基于CFD的玉米田间吊喷装置仿真设计与试验

为了改善玉米作物生长至中后期时中下层叶片雾滴沉积效果差,不同冠层雾滴分布不均导致植株叶片整体雾滴覆盖率低,喷施农药方式不佳造成药害和环境污染的问题,设计了一种玉米田间吊喷装置。利用数学理论几何关系结合Fluent软件确定了关键参数,即吊杆长度为1950 mm、侧下喷头距吊杆底端高度为50 mm、侧上喷头距植株顶端高度为50 mm、侧下喷头与水平方向上夹角为38.8°、侧上喷头与水平方向上夹角为43.7°。利用Design-Expert软件以吊杆侧上喷口处压强、吊杆侧下喷口处压强、机具行进速度为试验因素,以叶片平均雾滴覆盖率Y为试验指标设计三因素三水平正交试验,经方差分析后得到影响雾滴覆盖率大小因素主次顺序:行进速度>侧下压强>侧上压强。经田间试验后得到最终组合参数为机具行进速度0.8 m/s,侧上压强0.7 MPa,侧下压强0.5 MPa,雾滴覆盖率为26.54%,上、中、下层叶片雾滴覆盖率分别为28.32%、23.54%、27.75%,模型仿真与田间试验相对误差为5.05%。研究结果可为玉米植保机械的研发提供参考。

基于CFD-DEM的种子联合收获机气流清种仿真分析

针对现有种子联合收获机在收获后籽粒输运搅龙、杂余搅龙和卸粮搅龙处会残留种子的问题,在上述部位添加了清种气流,并分析在这些机构内使用气流清理残留种粒的可行性。从螺旋搅龙转速和清种入口气流速度这两个因素对清种效果的影响进行研究,开展卸粮搅龙机构内气固两相流的数值仿真,并基于计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)进行耦合求解,获得了清种过程中气相与颗粒相的速度分布及运动轨迹。结果表明:螺旋搅龙的运动状态对清种气流的通过性有显著影响;当螺旋搅龙处在高转速状态时,清种气流衰减速度较快,此状态下难以有效地利用气流进行清种;气流速度对清种效果影响显著,余种数量和清种所用时间随气流速度升高而降低,但当气流速度过快时会使种子撞击在螺旋搅龙叶片上产生反流和飞溅现象,从而影响清种效果。仿真表明,最优清种气流速度为50 m/s。

基于CFD与风洞试验的边主梁涡振气动措施

为能够快捷且经济地完成开口类钝体桥梁断面涡振制振气动措施的选型,以一座边主梁叠合梁斜拉桥为背景,采用“CFD(computation fluid dynamics)数值模拟选型+风洞试验验证”的思路对其涡振制振气动措施选型进行研究.该桥原设计主梁断面在常遇风速下存在显著涡激振动,为完成气动措施的初步选型,采用CFD数值计算对原设计断面的流场进行模拟,通过研究原设计断面的旋涡脱落状态确定主要旋涡抑制对象,进而有针对性地模拟了3种气动措施(下中央稳定板、导流板与风嘴)对主要脱落旋涡的抑制作用,通过将各断面旋涡脱落状态与三分力系数进行对比分析,得到各断面涡振性能的相对优劣关系,并最终选取风嘴与下中央稳定板结合而成的组合气动措施进行风洞验证试验.试验结果表明:该组合气动措施能够有效抑制梁体在各风攻角下的涡激振动,且在+5°风攻角下,通过风洞试验得到的导流板、下中央稳定板、风嘴组合气动3种措施对原设计断面涡振振幅的减小作用依此递增,分别为2.7%、27.7%与87.4%,制振能力高低关系与数值模拟结果相一致;本次数值模拟结果符合预期要求,未来可针对不同类型桥梁断面进一步扩展数值模拟与风洞试验结果对比的数据集,以期更为准确、快捷地完成气动措施的选型.

