湍流环境下颗粒与气泡黏附过程的数值模拟研究

研究湍流环境中颗粒与气泡的黏附过程对于探究浮选微观过程具有重要意义。基于EDEM的API(应用程序编程接口)二次开发模块,建立了颗粒与气泡黏附过程相互作用的三维离散元法(DEM)模型。在Fluent软件中通过构建规则格栅以激发各向同性的湍流,并将湍流环境通过计算流体力学-离散元(CFD-DEM)加入到EDEM软件中。模拟了颗粒粒径为0.10、0.15、0.20、0.25和0.30 mm,颗粒密度为1500、2000和2500 kg/m^(3),球形度为0.746~0.854的不规则颗粒,和气泡直径为1.00、1.20、1.60和2.00 mm,在气泡与格栅间距离为1.00、1.50、2.00和3.00 mm的湍流环境下颗粒与气泡的黏附过程。研究了颗粒、气泡、流场各参数对于颗粒与气泡黏附过程的影响。结果发现,无论规则颗粒还是不规则颗粒在湍流环境中与气泡的黏附均存在临界脱附流速(颗粒与气泡发生脱附的最小湍流流场流速)。密度大的颗粒和粒径大的颗粒与气泡黏附的临界脱附流速更小,表明粒径和密度大的颗粒与气泡难以稳定黏附。气泡的直径越大,颗粒与气泡稳定黏附的临界脱附流速越小,颗粒越难以稳定黏附。在相同的流速下,气泡与格栅间距离越小,则流场湍流强度越大,颗粒与气泡稳定黏附的临界脱附流速越小,表明湍流强度的增加不利于颗粒与气泡的稳定黏附。球形度小的颗粒与气泡稳定黏附的临界脱附流速也较小,表明球形度小的颗粒与气泡难以稳定黏附。

轴流式水轮机模型飞逸过程三维湍流数值模拟

通过作者建立的非稳态过程三维湍流数值模拟方法,模拟了轴流式水轮机模型飞逸过程,并进行了其三维数值湍流计算,获得了机组到达最大转速时所需时间、最大飞逸转速值、飞逸过程内特性流场演变规律以及转速、流量、力矩与测点静压随时间变化的曲线。计算结果表明,所得最大飞逸转速与试验值非常接近,误差在1.5%以内;所得力矩及流量等外特性参数变化过程均符合高比转速水轮机理论特性;当转速增大到某一数值之后,尾水管水力稳定性急剧恶化是引起机组振动的主因。

扭曲叶片离心泵叶轮内三维湍流数值模拟

为提高离心泵的优化设计水平,介绍了计算的控制方程和叶轮通道网格划分方法,采用压强连接的隐式修正SIMPLEC算法,结合雷诺平均法的RNGκ-ε模型和壁面函数法,应用商业CFD软件FLUENT,对叶轮内部的三维湍流流动进行了计算。分析了具有扭曲叶片的离心泵叶轮叶型对流速分布、压力分布和泵性能的影响,揭示了叶轮内流动规律。

海底管线附近底床侵蚀稳定性的湍流数值模拟判别

本文基于粘性流体理论采用NEW K-ε双方程湍流模式对复杂底床形态情况下的海底管线附近流场进行了数值模拟,计算结果显示NEW K-ε湍流模型能够较好的模拟出管线后方的涡旋以及分离、脱落趋势.在流场数值模拟结果的基础上,本文进一步计算了管线附近底床的壁面剪切应力,并结合相应的泥沙临界起动切应力判据对其进行了侵蚀稳定性判别.稳定性分析结果与已有成果的比较显示:本文的方法正确、可靠并具有能够揭示侵蚀机理和细微部位侵蚀情况等优点.同时,本文也对管线附近底质具有粘性特征以及固结作用的情况进行了有益的探讨.

混流式水轮机全流道三维定常及非定常流数值模拟

基于三维时均N-S方程对水轮机内部流动及特性进行三维数值模拟分析,首先采用标准k-ε模型在不同导叶开度工况下对水轮机进行了全流道多部件、动静耦合的定常湍流计算,获得了各工况下各过流部件内及动静部件间的流场,并预测了水轮机的能量和空化性能。在定常湍流计算的基础上,以其作为初始条件应用RNG k-ε模型和滑移网格技术进行了水轮机动静干扰的非定常湍流数值模拟,得到了更合理的流场分布结果。该研究对于深入了解水轮机流激振动的内在机理、改善水轮机的综合性能、提高水轮发电机组的运行稳定性具有参考价值。

可逆式水轮机的数值模拟与性能分析

本文基于Navier-Stokes方程和设计的k-ε湍流模型,采用贴体坐标和交错网格系统,采用SIMPLEC算法对一高水头可逆式水轮机进行了全流道三维湍流数值模拟。详细分析了可逆式水轮机在设计工况以及非设计工况下的双向运转过程中,转轮内部,转轮和导叶交接处和尾水管中的流场,同时讨论了部件的能量性能。并结合相关知识对此进行了初步的分析。计算结果揭示了水泵水轮机转轮内部流动规律及部分原因,预测了此水泵水轮机的水力性能。

