基于流固耦合的卡车油箱振动特性研究

卡车油箱在使用过程中,存在因振动产生本体及焊缝开裂的问题。针对某400 L卡车柴油油箱,基于流固耦合理论,运用ANSYS软件分析油箱的振动特性。锤击法模态试验和仿真模态分析结果,仿真与试验测得的结构模态参数数据误差最大为13%,仿真的准确性得到验证。油箱结构自由状态下计算得到的前6阶固有频率略大于油箱安装状态下的固有频率,油箱固有频率会随着液体含量的增加而降低。油箱的固有频率在液体量从0到100 L以及300到400 L这两阶段变化明显。油箱充液比低于1/2时,油箱结构的各阶固有频率均高于危险区域的频率,不会产生共振。充液量大于3/4时固有频率接近于30 Hz的标准规定值,存在共振风险。油箱设计时,应优化油箱的结构,使其在充满液量时也能避开30 Hz标准值,更为安全。

超临界碳氢燃料流动不稳定的频域分析与数值模拟

再生冷却通道中的流动失稳是高超声速飞行器发动机热防护技术中的核心问题之一。为研究超临界碳氢燃料在冷却通道中的流动不稳定特性,基于有限体积法及流体物性近似,发展了高效的一维瞬态模拟方法;同时,基于小扰动假设,进一步提出了用于预测稳定行为的频域分析方法。通过相关实验,验证了模型的可靠性。基于时域和频域方法的综合分析,沿内特征曲线讨论了主要失稳类型,重点分析了受密度波及Ledinegg不稳定共同影响的复合不稳定性。随后,进一步分析了工作压力和入口温度对稳定特性的耦合影响,并基于N_(tpc)-N_(spc)空间划分了稳定区域。研究发现,复合不稳定、Ledinegg不稳定以及密度波不稳定,随入口温度升高而相继消失。Ledinegg不稳定及密度波不稳定的稳定边界在N_(tpc)-N_(spc)空间具有高度相似性,而复合不稳定性的区域在较高的压力下略有缩小。

核热推进反应堆燃料元件热工应力安全分析

核热推进采用的超高温气冷堆堆芯长期运行在高热流密度、大功率梯度、大温差、高速冷却剂冲刷的严苛服役条件下,其内部的六棱柱型燃料元件可能发生应力集中导致引发结构失效风险,影响核反应堆燃料元件的运行安全性能。为探索核热推进燃料元件的热工应力行为规律及热工安全边界,以火箭飞行用核引擎(nuclear engine for rocket vehicle applications,NERVA)型核热推进反应堆为对象,选取反应堆内部密排燃料组件基本单元,建立对称模型,针对堆内(U,Zr)C石墨基复合燃料元件开展高温高流速氢气推进模式下的流-热-应力行为研究,评估燃料元件的高温熔化与断裂失效风险。研究结果表明:核热推进反应堆运行工况下,燃料元件受自身冷却剂通道排布方式与连接管元件冷却作用影响导致内部热流分配不均;径向大温差带来的热膨胀差异在轴向上积累是引发燃料元件结构断裂失效的主要原因;综合分析燃料元件内部的温度-应力场分布情况与影响因素,可为核热推进系统的运行安全设计提供优化思路与参考依据。

质子交换膜燃料电池浆料混合过程数值模拟

对质子交换膜燃料电池催化剂浆料制备工艺中浆料的混合过程进行了深入研究。通过实验测量获得了浆料流变特性、密度与铂-碳颗粒体积分数之间的关联关系,并建立了浆料混合过程的“液-固-气”三相流动模型。在此基础上,结合桨叶搅拌和高速剪切分散作用,对浆料混合过程中混浆装置内部的流场结构和铂-碳颗粒分散特性进行了数值模拟。结果表明,在搅拌桨叶作用下,混浆装置内形成的大尺度流动结构未能有效抑制铂-碳颗粒的沉降现象。然而,引入高速剪切分散装置后,不仅能够通过抽吸作用缓解铂-碳颗粒的沉降,还能通过狭缝喷射流动增强混合效果,从而显著改善铂-碳颗粒在流场中的分散特性。上述结果为混浆装置结构设计与改进提供了重要的指导,为质子交换膜燃料电池催化剂浆料的高效制备提供有力的理论支撑。

