基于CFD的进水管布设位置对沉降式固体颗粒排污影响的数值模拟

为研究不同进水系统结构对单排污通道矩形圆弧角养殖池内沉降式固体颗粒物排出效率的影响规律,优化养殖池进水结构并提高养殖池系统的集排污性能,运用计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)仿真技术构建固-液两相流数值计算模型,研究了弧壁单管和直壁单管养殖池系统内不同密度(1 100、1 200、1 300、1 400、1 500 kg/m³)和粒径(1.0、1.5、 2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 mm)的沉降式固体颗粒物的排出效率。结果表明:固体颗粒物的最终排出率与进水管布设方式及自身属性(密度与粒径)均相关;对于不同密度的颗粒物而言,弧壁单管进水模式下,5种密度的固体颗粒物的最终排出率较直壁单管进水模式平均提高28.60%,且随着密度的增加固体颗粒物的最终排出率呈现先增大后减小的趋势,直壁单管进水模式下,颗粒物的排出率随颗粒物密度的增加而降低;对于不同粒径的颗粒物而言,弧壁单管进水模式下,7种粒径的固体粒子的最终排出率较直壁单管进水模式平均提高38.32%,两种进水模式下,固体颗粒物最终累计排出率均随颗粒物粒径的增大呈现先降低后增加的趋势。研究表明,进水管布设于弧壁位置(进径比C_(arc)/B_(arc)=0.01)能够有效提高沉降式固体颗粒物的排出率,本研究结果可为优化工厂化循环水养殖池系统的集排污性能提供参考。     

单进水管结构对单通道矩形圆弧角养殖池水动力特性的影响研究

为研究进水结构及其设计参数对循环水养殖池水动力特性的影响,采用流体动力学仿真技术,基于有限体积法和有限差分法建立三维数值计算模型,对矩形圆弧角养殖池在单进水管结构水力驱动模式下,不同射流孔数和进水管布设位置对养殖池内(尤其是池底)流场的影响进行三维数值计算,并对排污口附近的复杂流场特征进行了重点分析。结果表明:提高日循环次数(本研究增加射流孔数)有利于增加养殖池内平均流速与速度分布均匀性;进水管布设于圆弧角位置是优选布设,有利于改善养殖池底部水动力特性。研究表明,进水管采用圆弧角位置布设,日循环次数为100～120次/d(本研究对应射流孔数为18～21个)时,养殖池内尤其是底部能达到较优流场状态,该结果可为工厂化循环水矩形圆弧角养殖池进水结构的参数设计和布设位置选择提供参考依据。     

离心泵内固液两相流动的三维数值模拟

采用RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对离心泵全流场的固液两相流速度场和压力场进行三维湍流动力学仿真分析.结果表明:叶轮流道沿程压强逐渐升高,叶轮轴向截面压强分布非对称性较明显;固液两相在同一壁面上的速度分布规律相同,叶片和前后盖板壁面的固液两相平均速度差达10%以上;扬程和效率的数值计算和试验测量值接近.     

基于直管道的湿煤灰两相流数值模拟

基于欧拉模型,利用FLUENT软件对直管湿煤灰固液两相流进行了数值模拟,通过改变水灰体积配比,分析不同体积比的管道流速和压强。研究发现,水灰比体积配对直管流体流动影响较大:煤灰的体积分数从10%增大到40%的过程中,运输的效率越来越高;但体积分数增加到50%及以上时,出现"堵塞"现象,效率下降;煤灰体积分数为40%时管道流体流动效率最佳。     

基于环境流体动力学模型的浅水草藻型湖泊水质数值模拟

针对内蒙古乌梁素海面临的污染现状,基于三维环境流体动力学模型(EFDC)的计算模式,将其与CE-QUAL-ICM模型耦合,模拟了不同情景下的乌梁素海藻类、总氮、总磷、化学需氧量年际和季节变化规律,模型中不仅考虑了风速和蒸发对模型的影响,也加入了挺水植物密度、高度、直径等形态指标,以此反映水生植物存在的区域中植物吸收降解污染物质、风速对底部应力、流场变化等因素对模型模拟结果的影响。研究结果表明:考虑挺水植物分布的耦合模型能够很好的模拟藻类和污染物质在乌梁素海内的年际、季节变化过程,模拟结果更接近于实际,模拟值与实测值间的相对误差基本控制在30%以内,大部分相对误差已控制在20%以内;降低入湖污染物质负荷直接影响着湖区内水质浓度的变化。另外,对于浅水或挺水植物密集而无法进入取得信息的区域,利用所建耦合模型能够为这些区域湖泊规划、管理、修复提供依据。     

