三相耦合渗流侵蚀管涌机制研究及有限元模拟

管涌的发生、发展过程是土骨架相在渗流作用下侵蚀为可动细颗粒相,并随水相在孔隙通道中运移流失的过程。在该过程中,渗流与侵蚀相互耦合,相互促进,水相、土相、可动细颗粒相互作用,因此,管涌过程是一个多场、多相耦合的高度非线性的动态过程。现有的管涌试验结果表明,只有当水力梯度大于起始水力梯度时,细颗粒相才会随水相从土体中运移流失,土体才会发生管涌侵蚀,且管涌稳定后土体的孔隙率(稳定孔隙率)和水力梯度之间存在对应关系,根据该结果,提出管涌稳定孔隙率的概念,修正传统的渗流侵蚀本构方程,建立多孔介质中三相耦合的修正的渗流侵蚀管涌控制方程。最后,针对特定应力状态下的土体建立稳定孔隙率和水力梯度之间的对应关系。基于Galerkin有限元法编制有限元程序,在轴对称情况下对该土体的管涌过程进行数值模拟。结果表明,修正后的管涌控制方程能更全面地描述管涌发生、发展直至稳定状态的特性。

超空泡射弹水下侵彻靶板三相耦合数值模拟

超空泡射弹侵彻问题的实质是特殊水下结构受到高速冲击载荷作用下的动态响应。对12.7 mm口径超空泡射弹侵彻典型水下目标壳体的毁伤效果开展研究,基于LS-DYNA有限元分析软件建立水环境中超空泡射弹垂直侵彻曲面靶板的等效模型,探讨射弹侵彻过程中动能侵彻和气泡溃灭对靶板联合毁伤效果,获得了靶板在各阶段的应力变化和结构变形规律。结果表明:侵彻靶板前,射弹着靶速度为200 m/s时的头部表面水介质压力峰值达768 N,靶板表面有明显下凹变形;侵彻靶板时,伴随着射弹动能侵彻和气泡溃灭冲击,水介质造成的影响不足动能侵彻的2%;侵彻靶板后,在靶板正面形成峰值速度为42 m/s的水射流进一步作用于破口;靶板整体弯曲变形,在200~300 m/s范围内,随着射弹着靶速度的增加,靶板弯曲形变量减小;靶板局部发生延性穿孔,射弹在水环境中具有更好的破口效果,射弹速度变化对破口尺寸影响不大。

降雨条件下土坡三相流耦合模型验证与分析

基于非饱和土力学的基本理论,建立了考虑孔隙介质可压缩性的二维非饱和土坡固-液-气三相耦合控制方程,利用COMSOL multiphysics软件的PDE平台,将所建立的耦合控制方程的数值模拟结果与经典Liakopoulos砂柱排水的试验结果进行比较,验证了所建立的三相耦合控制方程的正确性,并讨论不同因素对渗流场和位移场的影响.模拟结果表明:渗透率ks对降雨渗流过程的推进起阻滞作用,同时延缓了非饱和土坡的变形,但影响较弱.进气值系数对非饱和土坡变形沉降的过程有一定影响,但总体影响也较弱.

发动机冷却系统气-液-固三相整场耦合传热研究

该文针对混动强化型发动机在车辆运行过程中受到外界流动空气冷却的影响,提出一种将发动机受到的外部气流与内部水套联合冷却耦合的计算模型,即风冷-水冷联合冷却系统,其通过气-液-固三相整场耦合传热,更适用于分析发动机冷却及换热。通过检测转速为6 000 r/min的发动机缸盖火力面鼻梁区的温度,以此为基础对比三相耦合模型与单水冷两相耦合模型的缸盖温度值发现,三相耦合模型在高温区域的温度偏差与测试值更接近,外部气流的流动减小了水套内部液体汽化产生的气阻,发动机外部气体流动对发动机散热具有积极影响。

三相全耦合传输线分析

基于分布参数电路理论 ,应用电报方程 ,推导出对称三相 -地耦合传输线方程。并给出用实验方法确定三相 -地耦合传输线波参数的原理与方法。

某8缸中速柴油机冷却系统三相流固耦合传热分析

对某柴油机8缸整体冷却水套进行绝热流动模拟,得到冷却效果最差的一个缸及冷却液的流动边界条件;对该缸进行单缸气缸盖-冷却水套-气缸套流固耦合计算,得到了缸盖和缸套温度分布及水套流动及温度场情况;对该缸加入进、排气进行气-液-固三相流固耦合分析,得到缸盖温度场和水套温度场情况,与不考虑进、排气的情况以及与试验测得的工程数据的比较表明:考虑进、排气时的模拟结果更加接近试验值,说明该方法更符合实际情况。

