微尺度内流流场数值模拟方法及实验

以Micro-PIV实验测量的微尺度流场为基础,利用Fluent数值计算软件设计最佳微尺度流动数值模拟方案.针对微尺度特性,采用设定壁面粗糙度和多孔介质模拟粗糙元的微尺度效应处理方法,利用Fluent软件提供的realizable k-ε模型和标准k-ω模型,分别在Reynolds数为100和300情况下对边长600μm的矩形断面的微通道内流场水流流动进行数值模拟,通过各种数值模拟方案下计算出的速度场与Micro-PIV实验结果的对比,得出以多孔介质模拟壁面粗糙元、配合realizable k-ε模型进行数值计算的方案是微尺度流场CFD的最佳方案.     

齿形微通道内流流场数值模拟及试验研究

以断面尺寸800μm×800μm的齿型微通道为研究对象,在雷诺数为100和300流动条件下对微通道内流进行试验测量和数值模拟.利用Micro-PIV技术,获取了微通道内流流场速度矢量分布图和流线图,试验结果发现微通道内流在各齿之间流动结构具有重复性,齿内流场包含高速区和低速区,且低速区在转向内侧和左顶角区域存在回流,内附一个完整的涡旋.数值模拟采用多孔介质模拟微通道壁面粗糙元、配合realizable k-ε湍流模型的数值模拟方法,对微通道几何结构单齿建模,利用周期性边界条件模拟计算得到了微通道内流流场分布,模拟流场与试验结果特征相同;在微通道内流特定截面上进行流速定量分析,分析结果为模拟值与试验值吻合程度高,证明该模拟方法在较大雷诺数范围内均适用于复杂结构的微通道内流流动模拟计算.     

模拟翼型热敏介质空化流的湍流模型修正与应用

为了研究湍流模型对热敏介质空化流数值模拟精度的影响,结合滤波器模型(Filter-based model,FBM)和密度修正模型(Density-corrected model,DCM),基于局部网格尺度和气液两相混合密度,修正了3种湍流模型(k-ε、RNG k-ε和SST k-ω)的湍流粘度,并分别采用原始湍流模型和修正湍流模型,以不同温度的水为介质,对NACA0015翼型进行了单相和气液两相数值模拟。通过与实验数据比较,验证了数值模拟结果的准确性。研究结果表明,修正的k-ε模型消除了湍流尺度的影响,通过修正的RNG k-ε模型计算得到的空泡发展规律与实验结果一致。修正后的RNG k-ε模型揭示了空化与温度变化的规律,反映出较好的修正效果,可为低温热敏介质空化流数值模拟提供理论参考。     

齿形微通道内流流场数值模拟及试验研究

以断面尺寸800μm×800μm的齿型微通道为研究对象,在雷诺数为100和300流动条件下对微通道内流进行试验测量和数值模拟.利用Micro-PIV技术,获取了微通道内流流场速度矢量分布图和流线图,试验结果发现微通道内流在各齿之间流动结构具有重复性,齿内流场包含高速区和低速区,且低速区在转向内侧和左顶角区域存在回流,内附一个完整的涡旋.数值模拟采用多孔介质模拟微通道壁面粗糙元、配合realizable k-ε湍流模型的数值模拟方法,对微通道几何结构单齿建模,利用周期性边界条件模拟计算得到了微通道内流流场分布,模拟流场与试验结果特征相同;在微通道内流特定截面上进行流速定量分析,分析结果为模拟值与试验值吻合程度高,证明该模拟方法在较大雷诺数范围内均适用于复杂结构的微通道内流流动模拟计算.     

基于多孔介质模型下微灌网式过滤器CFD湍流模型选择及流场分析

应用Fluent软件可快速准确地进行流场分析,但针对微灌网式过滤器,如何构建流体模型以及如何选择湍流计算方法,值得探讨。基于多孔介质模型,分别采用3种不同湍流模型计算方法对过滤器展开了数值模拟,并以AZUD-M100网式过滤器为样品进行了对比试验。结果表明,不同湍流模型有一定差异,标准k-ε模型、Realizable k-ε模型的模拟值与试验结果偏差在3%以内,具有更高的精度,基于多孔介质模型的标准k-ε模型或Realizable k-ε模型更适合过滤器的数值模拟。研究了微灌网式过滤器内部流动规律,发现压力损失主要发生在滤网2侧;进出水管路与滤筒间的夹角,以及其交界处过流截面的骤变易产生速度、压力、湍动能的变化,造成流动紊乱和能量损失。     

