基于流-热-固耦合分析的数值模拟及结构优化

为解决等径T型管路应力过大问题,提出一种基于流-热-固耦合分析方法的优化方法对等径T型管结构进行优化。首先,基于流、固力学理论建立T型管多场耦合的数学模型和物理模型,对T型管内流体的速度温度变化情况和管路的等效应力的分布情况进行仿真模拟,在仿真结果的基础上对管路进行结构优化。仿真结果表明:冷热流体的压力差会导致流体产生逆流现象,从而导致管路的上游区等效应力值增大。等径T型管的最大等效应力值出现在主支管交汇的下游内壁面处。优化后管路内壁面最大等效应力值下降约14%,可以有效地延长管路的使用寿命。该方法对提高气体管路设计的可靠性具有一定的实践意义。

离心式压气机流-热-固耦合分析

利用松散耦合方法建立离心式压气机稳态流-热-固耦合模型,将离心式压气机解耦成气动、传热和结构三个子系统,子系统间存在热、力和变形的传递。由于不匹配的网格划分,利用反距离平均方法构造插值函数实现热与力向结构的传递,采用统一有限元模型实现热-固顺序耦合分析,利用网格重生成技术实现结构变形到气动分析模型的传递。经过3次迭代离心式压气机耦合系统达到收敛。结果表明,分析的离心式压气机内部流-热-固耦合强烈,耦合解法与非耦合解法得到压气机响应存在较大差异,对于多学科耦合强烈的构件,需要考虑学科间的耦合效应反应真实的工作状况。

高孔隙率多孔氮化硅构件较高马赫数下流-热-固耦合力学特性分析

以凝胶注模技术制备的固相含量为40%、45%、50%(质量分数,下同),孔隙率高达65.24%、63.26%、61.19%的多孔氮化硅天线罩材料作为研究对象。将测得的材料性能参数作为有限元分析模拟的数据支撑,构件模型载体选择正切尖拱形,使用FLUENT模拟流场,结构场采用ANSYS软件,热力耦合得到不同固相含量的材料在不同马赫数下流-热-固耦合后的热应力强度,对其力学特性进行分析。结果表明,较高马赫数下的飞行构件的尾部连接端是受热应力最大的部位,也是失稳较为严重的部位。飞行构件的结构稳定性需通过加固尾部连接端来提高;气动热是引起天线罩构件失稳的首要问题,解决结构失稳的关键在于解决气动热,可通过在天线罩构件外增加耐热隔层,使其免受气动热;多孔氮化硅材料的孔隙率与失稳时对应的马赫数成正比,热导率是影响多孔氮化硅天线罩构件在较高马赫数下受到热应力大小的关键因素。

高超声速飞行器流-热-固耦合数值模拟

选用HiFire-1锥体部分作为研究对象,采用顺序耦合方法,对飞行器锥体的流-热-固耦合场进行了研究分析。在外流场的数值模拟中采用Transitionk-kl-ω湍流模型准确计算出了转捩位置和热流数值,在温度场和应力场的数值模拟中计算了气动加热1s时温度场和应力场的分布,温度最高点和变形最大处均出现在头锥顶端,温度在轴线方向上呈现环状的分布,沿轴线逐渐降低,整体结构的弹性变形和温度正相关,且主要变形区域集中在前端高温区。

燃气轮机透平叶片流-热-固耦合分析及蠕变寿命预测

本文采用流-热-固耦合方法,对某燃气轮机透平动叶的流场、温度场以及应力分布进行了计算分析,并据此对叶片的蠕变寿命进行了计算,得到了蠕变寿命云图,发现该叶片的寿命最短点与温度最高点、应力最大点不在同一位置。相较于传统的选取温度最高和应力最大的节点作为危险点进行寿命分析的方法,对叶片所有节点进行寿命计算,形成寿命云图的方法,能更加直观准确地找到寿命最短的位置,从而更好地评估设计方案。

热-流耦合与热-流-固耦合作用下的水气交替及间歇注入对咸水层CO_(2)溶解封存的影响

基于TOUGH+软件架构,结合更为准确的物理性质计算模型,建立了适用于咸水层CO_(2)封存的热-流耦合模拟方法,并使用固定应力分割迭代耦合模型将其与RGMS软件耦合,改进了热-流-固双向耦合模拟方法,建立了准确性更高的热-流-固迭代耦合模拟方法。基于鄂尔多斯盆地地质特征构建的地质模型,使用热-流与热-流-固迭代耦合方法模拟咸水层CO_(2)溶解封存过程,研究了水气交替及间歇注入方案对CO_(2)溶解量、孔隙压力和地层形变的影响。结果表明:热-流-固迭代耦合模拟能帮助设计更加合理的注入方案;仅用水气交替注入方式可提高CO_(2)溶解量;间歇注入有助于孔隙压力与地层形变恢复。研究结果可为咸水层CO_(2)溶解封存提供理论指导。

