一种新的固液共轭沸腾传热LB模型

为了避免沸腾传热格子玻尔兹曼(LB)模型中因固液能量传递速率一致而导致的模拟误差,尝试性地将温度弛豫时间τT引入到固体和液体的物性参数λ、cp中,成功获得了不同的能量传递速率,得到了一种新的固液共轭沸腾传热格子玻尔兹曼伪势模型。在验证了模型的准确性、稳定性和合理性后,采用固液共轭传热模型和原始伪势模型对不同润湿性表面的沸腾传热过程进行了数值模拟。结果表明:由于原始伪势模型忽视了固、液区域不同的传热能力,导致计算获得的气泡根部周围存在范围较大的低密度相变区,该区域的存在对气泡产生了额外相间作用力,大大改变了气泡的壁面接触角。而共轭传热模型通过引入温度弛豫时间函数实现了对固体和液体区域不同的热物理性质的表征,获得的低密度相变区范围很小,程度更低,壁面接触角更接近于设置的气泡接触角。在除超亲水表面外的其他润湿性表面,共轭传热模型获得的实际接触角的最大相对误差为8.6%,较原始伪势模型降低了9.8%,更能准确地描述实际的沸腾换热微观过程。

基于幂律液固曳力模型流化床内湿颗粒流动特性的研究

采用欧拉-欧拉双流体模型(TFM)结合颗粒动理学理论(KTGF)方法,对三维幂律流化床中的液固两相流动行为进行了模拟。基于幂律流体的流变方程以及压降方程,提出了两种幂律液固曳力模型,引入了考虑液膜效应的湿颗粒动态恢复系数模型,计算幂律流体与湿颗粒之间的作用力。将预测固含率分别与文献中测得的实验数据进行比较,结果表明结合动态恢复系数模型的相对误差介于0.45%~1.59%,与实验结果吻合较好。探究了稠度系数K以及流性指数n对颗粒流动特性的影响,结果表明随着流变参数的增大,床层内的颗粒平均浓度降低,湿颗粒表面液膜逐渐变厚,法向恢复系数降低;颗粒拟温度随n的升高先增大后减小,随K的上升而增大;曳力系数、颗粒压力以及颗粒黏度均随流变参数的增大而逐渐减小。颗粒在壁面处的浓度明显高于中心处附近的浓度,且颗粒在中心处向上运动,在壁面处附近回落,在流化床中形成环-核结构。

固液平衡模型研究进展

对固液平衡模型进行了综述,主要包括经验模型法、活度系数法、状态方程法、拓扑法、人工神经网络法。分析了各种模型的适用性。研究可应用于宽范围体系的模型以及借鉴其他领域的研究方法是固液平衡模型的发展方向。

卡鲁塞尔氧化沟液-固两相流动混合物模型与两相水力特性模拟

采用CFD数值计算的方法研究了卡鲁塞尔氧化沟工艺的污水-污泥两相水力特性.将污泥沉降模型进行湍流影响修正后与两相湍流混合物模型耦合,建立了氧化沟液固两相湍流混合物模型,实现了垂向上液固两相运动的分离;利用计算流体软件Fluent对工业规模污水厂氧化沟的污水-污泥两相流速进行模拟,结果表明,两相流混合物模型较好地揭示了氧化沟内混合液流场和污泥的分布情况,污泥浓度与流速呈负相关.

城市雨洪排水管道中固液两相流模型

针对城市排水系统中固废物的输运及沉积机理进行了研究。根据固废物在管道中的输运特征及力学分析,提出了城市排水系统中固废物输运的固-液两相流模型。进一步,针对影响固废物输运的各种控制因素进行了数值分析,确立各影响因素间的相互关系,并建立起预测模型。研究结果揭示了固废物在排水系统中的输运机理,这对排水管道设计具有重要的指导意义。

斜板取水头部液固分离模型相似水力计算

斜板取水头部能以重力分离液体中的固体颗粒,在河流中取水,则是一种自动除沙器。本文简述了颗粒在斜板上的速度分解,隔层高度和沉降速度的关系式,并着重阐述了斜板取水头部模型相似水力计算和校核方法,研究了原型和模型的水流、泥沙、构筑物之间的关系。可借以确定模型尺寸和其它物理量,并附有计算实例,为检验设计或工程改造提供了参考依据。

