油页岩原位注蒸汽开发的固-流-热-化学耦合数学模型研究

针对目前传统地面干馏油页岩技术中存在的高成本、高污染问题,提出了对油页岩进行原位注蒸汽开发的新方法.并利用太原理工大学研制的高温高压干馏釜对油页岩进行了高温高压蒸汽作用下油页岩干馏渗透实验.结果表明:高温高压蒸汽作用下油页岩会产生大量的孔隙、裂隙,从根本上提高了油页岩的渗透性;主要利用对流传热的方式,高效率地加热了油页岩并带走页岩油.同时,在复杂理论分析的基础上建立了油页岩原位注蒸汽开发过程中的固、流、热、化学耦合数学模型,包含了众多的耦合项作用,为分析解决油页岩原位注蒸汽开发过程中的复杂物理化学过程提供了理论依据.

热-流耦合与热-流-固耦合作用下的水气交替及间歇注入对咸水层CO_(2)溶解封存的影响

基于TOUGH+软件架构,结合更为准确的物理性质计算模型,建立了适用于咸水层CO_(2)封存的热-流耦合模拟方法,并使用固定应力分割迭代耦合模型将其与RGMS软件耦合,改进了热-流-固双向耦合模拟方法,建立了准确性更高的热-流-固迭代耦合模拟方法。基于鄂尔多斯盆地地质特征构建的地质模型,使用热-流与热-流-固迭代耦合方法模拟咸水层CO_(2)溶解封存过程,研究了水气交替及间歇注入方案对CO_(2)溶解量、孔隙压力和地层形变的影响。结果表明:热-流-固迭代耦合模拟能帮助设计更加合理的注入方案;仅用水气交替注入方式可提高CO_(2)溶解量;间歇注入有助于孔隙压力与地层形变恢复。研究结果可为咸水层CO_(2)溶解封存提供理论指导。

考虑热-化学耦合的NEPE推进剂固化过程数值模拟

采用热-化学耦合模型表征热传导和固化动力学反应,利用物理试验测定硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂在不同固化度下的热参数和密度,研究了NEPE推进剂药柱在固化过程中温度场和固化度的分布和演变规律。结果表明,因推进剂固化反应的生热速率与外界热量传递速率存在差异,导致固化过程中出现内部温度场和固化度场分布不均匀的现象。固化时间为1~4 d时,药柱中心位置的温度较高(最高57.6℃),外侧较低;固化时间大于等于5 d时,药柱温度场慢慢与环境温度(50℃)趋向于平衡。推进剂固化度-时间曲线近似为“S”型,固化时间小于1 d时和大于4 d时,固化速率缓慢;固化时间2~4 d时,固化速率快。固体发动机的m数对推进剂固化温度和固化速率有一定影响,m数越大,推进剂的最高温度越高,同时温差也越大,温度差会导致推进剂药柱内部固化速率产生差异,造成推进剂达到指定固化度的时间变长。

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。

基于流-热-固耦合分析的数值模拟及结构优化

为解决等径T型管路应力过大问题,提出一种基于流-热-固耦合分析方法的优化方法对等径T型管结构进行优化。首先,基于流、固力学理论建立T型管多场耦合的数学模型和物理模型,对T型管内流体的速度温度变化情况和管路的等效应力的分布情况进行仿真模拟,在仿真结果的基础上对管路进行结构优化。仿真结果表明:冷热流体的压力差会导致流体产生逆流现象,从而导致管路的上游区等效应力值增大。等径T型管的最大等效应力值出现在主支管交汇的下游内壁面处。优化后管路内壁面最大等效应力值下降约14%,可以有效地延长管路的使用寿命。该方法对提高气体管路设计的可靠性具有一定的实践意义。

基于流-固耦合的后处理系统热管理仿真分析

基于流-固耦合仿真方法,采用流体仿真软件STAR-CCM+建立卡车的整车三维辐射模型,仿真分析高速(车速为60 km/h)和驻车2种工况下后处理系统的流场和温度场,并开展后处理系统的热管理。结果表明:由于车速影响,传热损失增加,后处理系统的温度无法满足工作要求;在后处理系统增加保温层后,后处理系统固体壁面温度大幅提升,固体壁面最低温度在高速工况提高了58.83℃,驻车工况下提高了58.50℃;保温效果随着保温层厚度的增加而增加,但保温效果的提高幅度随保温层厚度的增加而减小。