基于耦合电抗的并网逆变器并联系统环流分析

大功率单机光伏并网逆变器通常采用三相三磁柱式耦合电抗器以降低整机成本并提高系统功率密度,然而三相磁路耦合会使得三相系统的零序回路特性与3个单相电抗器构成的系统存在明显差异,并对并联系统的零序环流产生很大影响。基于三相三磁柱式耦合电抗器的磁路结构和相应的电感电压方程,建立了考虑三相磁路耦合特性的三相T型新能源并网三电平逆变器零序环流模型,分析了三相三磁柱式耦合电抗器的使用以及三电平逆变器自身控制的复杂性导致零序环流发生变化的机理,指出了现有三相三磁柱式耦合电抗器对T型三电平逆变器并联系统,尤其是多台逆变器分时启停、无功功率突变等环节存在过流并损害功率开关管的安全隐患,最后通过系统仿真与并联样机实验充分验证了理论分析的正确性和有效性。

改进的配电网三相潮流计算方法

配电网网络参数的不对称使得对称分量法解耦失效,配电网潮流计算元件模型需采用abc全耦合模型。针对配电网长辐射状网络结构可能导致的三相牛顿拉夫逊潮流初值选取难题,提出了一种初值选取方法。首先,将给定的配网三相系统除去合环支路后简化成单相系统,采用单相前推回代得出其潮流解;再利用单相潮流节点电压构造出三相对称电压,以此作为三相牛顿拉夫逊法的初值进行三相潮流计算,克服了配网潮流计算中前推回代与牛顿拉夫逊潮流算法各自的不足。IEEE33节点案例计算结果表明,该方法能够为配电网牛拉法提供合理初值并提高牛拉法收敛速度。

基于多场耦合建模的发动机半主动悬置参数识别

针对半主动悬置优化中存在的多场耦合精确建模的难题,采用ADINA软件,建立了半主动悬置液固气三相耦合仿真模型,通过关键参数的辨识和准确提取,获得了半主动悬置的集总参数模型,并研究了其动特性。结果表明:基于ADINA的液固气三相耦合仿真模型,能快速、准确提取集总参数模型的关键参数,实现半主动悬置动特性的准确预测。通过试验验证了多场耦合建模和动特性分析方法的正确性,为汽车发动机半主动悬置的正向开发与结构优化提供了可行的方法。

计及磁路耦合的三电平逆变器并联环流特性

大功率单机光伏并网逆变器通常采用三相三磁柱式耦合电抗器以降低整机成本并提高系统功率密度,然而三相磁路耦合会使三相系统的零序回路特性与3个单相电抗器构成的系统存在明显差异,并对并联系统的零序环流产生很大影响。基于三相三磁柱式耦合电抗器的磁路结构和相应的电感电压方程,建立了考虑三相磁路耦合特性的三相T型新能源并网三电平逆变器零序环流模型,分析了三相三磁柱式耦合电抗器的使用,以及三电平逆变器本身控制的复杂性导致零序环流发生变化的机理,指出了现有三相三磁柱式耦合电抗器对T型三电平逆变器并联系统,尤其是多台逆变器分时启停、无功功率突变等环节存在过流并损害功率开关管的安全隐患,最后通过系统仿真与并联样机实验充分验证了理论分析的正确性和有效性。

一种应用于轨道交通的Z型三相结构无接触供电系统

提出一种适用于轨道交通无接触供电(WPT)系统的新型松耦合变压器结构,沿轨道敷设的一次侧发射线圈是一种三相Z型结构,首先分析了一次侧和二次侧线圈的电磁耦合作用,得到一次侧和二次侧线圈的等效互感,计算了互感模型下二次侧线圈映射到一次侧的等效阻抗。在Maxwell中搭建了三相松耦合变压器模型,得到了一次侧线圈的电磁参数,利用PSIM分析了系统功率输出特性。结果表明提出的Z型三相松耦合变压器结构具有电磁耦合性能好、空间容错性强和系统阻抗对称的特点。

降雨入渗条件下双层非饱和土边坡渐进性破坏数值分析

为了研究降雨入渗引起的双层非饱和土边坡的破坏机理,提出了渗透变形水-土-气三相耦合的有限元数值分析方法。计算程序中通过采用合理的非饱和土弹塑性本构模型,使其可描述双层非饱和土边坡在降雨入渗时的渗透-变形耦合力学特性变化,进而更加清晰明了地阐述非饱和土边坡的破坏机理。以2层不同湿密度的非饱和砂土边坡的模型实验作为研究对象,采用所提出的数值计算方法对不同降雨强度(50、100 mm/h)与双层坡角(59°和68.3°)等4个工况进行了数值模拟分析。与试验结果对比可知,数值模拟结果可以很好地再现试验观测现象,包括不同工况下的孔隙水压力变化、破坏时间。计算结果表明:1)由于2个土层的透水系数有所差异,水在2个土层之间的水分迁移较为缓慢。2)坡角越小(59°)或者降雨强度越小(50 mm/h),边坡破坏所需要的时间越长。3)在降雨过程中塑性破坏是从边坡左侧的坡趾附近开始,逐渐延伸至坡顶,最后形成一条贯穿整个边坡的塑性剪切带。4)边坡左侧的土体整体沿着滑动带向下滑动。在降雨强度较大(100 mm/h)的情况下,边坡滑动的规模相对较小。