起爆方式对圆台型云爆弹装置燃料抛撒初期运动规律的数值模拟

为提高燃料空气炸弹(Fuel Air Explosive,FAE)装置爆炸抛撒燃料的极限速度并使速度更加平均,在不改变现有装置整体结构的情况下,采用数值模拟的方法研究起爆方式对FAE装置燃料抛撒径向极限速度的影响。使用有限元分析软件的任意拉格朗日-欧拉算法对圆台型FAE装置抛撒燃料进行数值模拟,对比单点起爆、多点起爆和近似线起爆情况下相同位置节点的径向抛撒速度变化情况。研究结果表明,对于燃料上的单元而言,距离较近的起爆点设置会对这个单元上燃料的抛撒运动产生抑制效果,近似线起爆的方式可以使云雾抛撒得更加均匀,为FAE爆炸燃料抛撒数值模拟的进一步细化研究奠定了基础。

结构参数不同优化方式对氢燃料电池性能影响

为了提高质子交换膜燃料电池系统中引射器的性能,采用CFD模拟的方法对引射器的三个关键几何参数进行了模拟分析。此外,比较了单一参数分析下最优参数组合、最优优化顺序的参数组合、正交分析得到的参数组合对引射器性能的提升。结果表明,使用正交分析得出的引射器最优参数组合分别相较其他两种性能提升了13.6%和7.5%,该研究为引射器结构参数的优化提供了一种新的思路,对引射器的设计和应用有一定的参考价值。

氨和甲醇等燃料供给系统设计对比及仿真

为满足国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)对船舶主机CO_(x)、SO_(x)和NO_(x)排放的要求,基于MAN主机燃料进机需求,对多种清洁低碳燃料系统的设计进行对比分析。分别针对氨、甲醇和液化石油气(Liquefied Petroleum Gas,LPG)等燃料开展关键问题解决方案对比,并运用计算流体动力学(Computation Fluid Dynamics,CFD)方法对燃料系统回液方式进行仿真。仿真结果显示:在LPG回液管路上设计可调减压元件,能在1.8~2.3 MPa压力区间内实现燃料再利用,有效形成闭式循环回路;当损耗系数K为500~6500时,供给LPG主机的燃料压力满足5.1~5.5 MPa的要求。对比分析表明,在LPG燃料供给系统上调整供给泵参数和回液损耗系数K,即可使该系统应用于氨燃料供给系统设计中。

气体扩散层侵入流道对燃料电池水管理影响研究

质子交换膜燃料电池在装配过程中,气体扩散层(GDL)会因为装配压力产生形变而侵入流道。基于流体体积法建立截面形状分别为矩形、梯形和正方形的流道在GDL不同侵入程度下的数值模型,并对其进行气-液两相流行为研究,得到了液体滞留、排水效果、GDL面传质面积等方面规律。GDL侵入流道时,液体在排出过程中破碎程度减小,液体更容易积聚在一起,影响液体滞留效果。矩形截面流道排液时间更长,梯形和正方形截面流道液体排出时刻滞后。GDL侵入流道时,进气流速的增加使得较为聚集的液体排出速度稳定,并未大幅减小。GDL侵入流道程度较大时,矩形截面流道更多液滴黏附在流道侧壁与GDL面使得GDL面覆盖率较大,梯形截面流道顶部会形成稳定的薄膜流,排液速度大且GDL面覆盖率小。

高功率工况下氢燃料汽车排气噪声的优化研究

为解决氢燃料汽车在电堆高功率负载工况下的排气噪音问题,通过声学测试与流场仿真交互分析,优化了消声器系统的声学性能。采用有限元法进行消声器内部流场湍动能仿真分析,并交互使用声学测试方法进行消声器传递损失试验验证,研究发现原状态消声器在中频段表现一般,在低高频段性能较差。通过建立消声器流场仿真模型,优化其内部结构,包括变径多孔风管、消声内衬和减震垫等。流体仿真计算结果显示,新消声器结构流体域湍动能明显降低,改善了消声器内部湍流现象。消声器声学测试结果显示,新状态消声器在500~12 500 Hz频段传递损失明显提高,呈现更佳的消声效果。研究结果表明,在电堆高功率负载全频工况下,通过流场仿真与声学测试相结合的方法,能够快速优化消声器结构,提升全频段的消声性能,提高车辆的舒适性和用户体验。

氢燃料电池用高速永磁同步电机性能的数值研究

在利用Maxwell方程组推导了高速永磁同步电机的二维电磁场控制方程的基础上,采用Bertotti铁耗分立模型计算电机铁耗,引入雷诺系数计算风摩损耗,用经典计算公式计算绕组铜耗和涡流损耗,以上损耗值转化为体积生热率施加到电机各发热部件作为温度场分析时的热源,并且考虑材料温变特性和定子非晶合金导热系数各向异性,使用流固耦合法建立了高速永磁电机温升预测模型。依据所建模型进行算例分析,应用Maxwell软件和Fluent软件研究了气隙槽宽、槽肩高和气隙长度对电机磁场、温度场的影响,研究表明气隙槽宽对电机磁场影响较小,适当增大气隙槽宽有利于电机散热。

