基于流场数值模拟的射流清管器喷嘴优化设计

天然气管道中的黑粉严重影响管输效率与安全,现有的带皮碗、磁铁及钢刷的清管器对黑粉的清除效率较低,且易出现卡球现象。射流作用产生的冲击流场对管内积液、杂质的清除效果较好,基于射流原理提出了利用射流清管器清理天然气管道黑粉的方法。为了达到最佳的射流清除效果,需要优化清管器喷射组件中文氏管喷嘴的关键结构参数。文氏管喷嘴结构包括收缩段、水平段及扩散段,其中扩散段的参数对射流效果起关键作用。基于计算流体力学的原理,以Fluent软件为模拟工具,选定实际气体状态模型定义管道内天然气参数,考虑文氏管喷嘴扩散段中扩散长度与扩散角的影响,对清管器的射流过程进行仿真分析。通过比较不同扩散段参数模型在射流流场中流速和湍流动能的云图以及变化曲线,得到具有最佳射流效果的天然气管道射流清管器喷嘴结构。     

基于Fluent辣椒分选机喷嘴结构的数值模拟

为探讨不同喷嘴结构对喷嘴流场分布的影响,从而提高喷嘴速度及速度分布均匀性,基于Fluent软件,采用RNG k-ε模型、SIMPLE算法、壁面函数法对4种喷嘴的内外流场进行数值模拟分析并进行比较。结果表明:当进口压强为0.25 MPa时,120°圆弧过渡型喷嘴出口截面的平均速度最高达617.9 m/s,高于90°喷嘴69.2 m/s;速度不均匀系数最小为2.2%,低于120°喷嘴2.4%。由此可见,120°圆弧过渡型喷嘴为较优喷嘴,研究为辣椒分选机喷嘴结构设计提供了参考依据。     

水流作用下平面金属网衣水阻力特性数值模拟

为研究养殖用金属网衣多孔小直径网状结构的水动力响应特性,采用计算流体动力学原理,基于Navier-Stokes方程及大涡模拟(LES)湍流模型,并运用ABAQUS/CFD模块中的Gauss-Seidel耦合方法进行了水流作用下网衣的流固耦合计算,在试验验证的基础上,得到了不同目脚尺寸和网线直径组合条件下锌铝合金网衣的平面受力计算结果。结果表明:当网衣目脚尺寸由25 mm增加到35、45 mm时,3种网线直径对应的网衣受到的水阻力值平均减小幅度分别为29.15%和43.79%;当网线直径由2.5 mm增加到3.2、4.0 mm时,3种目脚尺寸对应的网衣受到的水阻力值平均增加幅度分别为27.01%和55.84%。本研究结果可为进一步探究金属网箱在波流作用下的整体受力变形提供理论参考。     

水流作用下平面金属网衣水阻力特性数值模拟

为研究养殖用金属网衣多孔小直径网状结构的水动力响应特性,采用计算流体动力学原理,基于Navier-Stokes方程及大涡模拟(LES)湍流模型,并运用ABAQUS/CFD模块中的Gauss-Seidel耦合方法进行了水流作用下网衣的流固耦合计算,在试验验证的基础上,得到了不同目脚尺寸和网线直径组合条件下锌铝合金网衣的平面受力计算结果。结果表明:当网衣目脚尺寸由25 mm增加到35、45 mm时,3种网线直径对应的网衣受到的水阻力值平均减小幅度分别为29.15%和43.79%;当网线直径由2.5 mm增加到3.2、4.0 mm时,3种目脚尺寸对应的网衣受到的水阻力值平均增加幅度分别为27.01%和55.84%。本研究结果可为进一步探究金属网箱在波流作用下的整体受力变形提供理论参考。     

