多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟

利用多孔介质模拟微通道壁面粗糙元,建立了一种新的微尺度化流场的数值模拟方法.多孔介质模型厚度由微通道壁面相对粗糙度折算,多孔介质的阻力系数由该区域内的流态及阻力计算;配合采用k-ε和k-ω多种形式的湍流模型,对边长为600μm的方形断面微通道流场在雷诺数分别为100和300的情况下进行了数值模拟计算.通过模拟结果与Micro-PIV测量数据的对比分析发现,采用realizablek-ε湍流模型,搭配多孔介质微尺度化模型进行数值计算,能够有效地模拟微尺度流场的流动状况,而标准k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型的微尺度模拟计算结果虽接近试验测量值,但仍有偏差;标准k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型的微尺度模拟效果较差.     

海水淡化泵水润滑轴承间隙的优化设计

针对海水淡化高压泵水润滑轴承存在的润滑问题,设计了6种不同轴承半径间隙的水润滑轴承;用三维造型软件Pro/E建立了滑动轴承内部三维流动水膜数学模型;利用Fluent 6.2进行非结构化六面体/楔形网格划分,采用RNGk-ε湍流模型和SIMPLE算法,对不同轴承半径间隙内水膜的三维流场和同一轴承半径间隙不同偏心距下的水润滑轴承的动特性进行了模拟,得到了轴承内部动压力分布以及流量、承载力、刚度与轴承半径间隙之间的关系.结果表明,所研究的水润滑轴承在半径间隙为0.2 mm时性能最佳.模拟结果可以对水润滑轴承的润滑特性进行预测,可为高压泵水润滑轴承的优化设计和安全运行提供参考.     

新型加压生物反应器内部流场研究

在不干扰流场的情况下,利用PIV流场测试系统对改造的微孔曝气生物反应器内部流场进行高精度可视化测量.在较宽的操作条件下,通过对不同曝气通量工况的流场测试和数值模拟,得到了不同表现气速下液相的速度矢量场;分析了液相循环速度大小对反应器流动特征的影响及其对气液的混合和传质以及含氧率的影响,为曝气生物反应器的设计与放大提供了依据.     

低比转速离心泵内部流场分析及试验

为了研究低比转速离心泵内部流动特性,对10种不同设计方案的低比转速离心泵进行了数值模拟和性能预测,讨论了叶轮和蜗壳的关键几何参数对内部流场和外特性的影响,分析了不同设计方案下泵内的静压、流线、速度和湍动能等分布,并针对复合式叶轮短叶片的分布位置和蜗壳喉部面积进行了对比试验。试验结果表明,该文优选的方案D,通过增加偏置短叶片后,扬程提高了5.5 m,效率提高了3.23%;增大蜗壳内部和喉部面积后,5种设计方案的额定点扬程均提高了约10 m,效率提高了约5%,且扩大了高效区范围。该研究将为低比转速离心泵的性能     

复合叶轮离心泵数值模拟正交试验设计方法

按无过载离心泵设计要求,选择对复合叶轮离心泵性能影响比较关键的叶片出口安放角β2、叶片出口宽度b2、喉部面积Ft和短叶片进口直径Di的4个参数为变化因素按正交方案设计了9台复合叶轮离心泵模型。采用Fluent全流场数值模拟方法对设计的9台模型泵进行正交试验,得到了各几何参数对复合叶轮离心泵各性能指标影响的主次顺序, 并得出模型泵的最优设计方案。对最优设计方案的样机试验表明,全流场数值模拟方法的选 优结果在实现无过载的同时,保持了较高效率,达到了试验目的。研究结果验证了全流场数 值模拟正交试验选优的可行性。     

立式双曲面网板水动力性能及流场可视化研究

网板是拖网作业系统中重要的属具之一,其水动力性能的优劣直接关系到拖网网口的扩张,并影响其生产效果和经济效益。采用单因素试验法,利用水槽模型试验和数值模拟(computational fluid dynamics, CFD)研究立式双曲面模型网板在不同展弦比λ(2.5、3.0、3.5、4.0)、弯曲度f/C(10%、15%、20%)、后退角Λ(0°、10°、15°)下的水动力性能,分析不同结构参数的网板水动力性能,对比两种方法的结果,并实现网板周围流场可视化。结果显示:①2号网板(λ=3.0、f/C=15%、Λ=10°)升力系数最大,冲角25°时,模型试验值为1.70,数值模拟值为1.88,阻力系数随冲角增大一直增大,且后部流速的模拟值和测定值平均偏差为4.40%,两种方法获得的结果吻合度高。②2号网板在流场分布中边界层分离点随冲角增大逐渐向翼端前沿移动,中心面后部涡旋随冲角增大一直增大,左翼板侧低压区随冲角增大呈先增大后减小趋势,网板尾部随冲角增大形成明显的翼端涡,产生涡升力对网板提供附加升力,使得立式双曲面网板比其他类型网板有较高升力。     