基于CFD的机械随动调节高度控制阀数值仿真

机械随动调节高度控制阀是列车悬挂控制装置的核心部件,其性能的好坏直接影响系统能否稳定工作。在设计过程中,采用CFD对其进行仿真计算,通过对其流场特性的分析,可以验证其流量特性是否满足系统需求。针对机械随动调节高度控制阀内部气体流动特性,建立了机械随动调节高度控制阀流场仿真模型,利用Fluent分析了机械随动调节高度控制阀阀口在不同开度下的流场特性,研究结果为机械随动调节高度控制阀流量性能指标试验提供理论支撑。

调谐液柱阻尼器-结构系统风致振动响应的CFD/CSD耦合分析方法

针对调谐液柱阻尼器(tuned liquid column damper, TLCD)难以建立其精确的非线性理论分析模型,且其力学性能试验成本高和耗时长等问题,首先采用计算流体动力学(CFD)数值模拟方法,对TLCD系统的力学性能和动力特征进行仿真模拟,在此基础上进一步提出了基于计算流体动力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合分析方法,求解带TLCD系统的高层建筑结构的风致动力响应。通过开展某一TLCD系统在特定底部激励下的力学性能和动力特性试验,得到其内液体晃荡的自由液面波高和晃动力时程,验证了CFD数值模拟方法可以准确地分析TLCD水箱内液体的非线性晃动特征。随后对风工程领域广泛采用的76层建筑结构振动控制Benchmark模型,假设其顶部设置TLCD系统时主体结构在三种风速重现期(10、50和100年)风速对应的横风向动力风荷载激励下的风致控制效率,采用提出的CFD/CSD耦合分析方法,进行了数值仿真模拟分析。耦合分析结果表明,TLCD系统对Benchmark模型的风致加速度、速度和位移响应均有一定的控制效果,对加速度响应的控制效果要优于对位移响应的控制效果。该研究方法可为复杂TLCD系统对高层建筑的风振控制分析提供有效的参考。

基于CFD-DEM的流-固耦合数值建模方法研究进展

随着土体渗流侵蚀研究的逐渐深入,对土颗粒流失和变形破坏机理的研究方法呈现出多尺度的特点。其中,计算流体力学-离散元耦合方法(CFD-DEM)为在细观尺度上研究流-固耦合相互作用对土体宏观力学特性的影响提供了一种行之有效的方法。针对CFD-DEM耦合方法在岩土工程领域应用现状,本文系统总结现有流-固耦合计算方法的优缺点,重点论述CFD-DEM耦合方法的建模策略,包括固相颗粒形状建模与粒间接触模型、流体相控制方程及参数计算方法,以及CFD-DEM耦合计算,并就相关问题进行深入探讨,最后提出了CFD-DEM耦合方法未来的发展方向。

流场涡旋中颗粒碰撞黏附机制的CFD-DEM(XDLVO)模拟

混凝装备中流场的涡旋特征是影响煤泥水等微细颗粒絮凝效果的关键因素之一。为解析流场涡旋影响颗粒混凝碰撞与黏附机制,以圆柱绕流产生的涡街为代表性涡旋流场,采用CFD方法模拟了流速和圆柱直径对流场涡旋强度和尺度的影响;引入XDLVO理论辅助描述离散元方法中颗粒间的相互作用力,对粒径为25~100μm颗粒在上述流场中的碰撞与黏附过程进行CFD-DEM模拟,并试验验证。结果表明,在流速0.06~0.12 m/s、圆柱直径2~6 mm、雷诺数为120~720条件下,圆柱绕流场中的涡旋半径(r)与圆柱直径(D)的关系近似为r=0.133 3D+0.421 4,与流速无显著相关性;涡旋中心的最大涡量与流速成正比,涡旋强度与圆柱直径的2次方正相关。CFD-DEM(XDLVO)模拟方法获得的黏附聚集体的特征参数与试验结果吻合较好,说明其可较准确地描述圆柱绕流场中颗粒的碰撞与黏附过程。对流场涡旋分布特征和聚集体在流场分区中分布特征的分析表明,流场中的涡旋通过惯性离心力使颗粒远离涡旋中心向涡旋周边的黏性剪切区富集,在改变颗粒运动方向的同时,增加了颗粒在黏性区的局部浓度,从而提高了颗粒的碰撞概率,有效促进了颗粒的黏附并大。当涡旋尺度为物料粒径的10倍左右时最有利于颗粒的碰撞黏附,因此可根据应用场景的物料粒度来优化设计绕流圆柱直径,使其达到最好的黏附效果。