y~+与湍流模型对泵装置外特性计算精度的影响

为了探究叶轮近壁面网格与不同湍流模型对竖井贯流泵装置外特性数值计算结果的精度影响,基于ANSYS CFX平台,构造7个不同第1层网格高度的叶轮网格方案,用基于面积平均的y~+表征叶轮整体第1层网格中心到壁面高度。选用标准k-ε湍流模型和SST k-ω湍流模型匹配不同叶轮网格方案,针对不同流量工况,通过比对分析竖井贯流泵装置能量特性的数模结果与模型试验结果的相对误差。结果表明,所有方案模拟的扬程和效率误差分别在0.11 m和3.72%以下;径向半径越大或流量越大时,壁面上y~+值越大;SST k-ω湍流模型非常依赖壁面网格,但平均y~+20后的模拟结果非常接近试验值,外特性相对误差是标准k-ε湍流模型的一半;对于标准k-ε湍流模型,平均y~+30时的外特性结果比SST k-ω模型要精确且稳定。该研究可为竖井贯流泵装置数值模拟中近壁面网格处理和湍流模型选择提供参考。     

基于灌水器流量的湍流模型适应性研究

采用通用流体模拟软件FLUENT所提供的5种不同的湍流模型:标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Real-izable k-ε模型、标准k-ω模型、SST k-ω模型,对滴灌灌水器微流道内流场水流流动进行了数值模拟.通过对比模拟得出的宏观参量-灌水器的流量与实验室试验的结果,评价了这些不同的湍流模型对不同类型灌水器内流场流量模拟效果的影响,为灌水器内流场的理论分析以及灌水器流道结构的工程设计提供了一定的参考依据.     

不同湍流模型下水轮机蜗壳CFD仿真精度的分析

为分析不同湍流模型下,水轮机蜗壳流场数值仿真精度的高低,对美国Applegate电站的混流式水轮机金属蜗壳展开了研究。在网格划分、壁面函数选择等相同设置条件下,分别选择标准k-ε、RNGk-ε以及Realizable k-ε湍流模型,进行流场分析和试验。对比仿真和试验数据可知,RNGk-ε湍流模型下,蜗壳的水力性能最好、计算精度最高。为水轮机流道CFD数值模拟中,湍流模型的合理确定,提供了参考依据。     

方截面直微通道内低雷诺数流动分析

为了研究植物水分通道导管内流等雷诺数小于1的微通道内流流场特性,采用Micro-PIV试验测量技术和Fluent软件,通过设置合适的多孔介质区域厚度与动量源项,建立多孔介质模型模拟壁面粗糙元影响的数值模拟方法,在雷诺数分别为0.15,0.25和0.35时,对断面尺寸为400μm×400μm的方截面直微通道内流流场进行研究,并将试验与数值模拟结果与直接对控制方程解析求解所得的解析解进行比较.结果表明：微尺度通道往往具有壁面相对粗糙度高的特性,该特性对通道内流场分布造成的影响,在雷诺数很低的情况下,仍然不可忽视.解析解是针对常规尺度通道推出的,未考虑微通道较高的相对粗糙度对流场的影响,虽然其流场速度廓线的变化趋势与试验值相近,但其值在距离流道中心小于0.04 mm的主流区小于试验值,而在距离流道中心大于0.04 mm的近壁区大于试验值.采用多孔介质模拟壁面粗糙元则可以有效地实现对方截面直微通道低雷诺数内流的模拟,试验值所得数据点与模拟值所成曲线重合.     

低比转数冲压多级泵叶轮内三维流动数值模拟

应用标准k-ε湍流模型加壁面函数法对低比转数冲压多级离心泵叶轮内的三维湍流流动进行了时均N-S方程的数值计算。分析了叶轮内部流场的速度分布和压力分布,研究了离心泵叶轮通道内流动的规律。并利用CFD软件CFX的模拟结果得到了设计工况下离心泵叶轮的扬程和效率的预测值,预测结果与相关的试验数据相吻合。     

猕猴桃冷库内流场的CFD模拟

以一间实际装配式猕猴桃冷库为研究对象,建立了该冷库的三维物理模型和标准k-ε湍流数学模型。应用SIMPLE算法求解微分方程,对冷库进行三维数值模拟,获取冷库内部三维温度场、速度和压力场的信息,通过分析特定截面,模拟结果与实测值大致吻合。另外,通过改变冷风机条件和货物堆放方式,模拟其温度场的变化,讨论了这些因素对冷库温度场变化的影响情况。研究表明,CFD数值模拟在猕猴桃冷库内流场设计中的应用是切实可行的。     