矩形圆弧角养殖池系统固液两相流数值模型的构建与进径比影响研究

为研究单通道排污的矩形圆弧角养殖池系统集排污性能,采用RNG k-ε湍流模型与DPM模型相结合的方式建立固-液两相流动的数值计算模型。在试验验证的基础上开展单管入流模式下,进径比(参数C/B,C是射流孔位置到养殖池壁的水平距离,B是养殖池短边边长)对单通道排污的养殖池系统内沉降式固体颗粒物的汇集规律和排出效率进行研究。结果表明,养殖池系统的集排污性能与养殖池内尤其是池底的流场条件密切相关。基于进径比参数C/B的调整可优化池内及池底的流场条件,进而提高养殖池系统的集排污性能。研究表明,进径比参数C/B=0.03时,即有利于养殖池系统获得最佳流场条件又可明显提高养殖池系统的集排污性能,对工厂化循环水养殖系统构建具有重要价值。

流固藕合多相多组分渗流数学模型的建立

在油藏开采过程中,由于孔隙流体压力发生变化,引起岩石骨架有效应力改变,导致岩石骨架变形,因而在孔隙流体和岩石骨架之间存在强烈的藕合作用.本文根据流固藕合渗流的基本思想,首次建立了流固藕合渗流的运动方程,并在此基础上建立了流固藕合多相多组分渗流的数学模型.

含液体松质骨的压缩实验分析

在本文中 ,假设不含液体松质骨为线弹性体 ,以及松质骨固液两相结构特性 ,建立了含液体松质骨的单向压缩本构方程 ,其形式与三参量线粘弹性体的本构方程相同 .并通过拟合实验结果 ,得到本构方程中有关参数的值 .

直流电弧炉钢棒式底电极传热与流动数学模型

为了深入了解直流电弧炉水冷钢棒式底电极的传热过程,根据底电极的炉底结构结合相应的边界条件,建立了基于流动的二维轴对称固液相变传热数学模型。推导了考虑水冷铜套和电极之间空气隙影响的等效对流换热系数以及通电时的径向和轴向电磁力方程。模型中考虑了底电极从固态300 K到液态2 000 K过程中钢的物性的连续变化。利用所建模型,可以数值模拟直流电弧炉单炉冶炼、双炉冶炼的非稳态传热过程以及考察计算参数和结构改变影响的稳态传热过程,为改善电弧炉的安全性、提高工作效率提供理论依据。

水沙两相浑水模型的紊流封闭及初步验证

一些学者采用两相浑水模型模拟挟沙水流运动,但其紊流封闭仍借用经验公式、单相紊流模型或双流体紊流模型,未形成两相浑水理论框架下的紊流模式。本文基于双流体紊流模型推导出固液两相浑水紊动能和紊动耗散的偏微分方程,给出固相偏移紊动能的渐近解,以表示固相紊动能与固液两相浑水紊动能的相对差,继而推导出固相紊动耗散的代数表达式,完成对固液两相浑水模型的紊流封闭。固液两相浑水紊流模型能够考虑相间作用和颗粒碰撞等物理机制,保留了双流体紊流模型能够分别计算固、液相各自紊动信息的特点,又将偏微分方程数量减少一半。采用河流动力学绝对含沙量分布的计算方法,并引入各向紊动强度分配系数进行修正后,利用实验资料对两相浑水紊流模型进行验证,计算结果同实测值符合较好,结果表明本文模型能反映出随着泥沙浓度增加,挟沙水流紊动抑制加剧的现象。

全平衡卷扬式垂直升船机液压动态调平下的纵倾稳定特性研究

针对全平衡卷扬式垂直升船机在液压动态调平下的纵倾稳定性问题,对承船厢的纵倾稳定性、钢丝绳临界吊点中心距的计算、各子系统的稳定特性及响应快速性进行了研究,提出了一种承船厢耦合系统纵倾稳定特性的分析方法。建立了浅水晃动子系统、液压调平子系统、主提升机械子系统与承船厢结构子系统相互耦合的机-液-固-流耦合系统动力学模型,并运用变步长龙格库塔法对耦合系统进行了位移响应计算。研究结果表明:龙格库塔法计算的临界吊点中心距与李雅普诺夫运动稳定性判据得到的结果接近,误差小于4%;各子系统中最容易失稳的是浅水晃动子系统;响应调整至稳态的速度由快到慢依次为液压调平子系统、承船厢结构子系统、主提升机械子系统与浅水晃动子系统。