高超声速飞行器流-热-固耦合研究现状与软件开发

新一代高超声速飞行器流-热-固耦合问题研究对准确评估与设计飞行器热防护系统结构尤为重要。回顾了高超声速飞行器流-热-固耦合问题的发展历程与现状。从物理含义出发,对高超声速流-热-固耦合问题各学科间的耦合关系以及各自的建模方法进行了归纳。对高超声速飞行器流-热-固耦合问题的研究进展,特别是流-热-固多场耦合分析策略/方法进行了总结。从平台框架、功能模块、耦合方法和技术特点等方面,对中国空气动力研究与发展中心自主研发的热环境/热响应耦合计算分析平台(FL-CAPTER)进行了阐述。最后,对高超声速飞行器流-热-固耦合发展所面临的问题和发展趋势进行了讨论。

基于孔-裂隙的煤层瓦斯抽采热-流-固耦合模型研究

为研究温度因素对负压钻孔抽采瓦斯的影响,建立了基于孔-裂隙双重多孔介质的热-流-固耦合模型,运用数值模拟手段,对比了不考虑温度因素下基于气-固耦合模型的瓦斯抽采特点和抽采效果。模拟结果表明:考虑温度因素影响所得渗透率结果更小,抽采卸压效果相对较弱;初始煤层瓦斯压力越高,煤层温度降低越明显;考虑温度变化影响,针对不同有效抽采半径R,进行了孔间距为2√3 R/3、2R、4R、6R的多钻孔布孔研究,得出有效抽采区域随抽采时间增加呈现由多个小圆柱状发展为一个大圆角三棱柱,最后趋向于一个规则的大圆柱状的变化规律。研究成果可为预抽煤层瓦斯前布孔设计工作及实际瓦斯灾害防控提供一定的参考。

深部煤层注气强化开采的流-固-热耦合数值模拟研究

为研究温度效应对深部煤层注CO_(2)增抽瓦斯的影响规律,根据煤体变形特征和瓦斯渗流特性基本理论,建立了同时考虑非等温吸附、二元气体竞争吸附、气体渗流和扩散、热传递和热对流的注CO_(2)强化煤层抽采的流-固-热耦合模型,探究了温度效应对煤储层参数和产气演化规律的影响。结果表明:煤层温度降低引起的煤基质收缩促进了CH_(4)解吸,忽略温度效应的流-固耦合模型会低估瓦斯产气量;在初始渗透率为3.95×10^(-17) m^(2),CO_(2)注气压力为8 MPa时,对于韩城矿区3#煤层埋深1400 m的深部煤体而言,考虑温度效应(319.5 K)的流-固-热耦合模型相比流-固耦合模型,瓦斯抽采3650 d,煤层平均瓦斯压力下降0.69%,A点渗透率增幅11.02%,产气速率增幅13.51%,累计产气量增幅13.76%。

“Ⅳ型”激波干扰中流-热-固耦合问题一体化计算分析

针对高超声速进气道前缘"Ⅳ型"激波干扰产生的气动加热与结构传热多物理场耦合计算问题,发展了一种基于有限体积法的流-热-固一体化计算方法。该方法采用一体化控制方程组统一离散求解外部高速流场与内部结构温度场,规避了传统分区耦合算法在时间域内交替迭代的繁琐数据交换策略。另外,提出一种新的双温阻模型计算流-固交界面的物性参数以保证计算准确性,采用LU-SGS隐式时间迭代和自适应时间步长以提高计算效率。采用经典高超声速二维圆管流-热-固耦合算例对该一体化方法进行验证,计算结果与试验值和参考文献数据吻合较好,证明了该方法的可靠性和正确性。利用一体化方法对高超声速前缘"Ⅳ型"激波干扰流-热-固耦合问题进行定常/非定常计算与分析,给出了温度与热流的时变特性,计算结果表明,激波干扰作用产生的超声速"喷流"不断冲击壁面,使得壁面最大压力系数增大约9倍,壁面最大热流增大约4.7倍,给高速飞行器的热防护设计与选材带来严峻挑战。同时,也表明了一体化计算方法可以较好地用于长航时飞行条件下与复杂飞行环境下的高超声速热防护系统的热环境特性分析与综合性能评估。