不同喷嘴结构油罐旋转喷射搅拌器数值模拟

原油罐清罐和油品调和时会应用油罐旋转喷射搅拌器,为了研究旋转喷射搅拌器喷嘴结构对搅拌效果的影响,对平喷嘴、拉法尔喷嘴和文丘里喷嘴进行了对比,使用ANSYS15.0实现直径16 m油罐的喷射搅拌全流场数值模拟,并以密度的标准差作为评价搅拌效果好坏的量化参考。在仿真计算的设置中,为了实现对喷嘴旋转的模拟,采用了滑移网格;黏性模型选择湍流的标准k-e模型;多相流模型选择混合模型。数值分析结果表明:出入口流速相等的情况下拉法尔喷嘴和文丘里喷嘴中的流速高于平喷嘴中的流速;在油罐旋转喷射搅伴器的搅拌作用下,密度标准差随时间推移逐渐减小;搅伴器配置拉法尔喷嘴和文丘里喷嘴后相比于平喷嘴搅拌效果更好,尤其是在搅拌20~30 min内,后者与前两者的差距最为明显。据此使用油罐旋转喷射搅拌器时,推荐配置拉法尔喷嘴或文丘里喷嘴。     

幂律流体偏心环状管流的数值模拟

根据流体力学N-S方程对层流的描述,结合力学理论,对幂律流体偏心环状管流的界面提出了严密而科学的界面耦合条件,得到了完整描述幂律流体偏心环状管流的适定的偏微分方程组.通过计算机数值模拟,发现了幂律流体偏心环状管流的流动规律,具有重要的工程应用价值,可为管道设计提供参考.     

渔具的沉降性能及数值模拟研究进展

灯光罩网是近年在南海迅速发展的一种新型渔具,沉降性能及网具作业时所具有的形状是影响灯光罩 网渔获效率的重要因素,总结了下纲载荷网衣材料缩结系数及海流各因素对渔具沉降性能的影响,目脚水动力特 性与水动力系数研究和网渔具运动数学模型的建立方法分析了延绳钓网片及围网近年在数值模拟方面的研究方 法与成果针对灯光罩网特点提出利用弗里德曼CN90 公式和松田皎建立的C0公式,以及田内公式中任意冲角平面网 片阻力系数,借助曲面积分的方法建立灯光罩网阻力计算公式。数值模拟中为了获得更大的求解时间步长建议尝试 网格矩阵及分散算法进行各质量点模型求解。     

豆基蛋白胶气泡雾化机理的数值模拟

根据豆基蛋白胶的流动特性,确定了其本构方程,为数值模拟研究提供了相关的参数;选择设计了一种气泡雾化喷嘴,分别对水和空气以及豆基蛋白胶和空气在喷嘴内部的流动情况进行了数值模拟研究.结果表明:豆基蛋白胶是非牛顿流体中的一种假塑性流体,它在气泡雾化喷嘴中的流动符合幂律模型;这种假塑性流体能和水一样与空气在气泡雾化喷嘴内部进行很好地混合,其压力图、速度矢量图、组分体积分数图符合流体力学的运动规律,这为具有高黏度特性的豆基蛋白胶进行雾化实验提供了理论依据.     

气泡浮力羽流动力特性三维数值模拟研究

【目的】研究曝气池中气泡浮力羽流的动力特性,为提高深层曝气方式的污水处理效率提供依据。【方法】分别采用欧拉双流体模型和混合模型结合标准κ-ε紊流模型,对气泡浮力羽流进行数值模拟,讨论了这2种模型计算流场的精确性和边界条件的适应性,并使用压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with splitting of operators)算法进行了速度与压力耦合求解。【结果】通过模拟得到了气泡羽流的瞬时性及其尾部的摆动规律等流动特性,模拟的速度矢量沿水深方向呈增加趋势,但表现并不稳定,在上部区域气泡羽流出现了摆动,而在下部区域气泡羽流的摆动不明显,但这一部分的速度相对较大。【结论】欧拉双流体模型结合标准κ-ε紊流模型模拟气泡浮力羽流动力特性优于混合模型。     