凝相粒子相变及微观传热对喷管内两相流动换热的影响规律研究

固体火箭发动机喷管燃气中氧化铝凝相粒子与环境间的传热及凝固过程影响了喷管两相流动换热过程。构建了凝相粒子的微观传热模型—粒子与环境间的对流换热、辐射换热及液-固相变模型,并将粒子微观传热模型与喷管内一维两相非平衡流动模型进行耦合计算,获得了考虑凝相粒子相变及微观传热对喷管内非平衡两相流动传热的影响规律。结果表明:基于Drake模型计算喷管内粒子与环境间对流换热的精度最高,对于粒子而言辐射传热远小于对流传热,占比仅为0.041%。考虑粒子液-固相变时,计算得到的气相和凝相粒子出口温度显著高于不考虑相变的,而出口速度则略为升高。当喷管入口温度为3000 K时,与无相变的结果相比较,气相和凝固粒子的出口温度分别高出25.5%和26.7%,而出口速度则分别高出1.2%和0.5%。

基于CFD的进水管布设位置对沉降式固体颗粒排污影响的数值模拟

为研究不同进水系统结构对单排污通道矩形圆弧角养殖池内沉降式固体颗粒物排出效率的影响规律,优化养殖池进水结构并提高养殖池系统的集排污性能,运用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真技术构建固-液两相流数值计算模型,研究了弧壁单管和直壁单管养殖池系统内不同密度(1100、1200、1300、1400、1500 kg/m^(3))和粒径(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 mm)的沉降式固体颗粒物的排出效率。结果表明:固体颗粒物的最终排出率与进水管布设方式及自身属性(密度与粒径)均相关;对于不同密度的颗粒物而言,弧壁单管进水模式下,5种密度的固体颗粒物的最终排出率较直壁单管进水模式平均提高28.60%,且随着密度的增加固体颗粒物的最终排出率呈现先增大后减小的趋势,直壁单管进水模式下,颗粒物的排出率随颗粒物密度的增加而降低;对于不同粒径的颗粒物而言,弧壁单管进水模式下,7种粒径的固体粒子的最终排出率较直壁单管进水模式平均提高38.32%,两种进水模式下,固体颗粒物最终累计排出率均随颗粒物粒径的增大呈现先降低后增加的趋势。研究表明,进水管布设于弧壁位置(进径比C arc/B arc=0.01)能够有效提高沉降式固体颗粒物的排出率,本研究结果可为优化工厂化循环水养殖池系统的集排污性能提供参考。

预测轻烃分离装置中CO_2结冰温度的高精度相平衡模型

在轻烃深冷分离工艺中,CO_2易从气液相中析出并结冰,从而发生CO_2冻堵,影响生产装置的正常运行,因此预测天然气系统中CO_2结冰温度具有重要的意义。目前,计算CO_2气液相结冰温度的主流方法为状态方程法,但其对CO_2液相结冰温度计算精度欠佳。为此,从热力学方法出发,采用新颖的GERG-2008状态方程计算CO_2结冰温度,建立了虚拟流体参考态求解固态逸度的方法,改进了传统的CO_2液固相平衡模型,并将其从简单的CH_4—CO_2二元体系拓展应用于真实的多组分天然气复杂体系研究。通过大量模拟计算并与实测数据对比,结果表明:采用改进了的相平衡模型,即气固和液固相平衡中分别运用Antoine方程和虚拟流体参考态法计算CO_2固态逸度系数,求出的CO_2气液相结冰温度比传统相平衡模型计算结果有更高的精度,可为天然气轻烃回收装置防止CO_2结冰工艺条件的设计提供参考。

石灰石消溶的液固反应模型及消溶速率

基于单颗粒消溶的缩核模型,建立了酸消溶石灰石反应在液膜传质和化学反应共同控制条件下的颗粒群的液固反应模型。实验研究了五种石灰石样品在不同温度、不同pH值和不同粒径分布下的消溶过程,模型理论计算与实验进行了验证,得到了不同种类的石灰石在不同反应条件下的平均整体反应常数k_m,且k_m是一个与反应条件相关的特征数。通过实验数据和理论模型对反应过程中的整体反应常数进行反推,发现同一反应条件下k_m随时间不断缩小并趋于常数,但粒度分布不同和产地不同的样品在相同反应条件下的整体反应常数相差不大。

长宽比对双进水管结构矩形圆弧角养殖池排污特性的影响

为探究长宽比参数(即L/W,L为养殖池长边,W为养殖池宽边)对双进水管结构矩形圆弧角养殖池排污特性的影响,构建了固-液两相流数值计算模型(DPM离散项模型与RNG k-ε连续相模型),定义了适用于较大长宽比养殖池排污模拟的粒子重叠撒布方式,在L/W为1.0~1.9工况下,对两种进水管布置方式(进水管布置在长边中心和宽边中心)的养殖池排污效果进行了数值模拟试验。结果表明:L/W=1.0~1.5时,两种进水管布置方式的养殖池内粒子排除率均可达95%以上,随着长宽比的增加,养殖池内的排污效果变差;L/W=1.6~1.8时,进水管布置在长边中心时,未能排除的粒子在养殖池内汇聚更为集中。研究表明,在实际矩形圆弧角养殖池建设过程中,为使养殖池具有良好的排污性能和提高场地利用率,可选择L/W=1.0~1.5的池形进行建造。