铆接油箱的水锤毁伤效应

为了研究高速侵彻体撞击飞机油箱等充液容器所产生的水锤效应对容器结构产生的灾难性破坏,以铆接油箱为对象,通过开展弹道射击实验,结合数字图像相关测试技术,获取了铆接油箱在射弹冲击作用下的箱体变形、破孔直径等数据;并建立流-固耦合有限元模型,分析射弹入射速度与射弹动能损失、箱体变形、流体动压、铆钉失效之间的关系。结果表明:有限元模拟结果与实验结果基本吻合,数值模型可用于描述油箱在水锤作用下的动力学行为;射弹动能损失、箱体变形量、液体压力峰值与射弹入射速度呈正比例关系;当射弹入射速度达到1400 m/s之后,油箱后壁板开始出现裂纹,并呈花瓣式破孔损伤;当射弹入射速度达到1600 m/s时,铆钉开始发生断裂。

Effects of ORC Working Fluids on Combined Cycle Integrated with SOFC and ORC for Stationary Power Generation

The purpose of this study is to explore the effects of working fluid on conventional combined cycle integrated with pressurized solid oxide fuel cell (SOFC) and waste heat recovery organic Rankine cycle (ORC) for stationary utility power generation. The mathematical model of a natural gas fueled design configuration is developed in Matlab and Simulink and simulated with 14 working fluids. The effluent gases of SOFC undergo combustion in the combustion chamber and it is utilized in the gas turbine, steam turbine cycle and ORC. The model is compared with those found in literature and the parametric studies of temperature, flow rate, fuel utilization factor and exhaust gas on the system efficiency are examined. Results revealed that working fluids show a closely related behavior in efficiency at low pressure ratio and high flow fraction, fuel utilization, and temperature. R-123 was found to perform the best among 14 working fluids studied, yielding a system energy efficiency of 70% in the combined cycle integrated with SOFC and ORC.

环形燃料混合堆芯横向流动特性数值模拟研究

环形燃料混合堆芯横向流动特性对原堆芯的热工安全具有重要影响。本文基于计算流体力学(CFD)方法建立了3×3环形燃料混合堆芯,通过计算混合堆芯的速度场、局部阻力特性与各组件的出入口流量守恒性,对环形燃料与原堆芯燃料之间的横向流动进行了评价。结果表明,当环形燃料与原堆芯燃料轴向各处阻力一致时,原堆芯燃料出入口冷却剂流量相对偏差小于0.8%,环形燃料出入口冷却剂流量相对偏差小于1.8%,混合堆芯各格架段无显著横向流动。

航空油料在舱室内燃爆危害的数值分析

不同舱室结构内航空油料的燃爆参数存在差异,为了解和掌握不同结构舱室内航空油料的燃爆危害性,运用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对不同结构航空油料舱室内的航空油料蒸汽燃爆问题进行了数值模拟。结果表明:密闭航空油料舱中的航空油料蒸汽预混燃爆时,油舱各处压力分布较均匀,无隔板密闭舱室和含不完全分割隔板密闭舱室内航空油料的最大燃爆压力分别为0.76、0.74 MPa,即舱室内的不完全分割隔板对航空油料燃爆时所产生的最大压力无显著影响;隔板等特殊结构的存在使舱室内部产生了气流漩涡,增大了燃料消耗的速率,导致火焰面传播速度及压力上升速率增大,舱室内各处燃料的质量分数由火焰面决定。

开窗对汽车气动力和FE影响的模拟研究

随着我国基础建设事业的发展,家用汽车成了人们出行的主要交通工具,为了研究汽车开窗行驶对气动力和燃油经济性的影响,从人类行为的角度出发节约能源。利用数值模拟方法使用FLUENT软件得到了20种开窗方案的气动力系数。通过对比分析发现开窗方案与气动力之间存在一定的规律,然后进一步讨论了开窗方案对燃油经济性的影响,发现开窗方案2、方案5、方案16的燃油增长率最小,适合在夏季出行时使用,既可以通风又可以减小能耗。