热-流-固耦合渗流的数学模型研究

本文阐述热-流-固耦合渗流的数学模型。基于线性热弹性理论,介绍了饱和多孔材料多场耦合的完整方程组,包括渗流方程、本构方程和能量方程。并讨论了对它的求解内容及其在相关工程技术领域的应用。

低渗透煤层气注热开采热-流-固耦合数学模型及数值模拟

为得到低渗透煤层气藏注热开采过程中煤层气渗流运移规律,探索原地煤层在注入蒸汽加热后对煤层气产量的影响,基于煤体渗透率、孔隙度随温度、应力,气体导热系数、杨氏模量、泊松比随温度变化的关系,综合运用渗流力学、岩石力学、传热学等相关理论,建立了低渗透煤层气注热开采过程煤层气渗流热-流-固多物理场耦合数学模型,采用多井开采方式进行了注热开采过程煤层气渗流规律的数值模拟。数值模拟结果表明:煤层注热10 d抽采100 d后,由于煤层的导热并伴有煤层气的对流传热,煤层平均传热速度为66.25 mm/h,注热开采造成储层压力降是无注热抽采压力降的2.45倍,在温度应力耦合作用下,煤层气注热抽采量是未注热抽采量的2.2倍,注热开采是低渗透煤层气增产的有效途径。

基于流-固-热耦合的深部煤层气抽采数值模拟

为了提高深部煤储层产气规律预测准确性、减小气井设计误差,分析了深部煤储层特征参数随埋深的变化规律,针对目前煤层气研究忽略了温度、地下水等因素问题,基于已建立的深部煤层气抽采流-固-热耦合模型,进行深部煤层气抽采数值模拟,分析不同地应力、初始渗透率、储层压力和温度等深部特征参数以及不同埋深条件下煤层气抽采的储层参数和产气演化规律。结果表明:渗透率变化为地应力增加、温度降低和煤层气解吸引起的煤基质收缩效应与储层压力降低引起的煤基质膨胀效应的综合竞争结果;随着煤层气和水被采出,储层温度降低和煤层气解吸占主导,储层渗透率升高;地应力对深部储层渗透率比例的变化起着主要作用,初始渗透率对产气速率起着控制作用;当煤层埋深小于临界埋深时,产气量随埋深逐渐增加,达到临界埋深后,产气量随埋深逐渐降低;低渗透率是制约埋深超千米的气井高产的关键。

液压滑阀阀芯温度场的流-固-热耦合研究

针对液压滑阀在中高压系统的使用过程中,黏性热效应使得油流温升显著,阀芯受热膨胀而出现磨损甚至卡紧,导致液压滑阀失效的现象,建立了液压滑阀的计算流体力学三维模型,从不同开口度、不同槽口深度和宽度三方面进行流场和温度场的耦合分析,得到液压滑阀的最高流速和最高温度大小和区域的分布情况,以及阀芯和阀套的径向变形量,为液压滑阀卡紧机理分析提供了强有力的支撑和参考。

基于热-流-固耦合方法火焰筒壁温三维数值模拟

准确地确定火焰筒壁温分布是对其进行热结构分析的前提和基础.基于ANSYS/CFX程序平台,采用基于燃烧模型的热-流-固耦合有限元方法,对某环形回流燃烧室的整个流场、温度场进行数值模拟,得出火焰筒壁温三维温度场分布.计算中考虑了燃烧热源和热辐射,燃烧和流场变化对换热的影响,以及燃气、煤油和固体物性参数随温度的变化.数值模拟结果表明,将流场和固壁进行耦合求解,能更精确反映流场和温度场的整个形态,可以模拟出较为合理的流场和温度场分布以及相应的流动换热特性.所做工作对火焰筒结构设计具有重要的工程应用价值.