基于孔-裂隙的煤层瓦斯抽采热-流-固耦合模型研究

为研究温度因素对负压钻孔抽采瓦斯的影响,建立了基于孔-裂隙双重多孔介质的热-流-固耦合模型,运用数值模拟手段,对比了不考虑温度因素下基于气-固耦合模型的瓦斯抽采特点和抽采效果。模拟结果表明:考虑温度因素影响所得渗透率结果更小,抽采卸压效果相对较弱;初始煤层瓦斯压力越高,煤层温度降低越明显;考虑温度变化影响,针对不同有效抽采半径R,进行了孔间距为2√3 R/3、2R、4R、6R的多钻孔布孔研究,得出有效抽采区域随抽采时间增加呈现由多个小圆柱状发展为一个大圆角三棱柱,最后趋向于一个规则的大圆柱状的变化规律。研究成果可为预抽煤层瓦斯前布孔设计工作及实际瓦斯灾害防控提供一定的参考。

深部煤层注气强化开采的流-固-热耦合数值模拟研究

为研究温度效应对深部煤层注CO_(2)增抽瓦斯的影响规律,根据煤体变形特征和瓦斯渗流特性基本理论,建立了同时考虑非等温吸附、二元气体竞争吸附、气体渗流和扩散、热传递和热对流的注CO_(2)强化煤层抽采的流-固-热耦合模型,探究了温度效应对煤储层参数和产气演化规律的影响。结果表明:煤层温度降低引起的煤基质收缩促进了CH_(4)解吸,忽略温度效应的流-固耦合模型会低估瓦斯产气量;在初始渗透率为3.95×10^(-17) m^(2),CO_(2)注气压力为8 MPa时,对于韩城矿区3#煤层埋深1400 m的深部煤体而言,考虑温度效应(319.5 K)的流-固-热耦合模型相比流-固耦合模型,瓦斯抽采3650 d,煤层平均瓦斯压力下降0.69%,A点渗透率增幅11.02%,产气速率增幅13.51%,累计产气量增幅13.76%。

船用三通调节阀流-固耦合噪声数值模拟

针对船用PN10DN32三通调节阀噪声声压频谱、声指向性等声学特性规律不明确,噪声声压级是否满足使用要求的问题,基于流-固耦合理论,同时考虑流-固耦合面及流体域内的脉动声学激励源,开展阀门噪声数值模拟研究。分别对三通调节阀在80%及60%开度阀外1 m处的噪声进行数值模拟,分析研究噪声声压频谱特性及声指向性规律。结果表明:80%及60%开度下的噪声声压级分别为49.14 dB(A)、50.79 dB(A),均小于60 dB(A)的噪声限制,满足使用要求。该文为船用三通调节阀噪声数值模拟提供了理论及方法参考。

基于电化学-热-力耦合模型的锂离子电池热失控研究

为提升锂离子电池的安全性能,减少由热失控导致的安全事故,分析电池温升的原因并有效降低其温度,依据电化学反应中浓度、电势与热模型中温度的相互影响关系,建立电化学-热-力耦合模型。通过模拟单电池和电池组温度分布的实时情况,分析单电池温度不均匀分布和电池组温度正态分布情况的原因,探讨换热面积和流通量对散热量的影响,研究电池组中单体电池的位置分布及不同传热介质的散热情况。研究结果显示:低温和相对高温环境下,欧姆热、极化热及电化学反应热产热占比不同,但产热最高温度未达到电极材料与电解液分解反应的临界温度420 K;高温环境下,电池温度持续升高接近临界温度,出现热失控趋势,对流换热系数对电池影响较大。电池组间隙为10 mm和20 mm时,整体温度比间隙为0时分别降低了1.1%和1.8%;与无间隙电池组相比,以铜板和铝板为传热介质的电池组温度分别降低了2.0%和1.6%。

基于电磁-流热双向耦合的变压器绕组温升计算及结构参数优化

变压器温升是影响其运行状态和使用寿命的关键因素。为了更准确地得到油浸式变压器绕组区域的温度场分布,采用有限元法对绕组的电磁-流热耦合过程进行了数值研究。根据电磁场及流体-温度场分布的特点,建立了变压器及绕组区域的计算模型。基于异构网格节点数据映射方法,将电磁场分析得到的绕组非平均损耗作为热源边界条件加载到流体-温度场计算网格中,并根据每次迭代时的温度对该热源进行修正,实现电磁-流热的双向耦合。在此基础上,建立热点温度与绕组结构参数之间的响应面,开展了对绕组热点温度及导体材料用量最小化的多目标优化研究。采用非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA-Ⅱ)获得了Pareto最优解,并对Pareto前沿面上的4种优化方案进行了分析。结果表明,优化后的绕组热点温度及导体用量明显降低。该文研究为变压器结构的优化设计提供了一种可行方法。