基于含煤粉的煤层气管道管流数值模拟与分析

煤层气开发过程中,微细的颗粒随气流进入集输管网。颗粒的存在使管流形成气固两相流动,影响管路特性。采用模拟软件针对直管段及水平弯管进行气固两相流数值模拟,对管道系统的特性、操作条件和物料性质等影响气固两相流压力损失的主要因素进行了探讨,对连续相速度和压力分布特性以及颗粒运动轨迹进行了分析,得到气固两相流动的压力场、速度场分布,颗粒在管内的分布情况和运动轨迹,以及不同工况条件下的系统阻力和颗粒沉积分布规律,并结合煤层气现场含尘情况进行了数值模拟分析,结果表明：煤层气管道管流属于低浓度气固两相流,与纯气相单相流相比,颗粒弓J起的单位管长压降增幅低于2％。（图7,表1,参12）     

柔性管道抗径向挤压能力数值模拟

柔性管道在安装过程中会受到张紧器等安装设备的夹持作用,夹持力过小会引起管道外护套层滑脱,夹持力过大则会导致管道的径向挤压破坏。为预测柔性管道抗径向挤压能力,建立了柔性管道完整截面的三维有限元模型。对管道承受外压的骨架层结构进行径向挤压模拟,发现骨架层结构在加载过程中逐渐演变为含有4个塑性铰的活动机构,且在垂直于挤压方向的结构区域发生屈服时,结构的抗压刚度瞬间下降。对柔性管道不同结构层结构的抗压能力进一步分析,发现骨架层承压占比仅为整个结构的39.01%,安装过程中的抗挤压能力分析若仅考虑骨架层则过于保守。研究成果可为柔性管道抗压能力的预测提供参考。     

古建筑墙体木柱缺陷对其安全性影响数值模拟研究

  目的  墙体木柱作为木结构古建筑最重要的承重构件之一,容易出现裂纹、腐朽等缺陷,而各类缺陷会影响墙体木柱顺纹压应力的分布,导致其承载力降低,进而影响其安全性,直接威胁整个建筑的稳定性。因此,研究不同类型的缺陷对古建筑墙体木柱安全性影响是很有必要的。  方法  首先建立了墙体木柱裂纹缺陷、腐朽缺陷以及复合缺陷几何模型,并定义了墙体木柱的受压安全性系数k_c,然后使用Abaqus有限元软件分别模拟分析了裂纹缺陷模型、单侧腐朽缺陷模型、环形腐朽缺陷模型和复合缺陷模型最大顺纹压应力的大小和位置,探究了不同尺寸的缺陷对墙体木柱安全性的影响,并进行了实例验证。  结果  单侧腐朽缺陷以及复合缺陷会使墙体木柱在径向上出现较大偏移,对木柱的稳定性产生较大影响,而裂纹缺陷和环形腐朽缺陷在径向、顺纹方向和切向上偏移较小;裂纹缺陷、单侧腐朽缺陷、环形腐朽缺陷和复合缺陷都对墙体木柱最大顺纹压应力和安全性有较大影响,最大顺纹压应力总是出现在有效截面面积最小处,且均随各缺陷程度的增大呈指数增加,而安全性系数呈指数下降,同时复合缺陷对墙体木柱安全性的影响要大于单一缺陷对墙体木柱的安全性影响。半露明柱与暗柱在腐朽深度相同时,安全性相差不大,在腐朽面积相同时,半露明柱的安全性要远低于暗柱。  结论  裂纹缺陷和腐朽缺陷会降低墙体木柱的安全性,而有限元数值模拟能够计算出墙体木柱的顺纹压应力最大值,进而量化墙体木柱的安全性,其结果可以为墙体木柱的修缮提供依据。      

基于混合模型的管道输沙特性数值模拟研究

【目的】探索管道水沙两相流的流场结构和输沙特性,为进一步研究管道输沙过程中阻力损失随含沙量、流速等的变化规律奠定基础。【方法】采用多相流混合模型和标准k-ε湍流模型,利用管道清水层流和湍流流场模拟,验证所选模型的可行性,并将模拟得到的管道流场以及阻力情况与实测值和计算值进行对比,确定模型参数,进一步结合小浪底水库现场管道抽沙试验,对管道流量(Q)为620和950m3/h工况下含沙量(Cv)分别为3.74%,10.53%,22.64%,37.74%和45.28%的5种含沙水流进行数值模拟计算,并分析其流场结构和流速、含沙量的垂向分布等水力特性。【结果】根据模拟值与实测值以及计算值的综合对比情况,选定粗糙度0.6mm、粗糙常数0.6、入口湍流强度25%为参数组合来模拟分析管道含沙水流的流动特性,得到了5种含沙量工况下管道输沙过程中的水沙两相流分布和管道横断面的流速分布,以及5种含沙量下横断面流速的垂向分布和含沙量的垂向分布规律,具体表现为:在管道流量Q=620和Q=950m3/h时,管道中心断面水沙呈上小下大的悬移质分布形态,随着水流含沙量的增加,管道底部沙量逐渐增大,当含沙量增加至45.28%时,管道中的水沙几乎为稠密的沙浆,在垂向分布上管道含沙量出现顶部小而底部大的现象。另外,管道的断面流速呈现出顶部流速大而底部流速小的现象,且随着含沙量的增大,高流速区扩大且逐渐向管道顶部上移,与大流量工况相比,小流量时高流速区集中且上移明显。垂向流速分布不再呈对称分布而出现管道顶部大、底部小的分布形态,且随着含沙量增大,不对称性更加明显。【结论】多相流混合模型可用于管道输沙流场的模拟计算,模拟结果表明,挟沙水流极大地改变了管道清水流场时呈轴对称分布的流速形态,表现为管道顶部低含沙区流速大,底部高含沙区流速小,且含沙量越高,不对称性越显著;随着流速增大,水流挟沙能力大大提高,流速分布的不对称性显著降低。     