基于流固耦合的机车燃油箱冲击计算及试验验证

为解决某型机车燃油箱在流固耦合条件下冲击工况的仿真计算问题,用燃油箱小模型对比了虚拟质量法与瞬态法相结合等4种仿真方法的结果,并基于标准冲击谱进行了冲击试验,同时将仿真结果与试验值进行了对比验证。对比结果显示,虚拟质量法与瞬态法相结合的仿真方法分析流固耦合条件下箱体的冲击工况最为准确。以1/3箱油液高度工况为例,计算了该型燃油箱在冲击工况下的三向应力,计算结果表明,在1/3箱油液高度的条件下,其冲击应力小于许用应力值,满足使用要求。研究结果对分析结构流固耦合条件下的冲击应力具有一定的指导意义。

嵌套旋流离心式雾化喷嘴流场特性分析

为了对航空发动机燃油喷嘴的流场特性进行研究从而对其雾化性能进行优化达到节能减排的目的。通过Solidworks软件对嵌套旋流离心式喷嘴进行了建模,利用Fluent软件使用流体容积法(VOF)对喷嘴的内流场及外流场进行数值模拟计算,并做了雾化性能测试实验证明了数值模拟计算的可靠性。结果表明,燃油流场与喷嘴结构呈现较强的相关性,无论是内流场还是外流场的各项物理特性均呈现特定的规律。可见对于喷嘴流场的研究为后期研究改变某些关键结构尺寸对喷嘴会产生哪些影响做好相关的流场分析技术指南,最终是为喷嘴的结构改进提供了相关参考。

高压油管漏油问题的分析与研究

在柴油机的燃油供给系统中,高压油管是将喷油泵中的高压燃油输送至喷油器的通道。在柴油机运行过程中,受到柴油机点火间隔、喷油脉宽控制MAP以及喷油泵性能等多种因素的影响,高压油管始终处于脉冲高压的恶劣工作环境中,极易出现各类故障。本文以V型8缸单体泵供油系统柴油机的高压油管为研究对象,采用故障树分析(FTA)的方法,针对整车试验过程中出现的高压油管漏油故障,构建了相应的故障树。从高压油管的设计、生产工艺以及使用等三个方面,系统地分析了高压油管漏油故障的根本原因。通过在高压油管的工艺过程中增加清洗工序、烘干工序以及解剖检查工序,有效地解决了高压油管腐蚀漏油的问题,提升了柴油机的安全性和可靠性。

螺旋十字燃料组件热流力耦合特性数值模拟研究

作为一种新型反应堆燃料组件,螺旋十字燃料(HCF)组件具有导热距离短、交混强度高、无需定位格架等优势,可在保证反应堆安全裕度的同时提高堆芯功率,但其依靠相邻棒束接触形成的自支撑结构进行定位易使接触位置发生应力集中,危害包壳的完整性。针对这一问题,本文开展了典型HCF组件的热流力耦合特性研究,获得了单相对流和过冷沸腾条件下HCF组件的温度及应力应变分布。研究结果表明:HCF组件通道中心和包壳附近冷却剂的横流存在很大差异,影响了冷却剂温度和沸腾时空泡份额的分布;HCF组件包壳表面少量的气泡可增强冷却剂的传热能力;HCF组件肋片顶部(翼尖处)和肋片根部(翼根处)的热应力主要分别与接触约束和燃料内部的温度梯度有关;单相和两相工况中HCF组件包壳翼根处的Mises应力和翼尖处的塑性应变均相等,但两相工况中翼尖处的Mises应力较单相工况偏低30 MPa。

液态铅铋合金绕丝燃料组件共轭传热数值模拟

围绕液态铅铋合金(LBE)的数值模拟研究通常仅针对流体域,而忽略了固体域的影响。为了研究绕丝燃料组件物理模型及边界条件对LBE的流动与传热的影响,基于质量守恒原则、能量守恒原则和传热特性等效原则,设计了燃料棒及绕丝表面有恒热流密度的纯流体域模拟、燃料棒及绕丝有恒体积功率的流固共轭传热模拟、燃料棒表面有恒热流密度的纯流体域模拟和燃料棒有恒体积功率的流固共轭传热模拟这4种数值模拟方案,在施加相同总功率条件下,比较了4种方案的LBE和流固边界上的温度分布差异。对比分析4种方案的大涡模拟结果发现:流固共轭传热方案比热流边界方案更具合理性;与Pacio实验数据相比,方案四即燃料棒具有恒体积功率的流固共轭传热的数值模拟结果在流固边界峰值温度上的偏差最小。因此,针对绕丝燃料组件LBE及包壳局部温度峰值的数值预测,推荐采用燃料棒有内热源的流固共轭传热数值模拟方案,能够准确预测绕丝燃料组件内LBE的温度特性。