减少氢气在障碍物条件下带来的破坏性伤害,揭示不同障碍物条件对氢气火焰传播特性的影响尤为重要。【方法】基于大涡模拟对不同障碍物形状及障碍物阻塞率条件下的氢气/空气燃爆过程进行数值模拟,重点研究了障碍物形状对火焰传播速度影响的差异性、对阻塞率变化的敏感性。【结果】当阻塞率较低时,与单边型障碍物相比,格栅型障碍物对火焰锋面处的规则流场具有更强的破坏作用,随着格栅型障碍物空隙数量的增多,其对流场运动的破坏性进一步提升,使得火焰锋面难以恢复至规则状态;阻塞率提高后,不同形状的障碍物对规则流场的破坏差异性变得不再明显,所有障碍物工况中火焰锋面均发生了持续性畸变;随着阻塞率持续提升,与格栅型障碍物相比,单边型障碍物将带来更高的火焰传播速度峰值;在相同阻塞率条件下,格栅型障碍物可通过调整单个空隙面积转变其对火焰加速的机理,从而增强加速效果。【结论】障碍物的形状、阻塞率是影响障碍物后方火焰锋面状态的关键因素,单边型障碍物对阻塞率的敏感性更强,而格栅型障碍物的加速潜力更高,阻塞...     

耦合化学动力学机理的油气爆炸燃烧特性分析

狭长受限空间中,油气爆炸发展过程与化学动力学息息相关。开展汽油着火特性实验,根据着火延迟时间选取适当的化学动力学机理进行简化,确定对爆炸着火延迟时间影响最大的基元反应,利用平面激光诱导荧光(Planner Laser Induced Fluorescence,PLIF)技术开展狭长受限空间油气爆炸燃烧流场特性实验,分析爆炸传播时火焰内混合气燃烧过程。将简化后化学反应机理与计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)耦合,开展数值模拟,结果表明：爆炸传播过程中,外焰区大碳氢分子受热裂解、脱氢,发生氧化反应,生成的自由基向内焰区扩散,生成碳颗粒和H₂O,碳颗粒在内焰区进一步反应生成最终产物;火焰结构经历多个变化过程,结构紊乱与爆炸超压增大相互促进,加剧火焰传播;未燃气体正向流动且速度逐渐减小,火焰锋面后方逆向流动且速度逐渐增大;火焰锋面贴近壁面未燃气体发生燃烧,产物流向管道中心和已燃区,中间区域混合气受到挤压也向后方已燃区运动。研究成果可为油品生产、储存及运输过程中油气爆炸防控提供理论指导。(图24,参28)     

高分子减阻剂对非牛顿型流体流动特性的影响

以普兰德动量传递理论为基础,按照卡门的三层模型,通过室内模拟环道用0号柴油及加入减阻剂在圆管内的流动参数的测定,计算了非牛顿型流体管内湍流边界层的层流内层、过渡层、湍流中心的涡流粘度,涡流粘度与运动粘度比、总应力随相对位置的变化等定量参数,探讨了高分子减阻剂对非牛顿流体流动特性的影响,对湍流减阻现象的机理与增大减阻率的条件进行了定量分析.     

城市地区近地强风特性实测研究

对北京气象塔47 m高度处超声风速仪测得的强风样本进行了分析.结果表明:近地强风的湍流度和阵风因子较大,顺风向湍流度实测值大都在0.3以上,3个方向的湍流度有随着风速增大而减小的趋势.实测湍流积分尺度之比与Solari和Piccardo总结的经验公式有一定差别,顺风向湍流积分尺度与日本结构工程规范给定的结果相符.实测得到湍流功率谱密度与冯·卡门经验谱基本吻合,说明冯·卡门谱能够较好地描述北京城市地区近地强风的脉动风速谱特性.     

不同湍流模型对库区水温分布模拟的影响

【目的】探讨不同湍流模型对库区水温分布模拟的差异,为大型深水水库水温的准确模拟提供科学依据。【方法】以黄河上游李家峡水库为例,分别选取Smagorinsky、标准k-ε、混合k-ε等3种湍流模型,模拟预测李家峡水库升温期和高温期库区水温的分布,利用实测的水温资料,对比分析3种湍流模型水温模拟的精度,总结3种湍流模型模拟库区水温的分布规律。【结果】Smagorinsky模型、混合k-ε模型模拟的坝前垂向水温与实测水温吻合程度较高,标准k-ε模型的模拟结果与实测水温有一定差异;3种湍流模型模拟的发电引水口水温均高于实测水温,混合k-ε湍流模型模拟的5月水温与实测水温的最大误差为5.2%,Smagorinsky模型、标准k-ε模型模拟该月水温的相应误差为11.1%和8.2%,以混合k-ε湍流模型的误差最小、精度最高;升温期3种模型模拟的纵垂向水温均呈混合状态分布,高温期均呈弱分层状态分布,其中混合k-ε模型模拟水温在水下20m以内出现较为明显的温跃层,与实测水温更为接近。【结论】针对大型深水水库的水温模拟,宜采用混合k-ε湍流模型,其模拟精度高、水温分布更接近实测。     

