可压缩非守恒两相流模型

可压缩非守恒两相流模型广泛应用于电力、核能、化学工艺、油气、低温空间、生物医学、微技术等。本文主要介绍流体压强相等且有毛细管效应、压强不相等且无毛细管效应、压强相等且无毛细管效应这3类可压缩非守恒两相流模型及其相关研究成果。特别地,2种流体压强相等且无毛细管效应的高维可压缩非守恒两相流模型的线性系统含零特征根,使得该问题的数学分析变得十分复杂和困难,至今,该模型无任何数学成果,这将是今后工作的重点。

面向控制的一维非等温两相流燃料电池模型研究

经验模型不能反映电池内部复杂的物理化学耦合过程及其导致的响应迟滞,这给燃料电池系统精确控制策略的开发带来了一定困难。针对此问题,建立了面向控制的一维非等温两相流模型,考虑了流道内气体瞬态效应、电池内部水相变,研究了电流密度对气体浓度以及水热分布特性的影响,分析了运行条件和模型参数对电池输出电压的影响,探究了电流阶跃下该模型相比于集总参数模型在输出性能方面的优势。结果表明,该模型具有更好的适用性,可为燃料电池系统层面的模型优化及控制策略设计提供可靠依据。

基于可压缩两相流模型的注射成型填充模拟

基于现有的超算平台及有限体积法计算程序,开发了一种用于注射成型的三维数值模拟计算模型。该模型数值方法基于可压缩两相流,考虑了熔体和气体的密度变化,即将熔体和空气这两种不同性质的流体,采用同一套控制方程进行计算。采用有限体积法进行离散,通过压力隐式算子分割算法(PISO)求解压力-速度耦合方程组,结合流体体积(VOF)法进行界面追踪。首先模拟了带圆柱嵌件的平板型腔填充过程,采用六面体为主导的方法划分了三种不同网格系统,定量比较三种网格下的速度基本一致,从而验证了网格的收敛性。考虑到计算效率,选取M2(网格数为106876个)网格系统,模拟了温度、剪切速率和压力在不同截面上的分布。结果表明,在填充时间(t)为0.6,0.8,1.4 s时刻下熔体流体前沿的界面追踪模拟与实验吻合;在更复杂的不均匀厚度凹槽平板熔体填充模拟过程中,塑料熔体注入型腔时,会先在薄壁凹槽内流动,随后流进厚壁区域。在t为0.125,0.25,0.375 s时刻下的流动前沿会产生形状像喷泉的流锋,这种流动现象可以通过三维模型预测,与商业软件仿真结果呈现基本一致。随着填充速率的增大,注射压力数值与Moldflow结果更接近。

可压缩非守恒型两相流模型的GKS方法

提出一种求解BN非守恒型两相流模型的方法.从微观角度出发,构造与BN模型相匹配的Gas-kineticscheme(GKS),通过对粒子速度分布函数积分求矩得到通量,把非守恒项直接包含到数值通量的演化和构造中,较好地处理了方程中包含的非守恒项.数值试验说明本方法的有效性.

非环状流气井两相流机理模型

针对目前气井两相流模型难以正确预测非环状流气井井筒压降和微观流动参数的问题,建立了非环状流气井两相流机理模型。首先基于液滴受力平衡和液膜桥接原理,提出了气井非环状流流型判别方法;其次根据非环状流中泰勒泡和液塞交替上升的流动特征,建立了单元体压降模型,封闭关系式中泰勒泡上升速度基于漂移模型得到,液塞含气率由Schmidt实验数据得到。38口非环状流气井数据评价表明,非环状流模型预测压降的相对误差仅为-1.464%。该模型能够精细描述非环状流气井多个微观参数,且计算简单。

两相流下岩石电性的三维网络模型模拟

为进一步认识岩石电阻率的影响因素及非阿尔奇特征,建立具有不规则孔隙截面的三维网络模型来反映储层岩石的孔隙空间,并通过流动模拟研究了岩石孔隙的空间拓扑特性、孔隙形状、润湿性以及孔隙尺寸分布等对电阻率的影响。观察到了I-Sw曲线的凹型非阿尔奇现象,分析讨论了饱和度指数n的变化规律,并给出了定性关系,为实际应用提供了理论指导。

