问题导入式教学在圆柱绕流卡门涡街讲授中的应用

以圆柱绕流卡门涡街讲授为例,在工程流体力学授课中采用问题导入式(project-based learning,PBL)教学法,提出了一种“问题+知识点”为主线的进阶型教学模式,实现了课程的高阶性和创新性挑战,阐述了PBL教学法的具体应用。通过理论与实际相结合,搭建起了课堂与工程实际之间的桥梁,加大学生学习投入,让学生体验“跳一跳才能够得着”的学习挑战。

低真空对电渣重熔工艺和铸锭质量的影响

脱氧和夹杂物控制是电渣重熔钢锭质量提升的关键.分别在氩气保护的常压和低真空(10 kPa)条件下重熔H13电极,结合热力学计算,分析了低真空对电渣重熔工艺过程和铸锭质量的影响.结果表明,相比常压,低真空条件下渣池含气率升高,熔速波动更剧烈,所得电渣锭表面质量较差.常压和低真空条件制得电渣锭中总w_(O)分别为24×10^(-6)和18×10^(-6),碳脱氧反应随压力降低而加强,并逐渐取代铝脱氧.相比Al-O平衡,10 kPa条件下与电极中w_(C)平衡的溶解w_(O)更低,因而能够进一步降低钢锭中w_(O).碳脱氧产物是CO气体,不会引入新的夹杂物.常压和低真空条件制得电渣锭中夹杂物的类型没有明显区别,最大夹杂物尺寸从14.9μm分别减小到10.5μm和8.3μm,等效直径小于3μm的夹杂物检出比分别为63.85%和75.91%.低真空条件能够进一步细化夹杂物,提高钢锭洁净度.

天然气管道非稳态泄漏扩散的数值模拟

针对长输天然气架空管道泄漏问题,综合考虑风速随海拔变化的边界条件、管道管形及泄漏方向等因素,建立非稳态泄漏模型,对不同管道泄漏压力和不同天然气浓度边界的天然气非稳态泄漏扩散进行了数值模拟。结果表明:在天然气向下泄漏的工况下,天然气气团主要在地面积聚,呈无规则的扩散;天然气管道泄漏压力与气体泄漏扩散速度成正比,与天然气浓度边界达到稳定所需时间成反比:不同泄漏压力下天然气扩散稳定后的扩散距离及泄漏影响面积大致相同;天然气浓度边界越小,达到稳定所需时间越长。

基于稳定风场的埋地天然气管道泄漏数值模拟

针对目前城镇埋地管道天然气泄漏研究模拟工况简单、可信性较低等问题,考虑障碍物对环境风场的影响,利用计算流体力学(CFD)软件建立天然气管道三维泄漏模型,将模拟过程分为环境风场的稳态模拟和管道泄漏扩散的瞬态模拟两步,分析天然气泄漏扩散规律。结果表明:在风场稳态模拟中,建筑物附近风场受干扰明显,上游形成小范围的低速滞留区,下游形成较长的尾迹。在天然气泄漏扩散瞬态模拟中,土壤层天然气受风速影响较小,气体在近地面及贴近建筑物侧积聚,扩散范围随时间逐渐趋于稳定,泄漏扩散达到稳定后表现出土壤层积聚、气云沉降、贴近建筑物积聚、气云扩散局限性的特征。风速主要影响天然气的扩散高度,对水平方向的扩散范围影响较小,风速与天然气扩散高度成反比。

基于稳定风场的架空天然气管道泄漏数值模拟

针对架空管道天然气泄漏问题,考虑管道自身对泄漏扩散的影响,利用计算流体力学(CFD)软件建立天然气管道三维泄漏模型,为提高模拟可信性和合理性,先对计算流域风场进行稳态模拟,再对天然气泄漏扩散过程进行瞬态模拟,分析天然气泄漏扩散规律及风速对泄漏扩散的影响。结果表明:在稳态风场模拟中,管道附近风场受管道影响十分明显,管道上下侧面风速极高;在瞬态天然气泄漏扩散模拟中,天然气泄漏初期的扩散受风速影响明显,验证了先进行稳态风场模拟的必要性,泄漏扩散达到稳定状态后出现气云沉降、单侧分布、尾部分叉、风速影响扩散距离的特征;同等风速条件下,较小浓度边界扩散范围大,达到稳定所需时间短,同等浓度边界条件下,风速与扩散影响面积和浓度边界达到稳定所用时间成反比。

风力因素对天然气管道泄漏扩散影响的数值模拟

利用仿真模拟软件,对架空天然气管道泄漏扩散进行数值模拟,对比分析了泄漏方向及风速对泄漏扩散过程的影响。结果表明,地面附近下风向危险范围大,上风向相对安全,地势较高处相对安全;向上喷射时近地面天然气危险范围较小,迎风喷射和向下喷射时危险范围较大;迎风喷射时风速对危险范围的影响小于向下喷射时风速对危险范围的影响,在静风及低风速下天然气泄漏扩散范围较大。研究结果可为架空天然气管道泄漏的应急疏散、救援提供理论依据和参考。