计算流体力学湍流模型在喷管流场数值模拟中的比较

为了对Laval喷管流场进行模拟时得到准确和高效的结果,文章采用数值模拟的方法,针对可压缩粘性流动的S-A,k-ε,k-ω等湍流模型在收敛速度、质量流量误差、马赫数的误差等多方面进行了比较。最终得出采用k-ω湍流模型对Laval喷管进行数值模拟是有效的结论。     

圆柱型灌水器迷宫式流道内部流体流动的CFD模拟精度研究

针对CFD方法模拟时参数选择对圆柱型灌水器迷宫式流道内部流动的模拟精度有较大影响的问题,采用正交试验的方法,对网格单元尺寸(0.20、0.15、0.10、0.07mm)、湍流模型(Reynolds应力方程模型、标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型)、近壁面处理函数(Standard壁面函数、Non-Equilibrium壁面函数、Enhanced壁面函数、Scalable壁面函数)进行3因素4水平正交试验,对比各试验条件下CFD模拟值与实测值的偏差量,选择精度较高的模拟方法,并在此模拟基础上对迷宫流道进行了优化。结果表明:网格大小为0.07mm,湍流模型为Reynolds应力方程模型,近壁面采用Scalable壁面函数时模拟精度最高。     

建筑数值风洞的基础研究

数值风洞模拟要想获得理想的计算精度,依赖计算人员的理论基础及其在具体操作中对各种重要因素的选择.针对这个问题,本文采用一个CUBE建筑模型的风洞试验的试验结果作为比较标准,比较了各种不同条件下的建筑数值风洞模拟结果和试验结果,着重分析了网格划分、计算区域、湍流模型和对流项的差分格式等因素对建筑数值风洞数值模拟结果的影响.模拟结果表明:在各种影响因素中,计算区域的影响相对较小,而网格划分、湍流模型的影响相对较大.最后给出如何对上述各种因素作出合理选择的建议.     

超燃冲压发动机凹腔内补氧的强化点火试验

在超燃冲压发动机扩张型燃烧室中,对凹腔内局部补氧的点火强化方法进行了试验研究。采用高速摄影手段研究了不同的补氧方式对凹腔内火焰分布特征和燃烧强度的影响,并针对并联双凹腔燃烧室构型,研究了在单侧凹腔补氧条件下向异侧凹腔的火焰传播过程。试验结果表明,采用凹腔内补氧的方式能调节凹腔内的燃料浓度分布、改善凹腔内的燃烧过程,控制燃烧放热强度;稳态燃烧情况下,观察到凹腔驻留火焰的两种存在特征,分别表现为:由回流区热量反馈机制作用下的凹腔局部驻留火焰和燃烧室全局压力反馈影响下的凹腔剪切层火焰。只有在单侧凹腔燃烧建立了全局压力反馈的条件下才能实现凹腔火焰的异侧传播。      

斜板式气液分离器流场的数值模拟

基于计算流体动力学(CFD)方法,应用ANSYS-CFX软件,分别应用标准k-ε模型和RNGk-ε模型,对斜板式气液分离器内部流场进行数值模拟计算,得到了在两种湍流模型下的分离器内部流场速度矢量分布规律、气体体积分数分布规律以及流体轨迹规律。对比两种湍流模型的分析结果表明:在流体流动快速畸变时,RNGk-ε模型的ε方程中增加的附加生成项会迅速增大,由此改善了对旋转流、浮力流等较复杂湍流的预报能力;与标准k-ε模型相对比,RNGk-ε模型更能合理地模拟斜板式气液分离器的内部流场分布。     

用雷诺应力模型计算旋风分离器中气-固两相流动

针对分离器内部的复杂的三维强旋转、气-固两相湍流运动,采用雷诺应力模型(SSG),利用贴体网格技术,模拟计算了分离器内部流动,并将计算结果与实验数据进行分析、比较。分离器内的固体颗粒运动采用涉及湍流扩散影响的随机轨道模型和确定轨道模型,在流场计算的基础上,模拟了不同直径的颗粒在分离器内的运动规律及颗粒分离效率,并同理论和实验得到的数据进行了比较。     

弯曲应力下钢筋混凝土碳化性能数值模拟分析

本试验以弯曲应力下钢筋混凝土构件的快速碳化试验为依据,探讨弯曲应力水平和粉煤灰掺量对构件碳化损伤的影响,建立两者对钢混构件碳化速度的影响公式。以此为基础,引入粉煤灰掺量、弯曲应力水平影响因子,完善弯曲应力下混凝土碳化模型方程,利用ANSYS软件对受弯的钢筋混凝土构件碳化过程进行数值模拟分析。模拟结果与试验中混凝土碳化规律相符,证明该方法的科学性,并寻找出碳化深度和锋面CO_2浓度关系式,为混凝土碳化数值分析提供了合理的依据。     

自然通风单栋温室内流场的CFD模拟

基于CFD模拟技术,采用标准K-ε湍流模型和Do辐射模型对自然通风温室在3种通风型下的室内气流分布进行了2-D求解,并对3种模拟结果进行了比较和分析。结果表明:在温室两侧开有侧窗、顶部开有天窗的通风情况下,温室内部的通风状况最好,而且风速适中,适宜作物生长。     

平面COUETTE流动的湍流斑研究

湍流斑是近壁剪切流动中的重要现象,它们的生成和发展与流动转捩和湍流的形成密切相关.采用Navier-Stokes方程直接数值模拟和壁面脉冲模型研究平面Cou-ette流动中湍流斑的生成和演化.高精度高分辨率的三维耦合紧致差分格式被用于数值计算.探讨了平面Couette流动中湍流斑的重要特征,包括高频脉动的形成、雷诺应力的产生、扰动的急剧增长和湍流斑形状的变化,特别是流向涡的复杂演化过程.结果表明层流流动中的湍流斑具有湍流流动中一些基本特征.     