斜激波冲击下层合壁板-空腔系统流-固-声耦合动力学分析

斜激波作用下复合材料壁板-空腔系统气动弹性问题涉及非线性气动力、壁板大变形振动和声腔流体声波的强耦合作用,是高速飞行器弹性壁板设计中关注的重要问题.以往研究主要分析声腔恒定压力对壁板颤振特性的影响,忽略了声场与结构之间的动态耦合特性.为了弥补这一研究缺陷,文章提出一种隐式分区计算方法实现对高速可压缩流体、大变形壁板和声腔流体声波3个物理场进行强耦合计算.基于任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian Eulerian,ALE)框架的有限体积法求解可压缩黏性流体Navier-Stokes方程,采用高阶剪切锯齿理论和有限元方法建立复合材料壁板非线性动力学模型,采用波动方程描述空腔内可压缩声学流体.揭示了空腔物理参数(声学流体密度、平均压力和空腔深度等)对壁板-空腔系统气动弹性响应的影响规律,发现了若干新现象:改变空腔物理参数可导致壁板运动从定点稳定静变形转变到周期极限环颤振;空腔内声学流体的“弹簧效应”导致壁板表面声压载荷反相位作用于壁板运动;特定空腔深度比下,空腔声模态变化会改变声压脉动与壁板振动的相位关系,导致壁板临界颤振动压降低.

华龙一号反应堆上腔室及热段流-热耦合场数值模拟

压水型反应堆(pressurized water reactor,PWR)系统主管道热段内冷却剂的温度和流量,直接反映了核功率和堆芯换热状态,是反应堆功率控制和安全保护的核心参数。为全面掌握华龙一号反应堆上腔室及热段内冷却剂流-热耦合场分布及演变规律,为核心参数测控提供参考,基于有限元分析(finite element method,FEA)方法,对上腔室及热段冷却剂流域进行了计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟。首先建立了合理简化后的华龙一号(Hualong One)反应堆上腔室及相连热段的3D几何结构模型。随后对模型计算域进行了离散化网格划分和网格敏感性分析。最后通过计算,获得了冷却剂非等温流动的稳态特性解,流量、温度与相关设计估算值、实际测量值的相对误差均小于2%。对稳态特性研究表明,高、低温冷却剂在上腔室垂直内壁附近的不充分换热导致热段入口冷却剂温度分布不均,存在14.0~16.3℃的温差。随冷却剂沿轴向流动,冷却剂温度场分布和流场分布均逐渐趋于均匀和稳定,且是热段内低温冷却剂的流动主导了冷却剂温度分布的变化。

基于流-固耦合的煤层脉冲注水数值模拟研究

为了研究煤层脉冲注水技术的增湿机理及脉冲参数对煤体力学特征和煤体湿润效果的影响规律,基于流-固耦合理论建立脉冲注水几何模型,采用Rfpa软件和Comsol Multiphysics 5.4软件内置脉冲压力函数进行数值模拟。模拟结果显示,相较于定压注水,脉冲交变压力注水对煤层的“水楔劈裂”作用明显增强;随着脉冲时间的增加,煤体孔隙压力呈现出周期性波动上升的趋势;孔隙压力增加,煤体有效应力相应降低;脉冲压力和时间与煤体湿润半径之间存在一定的数学关系,而脉冲角频率对湿润效果的影响甚微。在进行脉冲注水时可采用高压低频脉冲的注水方式并保证一定的注水时间,能起到较好的煤体增湿效果。

电-热-流多物理场耦合作用下脐带缆温度场及载流量计算研究

脐带缆被誉为连接水下生产系统和上部设施的“神经生命线”,准确分析其温度场分布和载流量是安全开展海洋油气勘探和开采任务的关键保障。不同于传统海缆,脐带缆因结构复杂、功能多样,在位运行时存在复杂的电-热-流多物理场耦合效应,传统解析法难以确定其温度场分布和载流量。本文基于有限元软件Comsol建立脐带缆电-热-流多物理场耦合截面精细模型,通过控制变量法研究3种典型敷设方式、环境等因素对导体温度和稳态载流量的影响。结果表明:当电流较小时,影响脐带缆截面温度和稳态载流量的主导因素是管中液体温度;导体温度的变化趋势能够反映稳态载流量的变化情况;直埋时,埋设深度与外界流体温度的增加皆会削弱脐带缆的散热能力;平铺时,海水流动会明显降低脐带缆温度,在低流速下,流速增加对脐带缆的降温效果十分显著,但高流速的海水会在紧贴脐带缆的表面形成具有温度梯度的边界层,使热量的传递受到限制,降温效果反而不明显;绝缘老化对脐带缆整体温度分布的影响较小,但会影响截面最高温度。