异型岔管水力特性的数值模拟

【目的】探求异型岔管的水力特性,研究岔管处局部水头损失及流速和压强的分布情况,并检验数值模拟方法的可靠性。【方法】采用物理模型试验和数值模拟相互验证的方法,依据实际情况对积石峡电站灌溉引水系统重力输水管网岔管在6种不同的供水工况(正常水位和死水位1#支管单独供水、2#支管单独供水及1#、2#支管联合供水)下的流速、压强分布及局部水头损失进行了研究。【结果】在6种不同工况下,局部水头损失系数的数值模拟值均小于试验值,相对误差最大为14.452 5%,且各工况下得到的岔管处局部水头损失、局部水头损失系数值并不相同;数值模拟结果直观地反映了岔管处流态分布和压强的变化情况。【结论】岔管处的水力特性复杂、影响因素较多,即使同一工程的同一岔管在不同的运行工况下各参数的选取也具有灵活性,因此对于具体问题要进行具体分析。     

水合物浆液流动特性数值模拟

考虑水合物颗粒体积分数对水合物浆液粘度的影响,应用CFD／FLUENT模拟得到了设计工况下水平管中水合物浆液流型、床层高度,颗粒体积分数分布,管道压降、平均粘度等数据,同时基于DoronP等提出的适用于固液两相流动的双层流动模型,编程求解各工况下的流动参数。通过对比模拟结果、计算结果和实验结果可知,数值模拟方法可以对水合物浆液在水平管中的流动压降进行准确预测,而通过编写UDF,将水合物颗粒流动过程中的粒径分布考虑其中,可以更好地描述水合物浆液的流动状态。因此,数值模拟方法可以作为研究水平管中水合物浆液流动特性、分析流动参数影响因素的有效手段,但尚存不足,有待完善。（图7,表4,参10）     

萝卜精量播种机吸嘴流场数值模拟

设计了一款自走式萝卜精量联合播种机,对吸嘴部分产生的速度流场分布情况进行研究,探讨其对吸种效果的影响。为考察不同真空压力条件下的吸种效果,以CFD软件为计算平台,采用结构化网格,以标准的k-ε湍流模型对吸嘴内部速度流场的分布进行了研究。结果表明,当真空压力分别为60、65、70、80 k Pa时,得到这些真空度所对应的播种器吸嘴附距离分别为3.28、3.33、3.35、3.45 mm;最终确定吸嘴的吸附距离随着真空度的加大而增大。     

双曲线型薄壁堰泄流规律的数值模拟

【目的】推求双曲线型薄壁堰堰流的基本方程式,确定双曲线型薄壁堰的流量系数,为实际工程中流量的控制和测量提供参考。【方法】根据双曲线构建了双曲线型薄壁堰,通过能量方程式推导其流量的计算公式;数值模拟了4种不同堰顶水头的过流能力,根据模拟的流量数据利用最小二乘法拟合流量与堰顶水头的关系式,与理论推求的堰流基本公式相结合确定双曲线型薄壁堰的流量系数,辅以RNGk-ε湍流模型数值求解气液两相流时均方程;使用半隐式SIMPLE(Semi-implicit method for pressure-linked equations)算法求解速度与压力耦合方程组,并用VOF(Volume of fluid)法模拟自由水面。【结果】理论公式计算的流量与数值模拟的流量相差甚微,相对误差在0.3%以内,证明本研究推求公式正确。【结论】双曲线型薄壁堰的流量与堰顶水头成正比关系,该关系为流量的控制和测量提供了便利。     