壁面粗糙度对轴流泵水力性能影响的研究

采用全三维雷诺时均Navier-Stokes方程和标准κ-ε湍流模型,数值模拟了包括叶轮、导叶、泵壳和轮毂等过流部件壁面粗糙度对轴流泵水力性能的影响。计算结果表明,壁面粗糙度对轴流泵的水力特性影响显著。通过机械抛光或表面处理等方法,降低过流表面的粗糙度,可有效地提高轴流泵的扬程和效率。水泵的效率对叶片表面的粗糙度更加敏感,应给予更多的关注。研究还发现,水泵出口断面轴向流速分布均匀度和速度加权平均偏流角也随壁面粗糙度改变而改变。     

叶轮进口边位置对深井离心泵水力性能的影响

针对一典型的150QJ20型深井离心泵,设计了3种进口边位置的叶轮,基于Fluent软件,采用标准k-ε模型、SIMPLEC算法对其进行了全流场数值计算,对不同进口边位置的叶轮出口断面的压力场、湍流场和速度场进行了比较,并结合试验分析了进口边位置对深井离心泵水力性能的影响。结果表明,适当延伸叶轮进口边,增加后流线的长度,可以减小叶轮出口的湍流强度,改善流场分布;可以相对减小叶轮进口直径和叶轮进口的冲击损失,提高深井离心泵的水力性能。     

基于Particle模型固液两相流离心泵流场数值模拟

基于Particle模型和非均相模型,运用流场分析软件ANSYS-CFX对固液两相流离心泵的内部流场进行数值模拟.液相采用标准k-ε湍流模型,壁面设置为无滑移壁面条件;固体颗粒相采用离散相零方程模型,壁面设置为自由滑移壁面条件.重点分析了过流部件壁面处固体颗粒的滑移速度、颗粒体积分数分布、滑移速度及体积分数分布与过流部件磨损的关系,将数值模拟结果与相关文献中的试验结果进行对比.结果表明:在蜗壳大包角壁面处,固体颗粒相的体积分数较大;在叶片头部靠近前盖板处、叶片压力面和吸力面的尾部处、蜗壳起始段靠近隔舌处和靠近叶片压力面尾部的前后盖板处等壁面,固体颗粒相的滑移速度较大,磨损较为严重.采用Particle模型和非均相模型能准确地模拟固液两相流泵内的流动规律.     

基于动网格的活动导叶流道内湍流场数值模拟

基于任意拉格朗日欧拉框架下的二维时均N-S方程,应用非结构动网格技术,对某型号混流式水轮机活动导叶单流道内的导水机构关闭过程,进行了动态湍流数值模拟.利用CFD软件Fluent 6.3,采用非结构化三角形网格,标准k-ε湍流模型和压力速度耦合的PISO算法,真实地模拟了导水机构关闭的动态过程中,活动导叶流道内的压力场和速度场的瞬态变化过程.数值计算结果表明,导水机构两段折线关闭过程中,随着活动导叶开度的减小,流场发展呈现明显的非定常特性,水流绕过活动导叶后出现强的旋涡,对过渡过程的动态特性产生了影响.该方法能有效地模拟由于活动导叶动作诱发的流场脉动.     

旋流泵的流动规律

对80X-13.5型旋流泵进行了数值模拟计算,泵内部流动区域选用Pro/E造型,用Gambit软件采用分块非结构六面体网格划分方法对模型进行网格划分及部分边界条件的设定,运用雷诺平均N-S方程和标准k-ε双方程湍流模型结合SIMPLEC算法,来数值模拟旋流泵内部三维不可压湍流场.数值模拟计算选取工作介质为清水,并认为是牛顿流体且局部各向同性;认为旋流泵的内部流场是以定常角速度绕固定轴的旋转流场,属于复杂的三维不可压湍流流动.数值模拟得出了旋流泵内的速度和全压分布图,并试分析出了旋流泵的内部流动区域分布.分析认为,周向流动是旋流泵内部的主体流动趋势,旋流泵内部流动状态可归结为贯通流和循环流.数值模拟的结果验证了已有流动模型的正确性,并且在数值模拟基础上重新划分的流动区域可以反映清水条件下80X-13.5型旋流泵的内部流动情况,可为此种泵型旋流泵的设计提供参考.