圆柱干扰对杂交鲟幼鱼游泳能力及代谢行为影响研究

为了研究流场扰动对鱼类游泳行为和代谢的影响,本研究测定了单、双圆柱(平行)扰动条件下杂交鲟(Acipenser schrenckii♀×A.baeri♂)幼鱼的临界游泳速度和耗氧率。结果显示:与对照组比较,单、双圆柱扰动条件下,杂交鲟幼鱼U_crit比对照组分别增加了1.71%和40.41%。游泳过程中,耗氧率和速度呈线性关系,单、双圆柱扰动条件下,速度系数b值显著小于对照组,上溯运动中能量利用效率较高。圆柱设置形成的流场环境有利于提高杂交鲟幼鱼游泳能力和游泳效率。湍动能为1.960×10^-4～46.92×10^-4 m^2/s^2时,杂交鲟幼鱼游泳效率较高,上溯所需的能耗减少。     

塔型桁架人工鱼礁流场效应及稳定性

本研究利用物理模型试验和粒子图像测速技术,对塔型桁架人工鱼礁模型在6种换算流速0.031 m/s、0.063 m/s、0.095 m/s、0.126 m/s、0.158 m/s和0.190 m/s (实际流速0.2 m/s, 0.4 m/s, 0.6 m/s, 0.8 m/s, 1.0 m/s和1.2 m/s)下产生的流场效应与物理稳定性进行研究。结果表明,流速达到1.2m/s时,礁体不会发生漂移和倾覆,说明该礁型具有良好的稳定性。单体礁在45°和90°迎流方式下,最大上升流流速和上升流平均流速随来流速度增加而递增,90°摆放单体礁最大上升流流速为来流速度的15.6%～21.0%, 45°摆放单体礁最大上升流流速为来流速度的16.3%～23.5%;上升流面积和高度随来流速度的增大先增加后减小,均在来流速度为0.095 m/s时出现最大值;缓流区面积均随来流速度的增加而减小;在相同来流速度下, 45°迎流时礁体缓流区面积大于90°迎流;在45°和90°摆放方式下,缓流区长度与礁高比值均随来流速度的增加呈下降趋势,且下降趋势逐渐平缓;45°迎流时缓流区长度为礁体高度的13～24倍, 90°迎流时缓流区长度为礁体高度的11～22倍。塔型桁架人工鱼礁礁体前后没有涡流形成,但具有较好的缓流作用,在礁体后方形成了较大规模的缓流区。     

油菜正负气压组合式穴播器设计与试验

针对实际生产中油菜机械铺膜穴播缺乏穴粒数精确可控排种器的问题,设计了一种采用负压吸种、正压卸种、鸭嘴成穴、二次投种的油菜正负气压组合式穴播器,实现油菜机械铺膜穴播1～3粒的作业要求。建立吸种、携种和卸种过程种子的力学模型并结合FLUENT仿真分析,分析确定了油菜正负气压组合式穴播器结构及其参数;选取影响穴播器排种性能的负压、种层高度、排种轮主轴转速和正压开展了以穴粒数合格率、空穴率为试验指标的穴播器排种性能单因素试验,并按照响应曲面法的二次正交旋转中心组合试验开展了工作参数的优化和验证。试验结果表明:影响穴播器穴粒数合格率的因素主次顺序为负压、排种轮主轴转速、正压,穴播器最佳排种性能工作参数组合为排种轮主轴转速7.5 r/min、负压-2 000 Pa、正压850 Pa。台架验证试验结果表明,穴播器的穴粒数合格率(1～3粒)为88.15%,空穴率为4.43%,满足油菜机械铺膜穴播的要求。     

进水流速对圆形循环水养殖池流场特性影响的数值模拟

通过对工厂化循环水养殖进水流速的智能调控,可降低饵料残留,避免水质恶化。为此,本研究采用数值模拟方法探究了进水流速对工厂化循环水养殖池流场特性的影响,并基于该研究设计出一套确定进水流速调控的实验方法。首先,通过对比Standard k-ε、RNG k-ε和Realizable k-ε 3种湍流模型及多种壁面函数的仿真效果,确定RNG k-ε模型和标准壁面函数作为仿真配置。同时,针对多相流模型,对欧拉多相流模型和DPM离散相模型进行对比,为提高计算准确性选用DPM离散相模型,并基于上述模型进行网格无关性验证、制定网格划分方案。其次,以大菱鲆(Scophthalmus maximus)养殖为例,模拟不同进水流速下养殖池流场、排污和水温调节的效果。最后,针对仿真结果提出进水流速调控方案。结果显示,日常采用1.0 m/s的进水流速,可有效提高适宜流速区面积并控制水处理成本;投饵前,采用0.2 m/s的进水流速可以解决循环水养殖中存在的饵料浪费问题;进食结束后,采用1.2 m/s的进水流速可快速排出残饵避免水质恶化;水温异常时,采用15 ℃的水、以1.2 m/s的进水流速注水230 s,可使20 ℃的水下降到正常水平,精准化控制水温。采用本研究提出的方法,可针对不同养殖生物和养殖环境设计进水流速智能调控策略,可用于解决循环水养殖过程中饵料浪费、水质变差和水温异常等问题。