多孔介质模型在管壳式换热器数值模拟中的应用

本文详细讨论了多孔介质模型在管壳式换热器数值模拟中的应用,开发了一套能自动生成多孔介质特性参数的通用程序。该程序主要基于三维交错网格及SIMPLE算法,然后运用该模型,采用改进的κ-ε模型和壁面函数法,对换热器壳侧的湍流流动进行了数值模拟。计算结果与换热器冷态实验结果符合良好,表明该模型和计算方法是切实可行的。     

基于CFD模拟的输气管道阀门流噪声仿真

将输气管道中的气体流经阀门时的流场在CFD (Computational Fluid Dynamics)软件中进行三维仿真模拟,建立了输气管道阀门流噪声的产生模型.对气体流经阀门的流场进行稳态模拟和瞬态模拟,结果表明:湍流中的流体脉动(如压力、速度脉动)是流体流噪声产生的根本原因.将模拟仿真得到的阀门流场分布通过Lighthill波动方程转换得到偶极子声源,从而对阀门管段进行流体噪声分析,得到阀门流噪声产生、传播、衰减规律.通过试验对仿真模拟得到的阀门声场进行验证,表明了利用Fluent软件对气体流经阀门的流场和声场进行模拟仿真的可行性.研究成果可为输气管道音波法泄漏检测提供技术支持,为输气管道阀门噪声控制方法的制定提供理论依据.     

双层搅拌桨厌氧反应器流场的数值模拟

文章对双层搅拌桨厌氧反应器流场进行了数值模拟,计算采用多重参考系法和标准k-ε湍流方程。模拟结果表明,流体在反应器内形成了循环流动,在整个反应器内的湍流特性比较均匀。     

旋转栅对脱油型旋流器流场影响的数值分析

根据计算流体力学方法,利用雷诺应力湍流模型和多相流模型中的混合物模型,对采用叶片式、螺旋式和通式3种不同旋转栅的脱油型动态旋流器流场分别进行数值模拟,以揭示旋转栅流道结构对动态旋流器流场的影响。结果表明:旋转栅结构形式对动态旋流器内湍流强度和湍流耗散的影响非常大;螺旋式旋转栅可以降低动态旋流器内旋转栅附近的湍流强度,但对旋流器内整个流场湍流的改善并不明显;与叶片式和螺旋式旋转栅相比,通式旋转栅所产生的切向速度和轴向速度较大,具有更强的分离能力和更宽的高效分离域。     

“5.11”桂林暴雨天气过程与雷达回波特征分析

利用常规和非常规气象资料、卫星云图和雷达产品资料等,对2015年5月10~11日桂林市发生的一次暴雨天气过程的成因及雷达回波特征进行了分析。结果表明,这次暴雨过程是高空槽、低层低涡、切变线、低空急流和地面锋面共同影响的结果。过程前期为暖区降水,锋面在影响桂林时,锋面前絮状云系回波容易造成雷雨大风、冰雹等强对流天气;较垂直的锋面过境时,在有利地形的作用下,雷达回波很容易看到飑线形成,强对流天气往往发生在飑线中;山脉阻挡雷达回波时会使回波快速加强,从而使强对流天气明显加剧;强对流天气容易发生在锋面后细长狭窄的强度在60 d Bz以上、高度在13 km以上的回波带状中。当风廓线从高层到低层伸展为深厚的干层区域时,天气趋于稳定,强对流天气结束。     

模型燃烧室中两相化学反应流动的大涡模拟

对带V型火焰稳定器的模型燃烧室中气液两相化学反应流动进行大涡模拟(LES)，研究中采用了欧拉一拉格朗日方法。利用大涡模拟来研究气相流场，k方程亚网格尺度模型来模拟亚网格涡粘性。化学反应速率由亚网格EBU燃烧模型来确定，两步亚网格紊流燃烧模型被用来确定CO浓度，NO亚网格污染物生成模型被用来评估NO生成速率，辐射热量传递采用了热通量辐射模型。并在交错网格体系下气相采用SIMPLE算法和混合差分格式求解，液相在拉格朗日坐标系下采用PSIC算法对其进行求解。通过大涡模拟，能得到气相和液相之间的质量、动量和能量交换。通过计算值和实验值的比较可知，出口温度和污染物成分浓度实验结果与计算结果吻合较好。因此采用大涡模拟方法来模拟两相化学反应流动和污染物生成过程是可行的。