圆管气-液旋流分离器的数值模拟

建立了圆管气-液旋流分离器结构设计简化模型,通过研究液滴和气泡的轨迹并结合传统分离器的设计经验,完成分离器的结构参数设计和计算。使用Fluent软件对单、双入口分离器内部速度分布和压力分布进行数值模拟研究。轴向速度在分离器中心区域方向向上,在该区域外侧向下,拟合了最大轴向速度与入口混合物速度的经验关联式;切向速度在分离器中心位置为0,在径向先增大后减小,在壁面处为0,漩涡在最大值两侧分为两层,内侧为准强制涡,外侧为准自由涡;径向速度数量级比切向速度和轴向速度均小,并且在轴线的两侧一正一负,在分离器中心位置为0,沿着径向先迅速增大后减小,在壁面处为0。在下部液相空间的截面上,压力在圆管壁面处最大,在中心处最小;在轴向上,随着液位的升高,压力逐渐增大。对比单、双入口分离器的模拟结果,双入口切向速度、径向速度和压力的分布对称性更好,流场更稳定,动能损失更小,由此证实了在单入口情况下,分离器流场的不对称性由入口效应所致。     

集输管道油气水三相流型识别数值模拟

油气水三相介质具有的不同物理化学性质,使得其混合物在时间和空间上存在一个相态与分布均不确定的混合界面。采用多相流VOF模型研究了集输管道内油气水三相混输过程,并对其流型进行识别,通过研究初始含气率对流型的影响,得到工程实际中常见的泡状流和塞状流,进而分析了流速对泡状流中气泡分布的影响。结果表明：对于泡状流,气泡的分布与液体流速直接相关,流速越低,气泡的分布越不均匀;模拟结果与相关理论吻合较好,可为工程实际提供一定的理论指导。     

精量穴播轮膜上成穴性能的虚拟仿真分析

【目的】探讨穴播轮成穴部件的运动轨迹,为穴播轮成穴机理研究及穴播轮成穴性能测试提供参考。【方法】利用虚拟样机技术,在UG软件中建立穴播轮运动分析主模型,通过UG用户界面模块、求解器模块和后处理模块,对穴播轮成穴过程,包括成穴过程中成穴部件的开启及运动轨迹、成穴形状等进行仿真分析,利用仿真试验测试不同前进速度、滑移率、入土深度条件下穴孔的大小及不同条件下的成穴效果,并采用正交试验方法分析各因素对穴孔大小的影响。【结果】前进速度对穴播轮成穴性能的影响与成穴部件出土角和入土角有关,且随滑移率的增加而加大,随入土深度的增大而减小;滑移率对穴播轮成穴性能有显著影响,在入土深度一定的情况下,穴孔的大小随滑移率的增加先逐渐减小后又逐渐增大,且活动鸭嘴对穴孔的影响增大,撕膜、挑膜现象加剧;入土深度对穴播轮成穴性能影响显著,随入土深度的增加穴孔增大,但成穴部件入土和出土作业对穴孔、膜孔的影响降低。【结论】所设计的穴播轮在结构及参数上均能较好地满足设计要求,在规定的作业条件下成穴效果满足技术要求。在作业中应尽量减小穴播轮的滑移率,并同时保证入土深度的一致性。     

植物木质部空穴化过程超声发射的分析与测量

为了探讨植物木质部空穴化过程超声发射的特性和产生机理,基于Rayleigh Plesset方程建立了描述空泡在导管中运动的方程并求解,同时构建超声检测系统并对植物木质部超声发射进行检测与分析。根据方程计算出气泡的平衡半径,当气泡受到扰动,如木质部液压强变化等原因造成半径大于或小于平衡半径时,用四阶龙格 库塔法求解方程,结果显示气泡会以减幅振动的方式回到平衡状态,形成振源发射超声。实测侧柏、元宝枫、刺槐切片在失水过程中的超声发射信号,并对其进行分析。结果表明:实测超声发射信号的频率、振铃数等与植物导管或管胞大小和材质无显著关系,约80%的信号特征与仿真计算结果一致。说明植物导管或管胞中,气泡以减幅振动的形式膨胀和塌缩所产生的超声信号是木质部空穴化过程中产生超声发射信号的原因之一。