外界载荷对圆柱涡激振动能量转换的影响

为了提高涡激振动的能量收集效率,研究外界载荷对三相耦合圆柱绕流涡激振动能量转换的影响.使用矩阵法分析外界载荷对涡激振动能量转换系统阻尼和固有频率的影响,并使用准稳态近似理论推导获得机电耦合系统电压输出的准稳态解析式.在此基础上,应用OpenFOAM开源平台对Navier-Stokes、二阶范德波尔方程和高斯定律进行涡激振动耦合计算.结果表明:当外界载荷增大时,系统阻尼先增大后减小,圆柱振幅曲线峰值和锁振区域先减小后增大,输出电压和电压曲线的锁振区域相应增大,而固有频率基本不变;系统输出功率随着载荷的增大出现先增大后减小的趋势;当满足98<Re<103时,输出电压及功率较大,可以实现圆柱涡激振动高效率的能量转换.

基于FLUENT软件的GMAW焊熔池动态行为数值分析模型

基于FLUENT软件,建立了适用的熔化极气体保护焊(gas metal arc welding,GMAW)熔池动态行为数值分析模型,该模型考虑了气—液—固三相耦合.将电弧热输入视为双椭球体热源模型,将电弧等离子体描述为高速流向熔池的氩气,其流速呈高斯分布,流速峰值依据焊接电流确定,电弧压力与电弧等离子体对熔池表面的切应力在计算过程中获得;将熔滴过渡视为高温液态金属从熔池上部一定区域以一定速度流入熔池过程,通过对流速施加时间脉冲函数表征熔滴过渡频率.利用该模型对不同条件下GMAW焊熔池热场及流场进行模拟计算,并分析其流体动力学特征.结果表明,模型能够合理地反映熔池动力学特征,同时还提高了计算效率.

电弧炉电极调节系统的模糊解耦控制器

由于电弧炉三个电极之间存在耦合作用,严重影响了三相电极的控制效果,而普通单相控制方法因未考虑耦合易出现较大的失调。本文在分析三相电极耦合关系基础上,推导出电流补偿解耦方法。该方法对电极解耦有理论意义,但补偿系数与弧长实时相关且计算量较大。故在电流补偿解耦方法基础上又引入了单输入双输出的模糊器进行补偿解耦。通过Matlab/Simulink软件对其解耦性、抗干扰性进行仿真并对现场采集的数据进行解耦前后的比较,结果表明模糊补偿解耦器能消除三相电极之间的强耦合作用,提高电弧炉炼钢效率及降低能耗。

电弧炉电极调节系统模糊自适应PID控制器设计

电弧炉炼钢系统是一个非线性、强耦合、多变量的系统,采用传统的PID控制很难取得理想的控制效果。基于恒阻抗控制策略,运用模糊数学的基本理论和方法设计模糊自适应PID控制器,该控制器可实时调整PID参数,使电极调节系统工作在最佳状态。仿真结果表明控制器能够有效地调节电极的升降,将电弧的弧长控制在期望值,可有效降低能耗,提高炼钢产品质量。

固着液滴蒸发研究进展及展望

固着液滴是指附着于壁面上的液滴,其蒸发行为及传热传质特性是喷雾冷却、喷墨打印等相变传热传质领域的基础问题之一。重点针对固着液滴蒸发过程所涉及的自身形态演变规律、气液固三相耦合传热/传质/流动特性进行了综述。结合毫微尺度固着液滴基本蒸发模式、热质传递形式、气液两相流动特征和界面输运行为,分析了液滴性质、壁面条件、气相环境条件等关键因素对固着液滴蒸发过程的内在作用机制和影响规律,提出了微纳尺度固着液滴(群)热质传递过程与机理的相关研究展望。

煤粉爆炸宏细观四阶段反应机理

煤尘爆炸的突发性和不稳定性严重制约了我国矿井的安全开采水平,研究煤粉爆炸反应机理,揭示爆炸各阶段宏细观反应本质,对指导爆炸预防和控制具有重要理论意义.本研究总结了煤粉爆炸宏观特性和微观机理发展现状,并从宏细观角度讨论了煤粉爆炸全过程,提出了包括热激发、气-固-液三相耦合、煤粒间能量传导连锁以及反应终止四阶段煤粉爆炸机理,得到了各阶段爆炸反应特征.研究结果表明:热激发阶段煤粒吸收热量裂解,生成小分子烃类气体和自由基片段;气-固-液三相耦合阶段发生气-气、气-液、气-固、固-液及固-固基元反应,释放热量并以冲击波气流和高温火焰的方式向四周热辐射扩散,引起未燃煤粒循环热激发和气-固-液耦合过程,加快反应进程,引起爆炸.随着反应进行,体系内未燃煤粒数量与氧气含量下降,反应所需自由基产量和放热量减少,基元反应中断,爆炸过程趋于结束.本研究可为完善煤粉爆炸反应机理提供理论基础和科学指导,以实现爆炸能量防控与利用的目标.