流-固耦合作用下小尺寸肾结石引发的输尿管疼痛响应

肾结石引发的输尿管疼痛长期折磨着人类,严重影响着人们的生活质量.然而,目前临床上由于缺乏肾结石与输尿管相互作用的定量分析,泌尿医师无法针对不同患者制定精准的个性化治疗及镇痛方案.针对该问题,以小尺寸肾结石为例,基于耦合Euler-Lagrange(CEL)算法的流-固耦合有限元方法分析了进入输尿管管腔内的小尺寸肾结石与输尿管的相互作用规律,并基于已建立的输尿管疼痛模型,对由输尿管内小尺寸肾结石引发的输尿管疼痛进行了定量化研究.有限元分析结果表明,当结石直径小于输尿管内径时,结石会在输尿管壁蠕动作用下与输尿管发生动态接触,造成输尿管内壁上出现动态应力.随着输尿管壁蠕动幅度增大,结石的移动速度增大,且结石与输尿管接触的概率减小,同时输尿管壁上的接触应力也会降低.将应力结果输入输尿管疼痛模型计算对应的中心传输神经元细胞膜电位,结果表明,疼痛水平随时间的变化与动态应力随时间的变化趋势类似,在应力交替变化的情况下,疼痛程度并不会随应力降为零应力而降低至疼痛阈值以下,表现出疼痛程度与应力水平不对等的特征.该研究所得结果可以结合当前临床上已有的医学影像技术和计算机领域的大数据与人工智能等技术,有望为个性化精准诊断结石患者病况并定量化评估患者疼痛程度,从而制定个性化治疗方案的精准医疗临床策略提供理论基础.

基于电化学-热耦合模型的动力电池逆向仿真建模与参数辨识

为了便于终端用户更容易获取到电芯内部相关的电化学参数数据,本文通过逆向拆解的方法结合电化学-热耦合模型,采用有限元仿真分析和电化学参数优化试验的方式,验证了所获取参数的精确性,并通过参数辨识的方式考虑了Bruggman系数,反应速率常数和固相扩散系数对动力电池充放电性能和温度的影响。研究结果表明:逆向拆解法可以精确地获取电池的动力学参数和热力学参数,对标锂电池的电压、温度误差范围在3%左右;Bruggman系数影响放电中后期的电压,增大数值增加极化,随着Bruggman系数的不断增大电池温度呈现减小趋势;反应速率常数影响全范围内的电压变化,温度随着反应速率常数的增大出现减小的状况,增大反应速率常数减小极化;固相扩散系数影响低SOC范围内的电压,增大数值减小极化。

基于流-固耦合辅助喷嘴特性分析

文章主要研究喷气织机中不同孔型的辅助喷嘴应力形变问题,利用Fluent软件建立了辅助喷嘴结构的三维模型,采用k-ε湍流模型对其结构进行流-固耦合数值模拟,对单圆孔、椭圆阵列以及圆阵列三种孔型的辅助喷嘴在同一流体激励下进行分析,得到各个辅助喷嘴在同一流体激励下的变形情况,结果表明,椭圆阵列在流体激励下的形变最大,圆形阵列辅助喷嘴结构的形变最小,为喷气织机的辅助喷嘴结构设计生产提供参考建议。

核桃烘干装置内部热-流-固耦合传热分析与参数优化

针对刚采摘的青核桃含水率高的问题,设计一个核桃烘干装置模型,对青核桃进行预烘干处理及确定最优的核桃烘干参数。通过3因素3水平正交试验探究不同入口温度、入口风速和烘干时间对烘干装置内部温度、速度场以及核桃温度的影响。使用Fluent软件将核桃建模成一个3层球体,分别为核桃外壳、核桃气隙、核桃仁;分别对不同烘干参数下的烘干装置与核桃进行数值模拟研究,获得烘干装置内部温度场、速度场的分布情况以及核桃温度变化规律,得到烘干装置内部与核桃的温度变化曲线。结果表明,当入口温度为393 K,入口风速为1.7 m/s,烘干时间为45 min,烘干装置内部以及核桃的温度场分布最好,变化最均匀;通过试验验证仿真数据的可靠性,试验结果与仿真结果变化曲线一致。研究结果为确定核桃预烘干最佳工艺参数提供理论依据。

多孔功能梯度管柱的热-流-固耦合屈曲特性

为了探究功能梯度管柱其热-流-固耦合屈曲特性对稳定性的影响,本文基于Euler-Bernoulli梁理论,研究了多孔功能梯度管柱的热-流-固耦合屈曲特性。分析中采用含孔隙度的Voigt混合模型描述多孔功能梯度管柱的材料属性。基于Hamilton变分原理,获得了多孔功能梯度管柱在热-流-固耦合作用下的非线性动力学控制方程及相应的边界条件。讨论了材料非均匀参数、孔隙度、内流流速、温度和轴向张力等参数对屈曲特性的影响。结果表明:随着孔隙度体积分数的增大,管道的等效弹性模量减小,但是屈曲临界温度、临界流速反而有所增加、而对于幂律指数,其对临界值的影响刚好与孔隙度体积分数相反。