基于相函数守恒关系的两相流基本方程研究

本文利用相函数守恒关系式和体平均方法建立了参量平均值的微分与参量微分平均值所满足的关系式，以局部守恒方程为基础，得到了两相流体力学的数学模型的另一种推导方法。

汽液两相临界流动的热力学非平衡两流体模型

提出了热力学非平衡两流体临界流六方程模型，并对汽泡增长方程，流体状态方程和基本结构关系式进行了改进。利用本模型成功地预测了本试验中的实验结果，并利用前人的实验数据验证了其通用性。此外还利用本模型分析了在临界流动中各参数的变化及破口通道长径比、破口通道直径，起始汽泡密度和汽泡直径对两相临界质量流速的影响。

PEMEC压缩阴极气体扩散层内两相传输特性的孔隙网络模拟

采用三维孔隙网络模拟方法对Toray 090型碳纸随机重构,分析了不同压缩率下质子交换膜电解池阴极气体扩散层(gas diffusion layer,GDL)的氢气突破压力、毛细压力分布、相对渗透率和相对扩散率随水饱和度的变化,并对氢气在阴极GDL中传输的传质关系式进行了研究.结果表明:根据孔隙网络模拟计算得到的数据重新拟合氢气传质关系式更适合描述氢气在阴极GDL中的传输;不同压缩率下,氢气在GDL中的传质性能参数(相对渗透率和相对扩散率)几乎不变;随着压缩率的增大,氢气在GDL中传输的阻力也随之增大,导致产生的氢气在质子交换膜界面的压力增大,氢气更容易从阴极跨膜渗漏到阳极.

底部点火装药结构两相流内弹道模型及计算

本文给出了底部点火装药结构两相流内弹道理论模型和计算步骤,并编制程序对两种火炮进行了数值分析。实践证明,对于点火波阵面的传播、膛内压力波动等一系列问题,理论结果与实验结果符合得很好。该模型及计算程序可用于装药结构和点火方式的理论预测、筛选,进行装药的安全性能分析和可靠性设计。

多孔介质两相流耦合地应力问题的 非线性混合有限元方法

研究了一种描述地质储层中两相流体流动与地应力耦合的非线性模型,推导了以流体饱和度、压力、速度与结构位移为未知量的耦合控制方程,结合混合有限元与标准线弹性有限元,建立了两相流耦合地应力模型的非线性有限元离散格式,保证了流体在局部单元中的质量守恒,提出了相应的算法流程。通过对均匀地质区域水驱油模型的数值实验,验证了算法的正确性,并进一步给出了带裂缝区域的模拟计算,得到了流体饱和度的高分辨率分布,这表明所提出的方法能准确捕捉带裂缝非均匀地质区域中流体的复杂物理力学行为。

油气分离器内气液两相流的数值模拟

用DPM模型对油气分离器内的气液两相流流场进行了数值模拟。对计算结果分析发现,除了离心力作用可以增强分离效果外,气流在壁面上的碰撞过程对提高分离效果也具有重要作用。据此提出的改型设计方案在工程试验中获得了更高的分离效率,证明本文数值模拟所用的计算模型能够满足此类计算的要求,计算后的机理分析也反映了流动的本质。

引水隧洞施工通风Euler-Lagrange两相流大涡模拟

目前,地下通风两相流研究主要集中在矿井巷道通风且研究多采用雷诺时均法,无法准确获取湍流瞬态信息以及尘粒在湍流脉动影响下的瞬时运移规律.本文基于分子动理学理论,建立考虑热交换的三维非稳态EulerLagrange两相流颗粒轨道大涡模型,实现了对引水隧洞施工通风两相流的大涡数值模拟,揭示了引水隧洞风流场瞬态发展机制及颗粒在大涡结构影响下的运移规律,并验证了模型的准确性.运用该模型模拟某水电站引水隧洞施工通风排尘过程,结果表明:大涡模拟能捕捉到湍流脉动细节,结果较雷诺时均法更接近实际;通风可有效降低工作面附近温度;颗粒分布由初始的颗粒簇逐渐弥散,最终对隧洞全断面造成污染;通风3,700,s后,绝大多数颗粒从隧洞出口排出.