基于CFD-DEM的物料转运过程诱导风流场与产尘因素分析

为了揭示颗粒物料在皮带机转运过程中的粉尘运移规律问题,推导了含有水平初速度的颗粒物料转运过程中的诱导气流方程,并采用CFD-DEM耦合方法对转运过程中的颗粒分布与诱导风流场特性进行了研究,分析了颗粒物料的落料高度、质量流量和初速度对颗粒逸散与诱导气流的影响。结果表明:颗粒在弧形下落阶段速度逐渐提高,挤压碰撞阶段颗粒速度先降低后提高,最后趋于稳定,部分颗粒出现逸散现象;含尘气流在颗粒物料弧形下落阶段和挤压碰撞阶段扩散较为明显;诱导气流速度与颗粒物料质量流量和初始速度呈正比关系,颗粒物料质量流量与诱导气流速度呈幂函数关系,拟合曲线幂指数为0.6~0.74。

基于CFD的LNG储罐瞬时大风环境数值模拟研究

为分析不同大风风速下储罐迎风侧和背风侧压力分布情况和风场特点,采用k-ε湍流模型,建立液化天然气(LNG)储罐区瞬时大风环境模型。利用计算流体动力学(CFD)软件Fluent对LNG储罐风环境进行模拟,利用软件分析模块生成储罐压力云图和风速矢量图。研究结果表明:LNG储罐在迎风侧承受压力高于背风侧,压力呈现对称分布;储罐前端与两侧易产生气体漩涡,但总体速度曲线较为规律,无混乱复杂的速度曲线。研究结果可为LNG场站抗灾韧性增强、极端大风天气应急疏散路径规划等多方面提供理论参考,对LNG储罐区安全建设具有重要指导意义。

变容积密集烤房的CFD分析与试验研究

为保障密集烤房装烟密度,降低烘烤的能源消耗,研发一套适用于密集烤房的变容积系统。在完成变容积装置的设计后,基于CFD方法模拟分析装置与烟叶的不同距离对烤房内部气体分布均匀性的影响。通过烘烤试验获取实际烘烤数据,对模拟值加以验证。试验结果表明:当隔板与烟叶距离为0 cm时,流速不均匀系数Kv为0.40,温度不均匀系数Kt为0.41,距离为10 cm时,Kv=0.41,Kt=0.43;距离为20 cm时,Kv=0.42,Kt=0.49。装烟区9个测量点的温度模拟值与实测值基本吻合,误差在6%以内。变容积烤房在装烟量为一半时,相比常规烤房的燃料消耗可节约13.4%。研究结果表明:当隔板与烟叶距离为0 cm时烤房内部的气体分布最均匀;CFD模型与数值模拟结果具有可靠性;变容积装置具有较好的保温效果,可保证装烟密度,降低烤烟能耗。

基于CFD和响应面法的引射器优化设计

针对质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)氢气引射器优化研究中优化精度低、忽视多结构耦合作用的问题,采用CFD和响应面法结合优化引射器结构参数。通过单因素仿真试验研究各结构对引射比的影响,在此基础上设计正交试验构建响应面分析多结构参数交互作用。研究结果表明:喷嘴距和等压混合室直径的响应p值小于0.05,存在耦合作用且对引射性能具有显著影响,通过响应面法优化后引射器最大引射比达到3.62,相比于单因素优化结果提升了25.69%并且预测模型误差仅为4.93%。