风化壳淋积型稀土矿浸取过程的模拟计算研究Ⅰ:液-固萃取模型

风化壳淋积型稀土矿物中稀土元素主要富集在以高岭土为主的粘土矿物中,目前主要通过原地浸矿工艺开采。开采过程中,浸矿液自矿体顶部注液孔流至矿体底部或集液巷道的过程中,不断交换浸出粘土中的稀土离子,其过程可视作液-固萃取,因此可通过其中的萃取平衡和物料平衡关系进行模拟计算。介绍了一种基于液-固萃取模型的风化壳淋积型稀土矿柱浸过程模拟计算方法,并探讨了离子交换反应系数、浸矿剂浓度、原矿品位等因素对于浸矿效果的影响。计算表明:铵根离子具有较强的交换浸出稀土的能力;浸出液所能达到的理论浓度峰值主要决定于浸取液中初始硫铵浓度;浸矿所需顶水理论注入量可依据矿体饱和含水率估算,并进而通过模拟计算的浸矿液/顶水比计算所需浸矿液注入量;浸矿液硫铵浓度越高,原矿稀土品位越低,则稀土离子穿透曲线浓度峰值持续时间就越长,之后浓度下降速度也越快,同时浸矿液/顶水比以及硫铵投入/稀土产出比也越小,说明浸矿剂利用效率越高。

风化壳淋积型稀土矿浸取过程的模拟计算研究Ⅱ:存在“返混”的液-固萃取模型

风化壳淋积型稀土矿物中稀土元素的浸取可视作一种液-固萃取过程,可通过其中的萃取平衡和物料平衡关系进行浸取行为的模拟计算。前文介绍了一种基于一定假设的风化壳淋积型稀土矿柱浸过程液-固萃取模型计算方法。本文基于土壤水动力学中关于土体水份的形态分类原则,对前文假设进行了适当修正,进而建立了考虑“返混”的风化壳淋积型稀土矿液-固萃取模型计算方法。修正的模型将土体中存在的水份分为滞留水和流动水两类。通过模拟计算探讨了不同滞留水比例,以及考虑滞留水时离子交换反应系数、浸矿剂浓度、原矿稀土品位、矿土饱和含水率等因素对于浸矿效果的影响。计算结果显示:较大的滞留水比例、较高的原矿稀土品位、较小的离子交换反应系数和较低的浸矿剂浓度均会使所需注入的浸矿液体积增加,但所需顶水体积变化不大,始终与矿土饱和持水量相近;而矿土饱和含水率的不同对于浸矿剂硫铵的消耗需求影响不大,但线性改变顶水量需求;先浓后淡注液方式使浸矿剂的浸取效率降低,并增加所需浸矿液注入量,未显现更为优异的工艺效果;滞留水所占比例越大,浸出液中稀土峰值浓度越低,但浸矿液中的初始硫铵浓度应仍为浸出液中稀土浓度峰值的主要决定因素。

风化壳淋积型稀土矿浸取过程的模拟计算研究Ⅲ:考虑级间离子扩散的液-固萃取模型

风化壳淋积型稀土矿物的柱浸过程可视作一种多级连续的液-固萃取操作,并通过其中的萃取平衡和物料平衡关系建立其模拟计算方法。在稀土矿物的液固萃取过程中,浸矿液中离子除所在矿柱级内部扩散并进行离子交换反应外,还将发生邻级矿柱间的浓差扩散,从而改变浸矿剂和稀土离子在矿柱中的浓度分布。基于菲克扩散定律建立了一种考虑级间离子扩散的风化壳淋积型稀土矿液固萃取模拟计算模型。计算结果显示,矿土渗透系数减小,扩散作用效果增大,浸矿剂利用效率下降;矿土中存在的滞留水可阻滞浸矿液中离子向前的扩散进程,但可促进浸矿液中离子向后方顶水中的运移;对于具有不同渗透性的等柱高矿土,渗透系数越小,可因增加矿柱级数提升浸矿剂利用效率,但也将因级间扩散作用更显著而产生相反的影响效果;浸矿剂浓度较高时级间扩散作用更显著,但仍可保持较高的浸矿剂利用效率,并增加浸出母液稀土浓度,减少浸矿液注液量。