一维两相同向渗吸模型的求解方法

渗吸作用是裂缝性储层提高原油采收率的重要机理,润湿相在毛细管力、重力的作用下进入储层基质,通过同向或逆向渗吸作用置换基质内的非润湿相。基于渗吸模型的局限性,文中推导了一维两相同向渗吸模型的通式,在相对渗透率曲线和毛细管压力曲线简化的基础上进行无因次化处理,并采用差分法进行了求解,获得了饱和度前缘移动曲线。采用COMSOL软件,对上述模型进行结果验证,并与逆向渗吸模型进行了对比。结果表明:COMSOL求解结果与文中求解结果近似,同向渗吸模型饱和度前缘推进速度比逆向渗吸更快,同向渗吸效率更高,采出原油更多。在裂缝性储层、常规甚至致密储层中,如果采用体积改造,密集切割储层基质,形成裂缝网络,则可发挥同向渗吸作用,提高原油采出程度。

大坝非恒定泄水中的超饱和气体模型研究

基于气体向气泡界面和水体表面传质的机理,针对大坝下游溶解气体过饱和的数值模拟,分析大坝非恒定泄水过程中流量的改变对过饱和气体浓度的影响.引入溶解气体对流扩散输运方程,建立三维紊流两相流模型,用于模拟气泡在水体中的运动和溶解.选用美国麦克纳里大坝非恒定泄水进行过饱和气体模拟预测,并与实测值进行比较,结果表明,所建立模型的可靠性及其相关应用有效.

冰区船舶换热器中两相流传热特性的仿真与实验研究

为了防止冰区船舶在航行时换热器发生冰堵,以管壳式换热器管程换热管为研究对象,通过编译UDF程序,在CFD软件FLUENT中将传热传质模型嵌入欧拉-欧拉双流体模型对海水-冰晶两相流在水平换热管内非等温流动的传热特性进行数值模拟,同时采用实验测试系统展开实验对照.结果表明:恒定热流密度边界条件下,在入口含冰率IPF=0%~30%,U=1~3 m/s范围内,海水与冰晶之间的传热传质过程随流速、冰晶体积分数,以及热流密度的增加而增强,局部平均传热系数随入口流速和含冰率增加先增加最终趋于稳定.由于换热管直径相比于海水管道相对较小,对于换热管中两相流的非等温流动采用实验和理论相结合的研究方式具有很重要的意义.

具非凸流函数守恒律周期解渐近性质

讨论具非凸流函数双曲守恒律周期解的渐近性质，得到较以往更为一般的结果。

基于CFD技术的调速型液力偶合器两相流分析方法研究

调速型液力偶合器广泛应用于重型刮板输送机的软启动,当处于部分充液状态时,工作腔内流体为复杂的气-液两相环流运动。为了对调速型液力偶合器内流场两相流分布特性进行分析,应用计算流体动力学软件CFX,对单流道流场采用混合出、入口及边界循环条件,分别基于CFX软件中的均一化和非均一化两相流动假设对20%,50%,80%充液率时的工况进行了内流场数值模拟,获得了2种两相流动假设下不同充液率及不同速比下的转矩传递特性曲线,并重点分析了采用非均一化两相流模型时的体积率的分布特性。CFD分析结果很好地实现了对工作腔内气-液两相环流在不同工况下的分布特性与转矩传递特性的预测,为调速型液力偶合器的选型与设计提供了可靠的数值计算方法与理论依据。

流线数值试井解释模型

考虑到生产历史、油藏非均质、多井以及油水两相流等特征建立了数值试井解释模型(包括生产阶段和关井阶段),采用快速、稳定的流线方法进行求解,得到关井测试时的压力场、饱和度场和流线分布,沿每条流线建立流线数值试井解释模型,并对由测试井发出的所有流线进行联立求解,得到关井后的压力响应。对压力响应和测压数据进行自动拟合或手动拟合,可得到试井解释参数。理论和应用实例验证了本方法的可靠性及实用性。

考虑非弹性碰撞的低浓度固液两相流动理学模型

用修正的BGK模型模拟粒间非弹性碰撞效应,用Fokker-Planck扩散算子描述湍流-颗粒作用,建立了低浓度固液两相流颗粒相的模型动理学方程和宏观水动力学方程组.运用Chapm an-Enskog迭代法获得动理学方程的二阶近似解,建立了颗粒相脉动应力和脉动能传导通量的显式本构关系.建立的动理学模型在颗粒近乎弹性条件下简化为已有的模型,为固液两相流模拟提供了一个实用模型.