输油管道梁式直跨段弯管处应力的数值计算

在长输埋地管道的施工中,由于地形复杂多变,弯管被广泛应用于管路系统当中。因为弯管具有特殊的形状和结构形式,所以弯管不但可以改变管道的轴线方向,而且增加管线的柔性。但是,在特殊的环境条件下,弯管往往是管路系统中应力集中的部位,在一定的条件下会引起塑性变形,给管道的安全运行带来隐患。应用有限元分析软件,对埋地输油管道的特殊点处(弯管)的应力进行了数值计算与分析,得到了埋地输油管道在管路穿越段局部承受径向压力载荷时弯管处Von Mises应力分布规律,以及当载荷长度、弯管角度和曲率半径对弯管所受应力的影响规律。

射流搅拌流场的数值模拟分析

喷射搅拌器广泛应用于油品储罐内的调和,喷嘴入射角度和入射速度对搅拌效果有很大影响。应用计算流体软件并根据标准k-ε湍流模型与SIMPLE算法,采用单因素敏感分析法分别对喷嘴的喷射角度、喷嘴直径及入射速度的射流流场速度分布进行数值模拟分析。结果表明：喷射距离随直径的增加而加大,随速度的增加而增大,在15～60°的角度范围内,随入射角度的增加先增大后减少;储罐内的速度流场分布随直径的增加先减少后增加,随速度的增加而增加,随入射角度的增加先增加后减少;射流产生的回流范围随直径的增加先减少后增大,随入射速度的增大而增大,随入射角度的增加先增大后减小。因此,相比于喷嘴直径,入射速度和入射角度对储罐内的搅拌效果和搅拌范围有更大的影响。

非金属管道在煤层气输送中的应用分析

我国煤层气资源开发进入了高速发展的阶段,煤层气田集输管网管材亟需创新和优化。金属管道缺陷日益明显,而非金属管道以其良好的耐腐蚀性、低摩阻、性价比高近几年在气田中得到了一定规模的应用,通过对钢管、聚乙烯管、柔性复合管、钢骨架塑料复合管、玻璃钢管性能、经济效益的对比,优选适合目前煤层气田集输用的管材,并结合非金属管材存在的问题,提出相应建议,为今后非金属管材在煤层气田的广泛应用提供参考。

电渣重熔过程钢中氧含量预测及控制

为降低电渣钢锭中的总w_(O),建立了预测界面传质速率的同步反应热-动力学模型,对电渣重熔过程的氧传递行为与电磁-流动-传热-传质进行耦合分析,并提出钢液中w_(O)的控制方法.结果表明,随重熔过程的进行,熔渣中w_(FeO)和钢液中w_(O)均升高,呈现重熔前期“脱氧”、后期“增氧”的现象,渣池-电极端部和渣池-金属熔滴界面是w_(O)升高的主要位置.当电流为1200~1800 A时,熔炼相同长度电极时的钢液中w_(O)从82.4×10^(-6)降低到70.6×10^(-6);采用惰性气体保护,使钢液中w_(O)从78.7×10^(-6)降低到15.3×10^(-6);使用70%CaF_(2)+30%Al_(2)O_(3)渣系控制钢液中w_(O)的效果最佳,低w_(Al_(2)O_(3))的渣系有利于降低钢液中w_(O).

水平渐变管内油水两相流模拟研究

为优化油气集输管道局部管道结构,采用计算流体力学软件对水平渐变管内油水两相流进行数值模拟,对比不同含水率、不同入口流速条件下两相流流型,分析油水两相流在管道内的压力分布规律。结果表明,渐变管内油水两相流流型为水包油流型,管壁主要为油相润湿;渐缩管压力随流向位移持续下降,渐扩管先下降后上升再下降;整体压降速率与含水率成反比,与入口流速成正比。研究结果可以为优化稠油集输管网管道结构、降低管道流动能耗等油水混输问题提供参考。

三相电极电渣重熔过程温度场与流场研究

基于有限体积法发展了三相电极电渣重熔过程的瞬态多场耦合数学模型.通过简化麦克斯韦方程组得到适用于电渣重熔体系的电磁场输运方程,计算出了洛伦兹力和焦耳热的分布,并将两者分别耦合到动量与能量方程中.同时采用RNG k-ε湍流模型计算湍流粘度,通过自定义函数描述电极的集肤效应.研究结果表明:焦耳热主要集中在渣池内,其最大值在电极底部内侧与渣的交界处.渣池内温度较高,分布比较均匀,温度的最大值出现在三根电极中心的渣层区域.渣池内的流动由重力、洛伦兹力和浮升力引起的.三电极的金属熔池是一个U型剖面,相较于单电极的V型金属熔池剖面更浅、更平缓.