基于CFD的惰性密封箱室内气溶胶运动规律的数值模拟研究

目前,最有前景的快堆乏燃料后处理方法是干法后处理技术,利用该技术操作物料时,整个工艺过程必然会伴随有放射性气溶胶的产生,为了有效的安全性评估、安全性分析、事故溯源等,需要掌握气溶胶颗粒在惰性密封箱室内的运动规律。本文利用CFD技术对惰性密封箱体内气溶胶颗粒进行运动规律的分析与研究。结果表明:绝大多数颗粒沿着流场方向运动,在出口壁面有部分颗粒残留;壁面粗糙度数值为0.4μm,可以有效地降低颗粒在壁面的沉降。本文的研究结果为惰性密封的手套箱及热室的设计提供相关的理论依据及数据支撑。

基于CFD的干法手套箱内气体流场的数值模拟研究

在乏燃料干法后处理中,将氧化物制备成金属时,可采用熔盐电解工艺技术,由于核燃料具有较高的毒性和放射性,为了确保操作过程的安全,整个工艺过程必须在干法手套箱内进行,干法手套箱是干法后处理熔盐电解工艺研究的必要保障。在以往的实际使用过程中,气量的设计理念是加大通风量,这就造成需要处理的废气量增加,能耗增多,运行成本提高。本文基于CFD以及统计学标准差的概念,研究了箱体内气体流场受到出入口位置、流速等因素的影响,建立了风机流量与箱体体积的函数关系式,为干法手套箱和热室的设计提供了重要的参数。

基于“一维系统+三维CFD”耦合方法的快堆非能动余热排出系统自然循环特性的数值模拟

池式快堆采用了新型非能动堆内直接余热排出(DRACS)方式,提升了快堆的安全性。目前针对池式快堆自然循环开展的数值模拟研究中,系统程序难以准确预测池内复杂自然循环路径,难以准确模拟池内三维热工水力现象,如果采用三维CFD计算建模及网格划分难度较高,且所需计算资源较大。为此本文开发了“一维系统+三维CFD”耦合方法,用于快堆非能动余热排出系统自然循环特性计算分析。利用日本大型钠回路实验台架(PLANDTL)DRACS自然循环模式对该耦合方法进行验证,稳态工况关键位置参数相对误差小于3%,瞬态工况关键位置参数与实验值变化趋势吻合较好,相对误差小于10%,验证了该耦合方法的适用性和准确性。利用该耦合方法,开展了中国实验快堆(CEFR)自然循环及余热排出特性计算分析,识别了池内自然循环流动路径,揭示了池内温度分层以及盒间流现象。本文方法可为大型钠冷快堆自然循环三维瞬态特性分析提供重要数值方法。

基于CFD的辐射冷顶板与风扇耦合系统性能优化

吸音板用来解决辐射式天花板供冷系统的噪声问题,但其阻碍了辐射换热。本文提出通过风扇的调风作用来优化辐射冷顶板与风扇耦合系统,基于CFD模拟讨论了耦合系统的室内气流分布、热舒适及换热系数变化,研究了吸音板安装方式、风扇转速和风扇转向对辐射天花板性能的影响。结果表明:风扇的加入增大了顶板的对流换热系数和总换热系数;随着风扇转速的增大,室内的空气温度和人体热舒适性评价指标(PMV)降低;风扇向上吹风的效果优于向下吹风,吸音板竖直安装优于水平安装。

核电厂除盐水箱氧浓度CFD数值分析

压水堆核电厂除盐水箱中的氧含量受到严格的控制,本文采用CFD方法分析核电厂运行中除盐水箱的氧浓度。通过引入并求解用户自定义标量方程,分析了充水和排水工况氧浓度分布,结果表明:充水和排水操作仅对水箱与平衡管接口附近的氧含量分布有影响,对充/排水接管及水箱大部分区域的氧含量分布影响较小。