基于两能态吸附热理论的煤层瓦斯流动热-流-固多场耦合模型

为了研究煤层瓦斯流动过程中温度与渗流场和应力场的耦合作用变化规律,引入煤层瓦斯两能态吸附热理论,重新构建煤层温度场控制方程,推导了温度场控制方程中解吸微分热能项的理论求解方法,改进了煤层瓦斯流动的热-流-固多场耦合数学模型;从理论上阐述了煤层瓦斯流动过程中吸附解吸、应力场、温度场、渗流场相互影响的作用机制;利用该模型研究了煤层瓦斯抽采过程中煤层瓦斯流动时的煤层温度、瓦斯压力、煤层渗透率的变化规律;结合已有试验研究结果,对比验证了模型的精确性和合理性;研究结果表明,在煤层瓦斯抽采过程中,煤层温度下降的快、慢受煤层原始瓦斯含量和压力及煤层渗透率的共同影响,煤层渗透率越大,温度下降越快,煤层瓦斯压力和含量越大,温度下降越快;同时,煤层渗透率随抽采时间的增长而增加,越靠近钻孔壁面煤层渗透率增加幅度越大。

牙轮钻头用单金属密封热-流-固耦合模型与性能分析

综合考虑密封端面间的粗糙接触、热力变形和黏温特性,构建了密封环与辅助密封件、润滑液膜与密封介质的关联体系,建立了牙轮钻头单金属密封热-流-固耦合数学模型,并研究了关键钻井参数如环境压力、钻头转速对单金属密封端面膜厚分布形态、温升变化及密封性能的影响规律。研究结果表明:随钻井深度和环境压力的增大,单金属密封端面间隙逐渐由收敛型演化为发散型,膜厚及温升极值点由外径侧向内径侧迁移,其临界转折点为环境压力p0=11 MPa附近;高压工况下,密封端面内径侧接触压力递增,不利于润滑油膜的形成;密封系统的泄漏率和摩擦力随钻头转速增大均有所增大,但在低压工况下可通过合理增大钻头转速来提高钻井效率。

热-流-固耦合方法模拟岩石圈与软流圈相互作用

岩石圈和软流圈的相互作用是现今地球动力学研究的热点问题之一.本文针对岩石圈与软流圈的相互作用模型,开发了新的基于热-流-固三场耦合方法的有限元程序.岩石圈变形和对流的地幔之间的耦合方式为:地幔在热驱动(或运动岩石圈的拖曳)下产生对流,对流的地幔对耦合边界施加载荷并造成岩石圈的变形,变形的岩石圈反作用于软流圈从而影响其地幔对流的状态.温度场根据速度场和网格变形的结果适时调整,如此反复推动整个系统的演化.利用该耦合方法模拟了"地幔柱作用下地表隆升"地质过程,其结果与实际地质资料和地质认识能很好的吻合,验证了该方法模拟地幔与软流圈相互作用过程的有效性及处理复杂耦合问题的能力.

油页岩原位注蒸汽开发的固-流-热-化学耦合数学模型研究

针对目前传统地面干馏油页岩技术中存在的高成本、高污染问题,提出了对油页岩进行原位注蒸汽开发的新方法.并利用太原理工大学研制的高温高压干馏釜对油页岩进行了高温高压蒸汽作用下油页岩干馏渗透实验.结果表明:高温高压蒸汽作用下油页岩会产生大量的孔隙、裂隙,从根本上提高了油页岩的渗透性;主要利用对流传热的方式,高效率地加热了油页岩并带走页岩油.同时,在复杂理论分析的基础上建立了油页岩原位注蒸汽开发过程中的固、流、热、化学耦合数学模型,包含了众多的耦合项作用,为分析解决油页岩原位注蒸汽开发过程中的复杂物理化学过程提供了理论依据.

弹性油藏中多相渗流的流-固-热耦合数学模型

基于对油藏中三大物理场 (流体力场、固体力场及温度场 )的系统分析 ,综合运用渗流力学、岩石力学、热力学理论 ,建立了一个全新的油藏渗流的流 固 热耦合模型。该模型假设岩石骨架是可变形的 ,油藏内热量按热力学定律自由传递 ,孔隙流体压力和热应力会导致岩石骨架的变形 ;反之 ,岩石骨架的变形又会导致储渗特性和孔隙流体压力的改变 ,还会导致温度场的改变。建立了安全耦合的流体渗流方程、岩石变形方程和温度场方程 ,三者之间互含耦合项 ,互不独立 ,只能联立求解。给出了模型的数值求解思路。该文所建立的模型实现了油藏中渗流、变形、变温三者间真正意义上的耦合 ,较之已有的油藏渗流模型更能反映油藏的实际 ,是对油藏传统渗流理论和流固耦合力学理论的发展 ,能广泛运用于石油工程许多领域 ,该模型同时也为编制流 固