热泡数值研究

本文对二维热泡的演化过程进行数值研究 ,所采用的湍流封闭模式为双方程 k-ε方程。数值结果表明 :无量纲时间大于 10后 ,流动与混合特性均符合自相似关系 ;热泡流场可分两区。混合区中示踪剂浓度场呈双峰肾形、湍流脉动强烈、旋流含一对涡眼 ,而外区示踪剂浓度为零、流动有势且符合偶极子模型 ;热泡流的附加等效质量系数近乎 1,自相似阶段热泡的宽高比约为1.4 5。

火旋风的三维数值模拟

本文主要通过数值计算的方法来研究火旋风这一火灾过程中特殊的物理现象,通过对已经过验证的火旋风发生物理模型的分析,经过简化和改进,并应用有限体积元法对所得到的一组控制方程进行求解,研究了火旋风内部的温度场分布,以及不同的进气速度对火旋风内部温度场的影响,进而对火旋风的产生过程进行了分析。

用湍流传热模型模拟室内空气流动和换热

利用低雷诺数NH模型、NK传热模型及模型系数改进后的NK传热模型,分别对室内空气流动和换热的速度场、温度场、湍动能场进行了模拟,并将计算结果与实验结果进行了对比分析。研究表明,低雷诺数NH模型、NK传热模型及模型系数改进后的NK传热模型均能对室内空气流动及换热的速度场、温度场、湍动能场进行较好的数值模拟,其中模型系数改进后的NK传热模型模拟的准确性最高。

三种湍流模型对Al电解槽内Al液流场预测的比较及其工业测试

应用标准κ-ε双方程、低Reynolds数Jones-Launder κ-ε模型与RNG κ-ε模型分别对三种不同进电方式(四点进电的200kA槽、两点进电的160kA槽以及三点进电的80kA槽)的预焙阳极Al电解槽内的Al液流场进行了数值仿真,并且应用铁棒溶蚀法对相应工况下的Al液流场进行了工业测试。通过对计算结果和测试结果的比较与分析,可以得出:与标准κ-ε模型相比较,低Reynolds数模型具有较小的湍流粘度;标准κ-ε模型与RNG模型用于Al液流场的数值仿真时,其计算结果均有较高的可靠性,并初步得出在电流强度大于80kA的Al电解槽中,Al液流动的计算不适宜应用低Reynolds数模型。

脉冲爆轰发动机冲击波外流场数值模拟

为了研究脉冲爆轰发动机冲击波外流场的变化特点,利用CE/SE方法,推导了二维粘性湍流模型的网格数学离散模型。计算中采用标准kε两方程湍流模型,对于近壁区域采用低雷诺数模型进行处理。模拟得到了脉冲爆轰发动机外流场中压力、温度的变化规律。模拟结果表明,脉冲爆轰发动机外流场中存在相互作用的旋涡、激波和膨胀波。模拟结果对脉冲爆轰发动机外流场特性研究具有重要的参考价值。

湍流燃烧模拟中化学反应的加速算法研究进展

为研究湍流燃烧数值模拟中化学反应机理计算的加速方法,讨论了动态自适应化学(Dynamic Adaptive Chemistry,DAC)方法和Krylov子空间近似的指数格式的应用情况。在湍流火焰大涡模拟中,使用DAC简化可以加速化学反应计算。然而,在并行燃烧数值模拟中,处理器核心的负载极度不平衡,加速效果有限。而Krylov子空间近似的指数格式的加速效果可以作用于每个处理器核心,更有利于整体计算效率的提高。在同等精度下,相比于隐式格式耦合DAC和MTS加速方法,Krylov子空间近似的指数积分格式对化学反应计算的加速效果更为显著。

有关有限差分高精度格式两个应用问题的讨论

激波装配法结合有限差分高精度格式是发展全场一致高精度算法的一种途径。在对流场内的间断全部进行装配后,对高精度格式的应用研究成为发展本算法的主要研究问题。本文将有限差分的高精度格式应用于贴体坐标系时发现,对均匀流场,高精度格式因不满足几何守恒律而产生的数值误差比一阶迎风格式大,初步分析认为是由于高精度格式所用的模板比一阶格式更宽,涉及的网格点数更多,从而引入了更多的误差。而作者提出的基于离散等价方程的相容性算法可消除这一误差。此外,本文在利用激波捕捉法求解正方形均匀网格上的正激波运动问题时发现因通量分裂格式的使用,在激波处会产生随着特征线传播的非物理波动,这一波动在激波与网格不完全匹配时表现为多维波动相互干扰的虚假"数值湍流"现象,高精度格式的高分辨率特性使得这一现象更加明显。这是因为激波捕捉法假设激波为空间连续函数,用于包含激波的流场时必然得到数值解表示的过渡区,导致可信度评估困难,使用激波装配法可以避免这一问题。