混凝土搅拌筒CFD-DEM多相流数值模拟与分析

为研究混凝土运输车搅拌筒内的混凝土与骨料颗粒的真实运动情况,采用CFD-DEM耦合的方法,考虑混凝土的非牛顿流体特性及骨料颗粒间的相互作用,对混凝土进料、搅拌、出料过程的混凝土及颗粒运动规律进行数值模拟。通过将出料时间和出料速率数值仿真结果与实验对比,验证了CFD-DEM耦合方法的可行性。将计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)和离散元(Discrete Element Method,DEM)仿真结果导入ABAQUS中对叶片结构强度进行了分析,结果表明:叶片所受应力远小于材料的许用应力,最大节点位移满足刚度设计要求。最后对叶片的磨损情况进行了分析。

基于CFD-DEM方法的组合管路磨损特性研究

鉴于管道磨损对于确保管道系统的安全、经济和可持续运行至关重要,基于计算流体力学——离散元耦合法(CFD-DEM),对一种由2个90°弯头组成的组合管路固液两相流磨损特性进行了数值模拟研究。结果表明,在颗粒体积浓度保持恒定的情况下,随着流速的增加,磨损率将呈指数型增长,并与碰撞速度的2.41次方成正比;随着颗粒浓度的增加,2个弯头的碰撞频率和磨损率的增长率出现了不同的变化,高浓度工况下管道内更易出现“护盾效应”;弯头间距的增大使得颗粒的流动更为充分,同时削弱了弯头内二次流的影响,导致颗粒与壁面接触的次数减少,碰撞频率和磨损率也随之降低;在相同浓度的混合粒径工况下,粒径的增加将导致弯头壁面的平均磨损率减少,然而大颗粒的惯性力增加将导致弯头壁面的最大磨损率增加。研究结果为组合管路的抗磨损性能提升提供了理论支撑。

基于CFD-DEM耦合的梯级溜槽的设计与分析

针对传统物料转运过程中溜槽和输送带磨损严重、出口处粉尘浓度过高的问题,建立含臂架的梯级溜槽几何模型,采用基于计算流体力学与离散单元法(CFD-DEM)耦合的数值模拟方法,分析了臂架对转运溜槽的磨损以及对其出口处粉尘排放浓度的影响。仿真结果表明:含臂架的梯级溜槽可以有效控制物料流的速度和方向,降低对溜槽内表面的冲击磨损,降低出口处的粉尘量。

基于CFD-DEM流化床内静电效应影响的数值研究

气固流化床由于具有传热传质效率高等优点,因此在煤化工、煤燃烧和煤炭分选等领域得到广泛应用。但在流化过程中,颗粒与颗粒或壁面间频繁接触、碰撞,导致颗粒表面产生电荷,从而发生颗粒黏附到反应器壁、颗粒团聚和静电放电等现象,影响颗粒运动状态、空隙率、混合程度等特性,甚至引发生产事故。为探究静电效应对流化床内气固两相流动特性的影响,基于开发的双网格CFD-DEM模拟程序,耦合静电力模型,对单孔射流流化床内气固两相流化过程进行数值模拟,从床层整体和典型区域示踪颗粒2种角度对考虑静电力前后流化床内气固两相流动特性进行研究。结果表明:考虑静电力后,颗粒分布更加分散,床层空隙率增大,床层膨胀高度增加,相同初始位置颗粒的运动轨迹发生改变;流化床内颗粒运动及速度分布近似呈轴对称分布,滞止区颗粒竖直和水平速度始终接近于零;随着颗粒携带电荷量升高,流化床内喷泉区颗粒速度矢量逐渐稀疏,喷射区颗粒速度矢量逐渐密集,Lacey混合指数呈现一定程度的减缓。以上研究结果及方法可为进一步研究工作和工程实际应用提供参考。