电极更换对电渣重熔过程传热和熔渣凝固的影响

建立了电渣重熔轴对称瞬态耦合模型,研究了电极更换对电渣重熔过程中电磁场、流场、温度场、热平衡和电极端部熔渣凝固行为的影响。结合旋转矢量法和谐波法对电磁场求解,采用动态网格技术描述铸锭生长,建立渣池与电极间的瞬态导热模型,准确预测电极熔化速率。结果表明,原电极脱离后,0~100 s,渣池表面热损失最多增加了2.1倍,热平衡改变,渣池温度从1 933.3 K降低到1 720.3 K,熔池轮廓向内缩紧,且外侧变化更明显。在新电极加热阶段,电极端部形成一层固态渣壳,热源恢复,渣池温度从1 720.3 K增加到1 901.2 K,渣壳由外侧向内熔化。结合响应面分析法,重熔电流、电极预热温度均与固态渣熔化时间呈正相关,原电极脱离时间呈负相关,其中重熔电流影响最为明显。

现代电渣重熔先进技术特征与演进

电渣重熔是制备高端特殊钢和合金的关键冶炼工艺,在铸锭质量和成材率方面优势明显。随着中国装备制造业的快速发展,对所用钢及合金的质量和性能要求不断提高,而传统电渣重熔技术面临电耗高、产品质量稳定性差等问题。现代电渣冶金技术的发展核心在于浅平熔池形状的稳定控制和杂质元素的高效去除,目标是更高洁净度、更高凝固质量和更高生产效率。为了让国内冶金工作者了解目前电渣重熔技术的最新发展动态,助力中国电渣冶金技术的开发和应用,综述了近年来国内外相继涌现的先进技术与理论,分析了国内外在相关技术的应用特征和演进方向。中国在电渣炉设备制造、气体保护电渣重熔技术、同轴供电技术和结晶器导电技术方面基本与国际先进水平同步,但尚未形成完善可靠的渣系配置理论、精炼过程的热力学及动力学理论,较国外仍有差距,这已成为限制电渣产品质量提升的主要因素之一。低频电源技术、真空电渣重熔技术和旋转电极电渣重熔技术具有极高的工业化应用前景,需要进一步明确其对工艺过程和产品质量的影响规律。摆动控制已成为国际先进电渣企业的主流控制技术,却是中国电渣炉设备制造的短板,借助在线检测和模拟仿真技术的恒熔池形状控制技术是中国电渣冶金控制技术的发展方向。

旋转电极电渣重熔过程熔滴滴落及熔池形状的模拟

建立了瞬态三维耦合数学模型以探索旋转电极对电渣重熔过程中电磁场、流场、温度场和熔池形状的影响。通过求解麦克斯韦方程组得到电磁场的相关信息,利用VOF方法描述金属熔滴的运动,采用焓-多孔介质模型计算凝固过程。当电极旋转,金属熔滴在离心力作用下,从电极边缘抛出,增加了金属熔滴在渣池中停留的时间与沿途路径,有利于提高电渣重熔工艺的精炼效率。模拟结果表明,随着电极旋转,熔滴数量增多,尺寸变小,渣池内的温度分布变得均匀,当电极的转速由0 r/min提高至20和50 r/min,熔池深度由81 mm降至78和61 mm,熔池形状逐渐变得浅平,有利于提高电渣重熔铸锭的质量。

旋转电极电渣重熔过程电极熔速的理论解析

旋转电极电渣重熔通过改变结晶器内熔体的流动和传热规律,增强了渣池与电极间的对流换热,在提高电极熔化速率和生产效率方面具有巨大潜力。提出了电渣重熔过程电极熔化速率的求解方法,并考虑了电极旋转时的强制对流,基于多物理场耦合模型预测了电极直径、转速对电极熔化速率的影响规律。结果表明,随着转速提高,金属液滴由从电极中心滴落向电极边缘滴落转变,高温区由渣池外侧向渣池中心移动。当转速从0增大至90 r/min,55 mm直径电极的熔化速率从7.90 g/s增大至9.68 g/s,对比固定电极,转速为90 r/min时,生产效率最多提高了22.5%;进一步增大转速,电极熔化速率反而减小。存在一个最佳转速可使熔化速率达到最大,且该最佳转速随着电极直径的增大而减小。

电渣重熔H13模具钢过程碳偏析的模拟研究

宏观偏析现象普遍存在于电渣重熔钢锭中,严重影响钢锭的均质性和凝固质量。建立了电渣重熔H13模具钢的三维瞬态耦合模型,对碳偏析现象进行模拟研究,并考虑合金元素间的相互影响。采用各向异性多孔介质模型模拟糊状区的动量衰减,Lever算法计算溶质再分配行为。模拟结果表明,碳元素富集在熔池底部,且随钢锭凝固而增多。重熔钢锭底部和边缘呈负偏析,中心和上部呈正偏析。在其他初始元素一定时,硅初始质量分数由0.8wt%增大至1.2wt%,碳元素正偏析指数增大了8.57%;钼初始质量分数由1.1wt%增大至1.75wt%,碳元素正偏析指数下降了1.89%,并且增加硅、钼元素初始质量分数可以使碳元素分布变得更为均匀;工作电流由3700 A降低至3100 A,重熔钢锭碳含量正偏析指数由0.0856降到0.0837,下降2.22%。