基于非结构网格的三维水流数值模拟研究

【目的】以黄河沙坡头连续弯道段的水流运动为研究对象,研究非结构网格在天然河道数值模拟中的应用。【方法】建立三维紊流数学模型,采用有限体积法离散模型方程,利用SIMPLEC算法求解离散后的方程组。用非结构网格剖分研究区域,用等距分层法进行垂向分层,研究弯道水流表层、中层及底层平面流场和连续弯道典型断面处的纵向流速及环流分布,并对比分析横断面纵向流速的计算值与实测值。【结果】横断面纵向流速的计算值与实测值吻合较好。弯道水流底层到表层流速逐渐增大,在流速变化较大的地方出现了主流与深泓线分离的现象。弯道横向环流明显,表层流速指向凹岸,底层流速指向凸岸。【结论】非结构网格能较好地模拟天然河道中复杂的水流结构。     

弯道导流墙对氧化沟水力特性影响的数值模拟

【目的】对两沟道氧化沟内水下推动器、曝气转盘同时运行时,增设弯道导流墙后沟内的流场及流速分布进行研究,以期提高沟内水流混合能力并降低能耗。【方法】在试验模型右侧增设弯道导流墙,并采用数值计算的方法求解气-液两相流时均方程,紊流模型采用RNG模型,自由水面捕捉采用VOF(Volume of fluid)法,速度与压力耦合方程组求解时使用SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法,对氧化沟内的流场及流速分布进行模拟研究。【结果】数值模拟表明,在水下推动器、曝气转盘同时运行时增设弯道导流墙后,氧化沟内的流场及流速分布更加均匀,整个氧化沟内流速大于0.3m/s的流体体积百分比由不增设弯道导流墙时的40.8%提高至47.6%,显著提高了氧化沟内的流速。【结论】水下推动器、曝气转盘同时运行时,增设弯道导流墙能够明显改善氧化沟内流场及流速的分布,可以提高沟内整体流速,防止或减少沟内污泥沉积。     

基于DNDC模型的稻田生态系统碳动态模拟研究进展

DNDC （denitrification-decomposition,反硝化-分解）模型是一个含有时间因子的模拟生物地球化学过程较为成熟的动态模拟模型,可用于模拟和评估作物（如水稻）生产、碳氮动态演变以及温室气体排放等。为了能够更充分地认识DNDC模型,使之得到更广泛应用,本文基于DNDC模型的构成与功能、目前6个（DNDC、CENTURY、CASA、EPIC、Biome-BGC、Roth C）世界著名的生物地球化学模型的比较及其DNDC模型在稻田生态系统中的模块优化,从稻田土壤碳动态角度出发,分析和总结了DNDC模型在稻田土壤固碳潜力、温室气体CO₂和CH₄排放模拟、稻田管理模式评估以及模型参数敏感性分析方面的研究进展。本文也指出,受土壤属性空间异质性大、区域田间管理措施差异等因素影响,DNDC模型存在诸如点位尺度验证难以扩展到区位尺度模拟、模型矫正困难等限制模型准确性的问题。为使DNDC模型能够在中国复杂的农耕特征下开展模拟研究,今后的发展应重视DNDC模型模块功能优化、提高输入参数精确度等,进一步提高模型模拟精确度和预测评价系统的可信度,使模型更好地预测土壤碳动态变化,在稻田生态系统固碳减排和管理方案制定等方面发挥作用。     

基于Fluent的射流式增氧装置的数值模拟与试验研究

利用κ-ε双方程湍流模型对自行设计的射流式增氧机内部流场进行了模拟,得到了流场内部各个参数的分布图,揭示了混合管内部的流动状态,为射流式增氧机的参数优化和性能预测提供了可靠的手段。通过对射流器仿真数据的分析,得出混合管与喷嘴截面积比的最佳值为2.33,并通过增氧试验验证,证明仿真结果与试验结果相吻合。