温排水对船体外域水流温度场影响计算

[目的]旨在研究海上核电平台船的温排水对进水口冷却水温度产生的影响。[方法]采用有限体积法结合Reynolds平均法对海上核电平台船的温排水在船体外域流场中的温度扩散规律进行三维数值模拟。[结果]结果显示,同流中热水扩散流的三维湍流数值计算验证结果与物理模型试验吻合较好。当海水流速较小时,温排水主要沿出水口的流速方向扩散,对进水口的温度场影响较小;当海水流速较大时,温排水主要沿海流的流速方向扩散,对进水口的温度场影响较大。[结论]所得结果可为海上核电平台船的设计提供指导。

风致折叠网壳结构表面积雪分布CFD模拟

为研究风致折叠网壳结构表面积雪的分布规律,基于Euler-Euler方法和空气相与雪相单向耦合的基本假设,运用通用计算流体动力学软件ANSYS Fluent的Mixture多相流模型理论,并考虑壁面上积雪的侵蚀与沉积,建立风致雪漂的数值模型。首先,模拟立方体周围积雪分布并与实测结果对比,探讨与分析数值风洞的关键技术与参数,证实三方程k-kl-ω湍流模型能更好地对风雪两相流进行模拟。在此基础上,以风速和风向角为分析参数,模拟折叠网壳结构表面积雪分布。结果表明,10 m/s以下较低风速的持续作用对积雪分布尤为不利,受风向角变化影响,结构表面积雪的侵蚀与沉积发生在不同分区,其中迎风面被大面积侵蚀、背风面局部沉积,在不同的风向角下同一分区的积雪分布系数相对改变量最高达1.28。模拟获得结构表面在全风向角下的最不利积雪分布系数,为近似体型结构的抗风雪设计理论提供参考依据。

离心泵流场及动力特性研究

采用CFD软件在多参考坐标系下,利用有限体积法对雷诺时均N-S方程进行数值离散,选用标准κ-ε湍流模型与SIMPLEC方法求解,对某新型离心泵进行了叶轮蜗壳耦合三维定常湍流数值模拟,捕捉到了离心泵叶轮内的压力分布、速度分布等重要流动信息,计算了不同流量工况下水泵叶轮受力特性以及水泵能量和空化性能,并与试验方法进行对比,两者基本吻合,从而验证了计算结果的可靠性,为离心泵泵壳和叶轮的水力及优化设计等研究具有重要的指导意义。

减压管状态对混流式水轮机流场的影响

混流式水轮机转轮上冠和顶盖间的压力腔中所产生的压力脉动会影响机组运行的稳定性.以某电站机组为例,采用商业CFD软件对原型水轮机进行了三维全流道湍流数值模拟计算,分析了压力腔及密封间隙中压力脉动形成的原因,讨论了减压管的开、关状态对压力腔、转轮密封间隙和尾水管中流场的影响.结果表明:减压管在水电机组中的作用有利有弊,在水电机组的设计过程中需要综合考虑.

多点喷射燃烧室冷态流场特性研究

首先用可实现k-ε湍流模型(RKE)和雷诺应力湍流模型(RSM)对双径向旋流杯下游流场进行数值模拟,并将计算结果与实验值对比.结果显示,在大部分区域计算值与实验值比较一致,RKE模型和RSM模型的最大误差分别为5%和3%,RKE模型可以用于旋流杯燃烧室计算.此后,用RKE模型对单头部燃烧室和多点喷射燃烧室的流场进行数值模拟.对于同样的燃烧室衬套结构,多点喷射燃烧室旋流器出口附近每个旋流器都有各自的回流区,并在下游逐渐融合,在主燃孔附近多点喷射燃烧室和单头部燃烧室的回流区结构类似.对于同样的多点喷射燃烧室头部.没有主燃孔时,回流区在原主燃孔位置前结束,有主燃孔时,单个的回流区在主燃孔附近又形成新的回流区.

180°方形截面弯管内流动特性研究

针对180°方形截面弯管内复杂的流动特性以及出现二次流现象等问题,运用Fluent软件对连续方程和纳维-斯托克斯方程进行空间离散,对180°方形截面弯管内的流动进行数值模拟计算。模拟计算结果与实验测量的结果基本相一致,说明建立的数学模型与数值方法是有效的。同时,分析了弯管内二次流形成与发展的现象,得出了二次流的变化规律。这为揭示180°方形弯管内复杂流动现象的作用机理提供了参考,对于机械设备的制造和应用具有一定的意义。

Numerical Simulation of Gas-Liquid Flow in a Stirred Tank with a Rushton Impeller

The gas-liquid flow field in a stirred tank with a Rushton diskturbine, including the impeller region, was numerically simulatedusing the improved inner-outer iterative procedure. Thecharacteristic features of the stirred tank, such as gas cavity andaccumulation of gas at the two sides of wall baffles, can be capturedby the simulation. The simulated results agree well with availableexperimental data. Since the improved inner-outer iterative algorithmdemands on empirical formula and experimental data for the impellerregion, and the approach seems generally applicable for simulatinggas-liquid stirred tanks.