基于气热固耦合的涡轮模态分析

主要研究了气热固耦合场对涡轮模态参数的影响。采用基于k-ε湍流模型理论建立了涡轮的流场模型,进行网格划分和边界条件的加载。通过气热固耦合分析计算获得了流场内部温度和压力的分布,把气动力及温度载荷映射到涡轮结构上,并在此基础上进行了涡轮模态的计算。计算结果表明,气热固耦合场主要影响涡轮结构的模态固有频率,对模态振型的影响较小。

弹性气藏中气体渗流的气—固—热耦合数学模型

综合应用渗流力学、岩石力学、热力学理论 ,建立起以气体压力、岩石固相质点位移、绝对温度为基本变量的全新的气—固—热耦合数学模型。该模型假设气藏岩石骨架是可变形的 ,气藏内热量按热力学定律自由传递 ,模型包括完全耦合的气体渗流方程、温度场方程和岩石变形方程。文章所建立的模型实现了气藏中渗流、变形、变温三者间真正意义上的耦合 ,较之已有的气藏渗流模型更能反映气藏实际 ,是对气藏传统渗流理论和流固耦合力学理论的发展 。

固-热-气耦合作用下含瓦斯低透煤的渗流规律

为防治煤与瓦斯突出灾害,利用自行研制固-热-气耦合真三轴装置,系统分析了不同温度场、主应力场、瓦斯压力和卸载速度对含瓦斯煤渗流特性的影响,建立了渗透率与各因素的定性与定量关系,深入剖析了各种卸载路径下含瓦斯煤渗透特性的变化规律。结果表明:卸载前后,含瓦斯煤渗透率随着温度和水平方向应力的增加均呈负指数的变化趋势,且卸载过程对渗透率影响逐渐降低。随着瓦斯压力的增加,渗透率呈"V"字型变化,且加卸载渗透率变化量很小。不同卸压速度下,加载时,渗透率基本保持不变;卸载时,含瓦斯煤渗透率随着卸压速度的增加呈现Gauss函数变化趋势,可分为降低区、稳定增长区、减速增长区和稳定区四个区间。综合分析得到了在复杂应力路径下卸荷煤样渗透率定量公式。

煤层气原位注热开采的数值模拟研究及工程实践

煤层的低渗透性和甲烷的强吸附特征是制约煤层气开采的关键性问题,如何快速高效开采煤层气是目前煤层气开采研究中的重要课题。首先基于构建的水-气-热-固耦合数学模型,建立了煤层气注热开采的物理模型并验证了模型的正确性,然后从水气运移角度分析了注热方法的产气规律,最后在煤矿井下进行了现场注热试验。数值模拟结果表明:煤层气注热开采过程中水气运移遵循“前期排水,后期采气”的变化规律。煤层中的水对甲烷的解吸和运移产生了重要的影响。注热过程中水占据了甲烷的运移通道,水对甲烷的抑制作用大于温度的促进作用;注热后的抽采过程中,高温促进了甲烷的解吸,解除了水对甲烷的抑制作用,使煤层气的产量大幅度提高。通过现场注热试验,已经形成了2种成熟的井下注热强化煤层气开采方法,即间歇注热方法和交替注热方法。2种注热方法具有相似的产气规律,即注热阶段的日产气量和甲烷体积分数一般比较低,而注热后抽采阶段的日产气量和甲烷体积分数均大幅度提高。现场注热试验结果表明,与传统的负压抽采方法相比,间歇注热方法可以使甲烷的体积分数和日产气量分别提高10倍和100倍以上,交替注热方法可以使甲烷的体积分数和日产气量分别提高10倍和50倍以上。现场注热试验结果与数值模拟结果共同表明,注热强化煤层气抽采的效果显著,注热后抽采阶段是煤层气的高产时间段。

空间再入飞行器热气动弹性数值研究进展

热气动弹性分析关系到空间再入飞行器的气动性能、结构安全和振动特性。文章对空间再入飞行器热气动弹性研究的数值方法和研究进展进行了回顾;总结了热气动弹性数值的模拟内容、气/固/热多物理场耦合方法和高超声速气动力、气动热求解方法等方面研究的典型成果与特点;比较了单向耦合分层求解方法与双向耦合方法在热气动弹性分析方面的优缺点,指出气动力、气动热的工程计算方法和降阶方法存在一定误差,采用时域方法求解Navier-Stokes方程的全阶模型获取气动力和气动热更为准确;并对未来的研究趋势进行了展望,提出了需要进一步深入探讨的若干问题,包括空间再入过程气/热/固多场耦合物理机制的准确描述、空间充气式再入减速器这类柔性结构的热气动弹性分析以及热气动弹性试验验证等三个方面。

气固热耦合对微尺度气膜空气静压轴承承载特性的影响

当空气静压轴承工作气膜处在微米尺度时,气膜内压力分布具有显著的温度敏感性,严重影响轴承系统的承载能力和刚度特性.本文基于气体润滑理论和稀薄气体动力学,结合边界滑移和热耦合分析技术,通过数值分析的方法研究考虑温度影响所引起的空气静压轴承气膜局部变形问题,对系统的承载能力和刚度特性进行理论分析和实验研究.研究结果表明:气固热耦合效应会使微米级气膜内部发生不均匀的膨胀变形,导致空气静压轴承内部流场发生变化.气膜的最大变形量随温度升高呈线性增长,当温度达到250℃后趋于稳定;随着气膜厚度的增加,空气静压轴承气膜内部对温度的敏感性逐渐减小;考虑热耦合效应的轴承压力分布和承载能力低于传统层流假设下理论计算所得结果,因而在高精密、微米级气膜和极端温度条件等场合设计使用空气静压轴承时,必须要考虑环境温度和系统工作温升带来的热耦合效应影响.

煤层气解吸-扩散-渗流过程的气-固-热耦合模型

考虑煤层气解吸引起的温度变化及其对后续吸附气体的解吸、游离气体状态的影响,及气体扩散系数的动态变化及修正系数对窜流项的影响,基于孔隙-裂隙双重介质模型建立了煤层中气体解吸-扩散-渗流过程的气-固-热耦合模型,开展了煤层气抽采过程的数值模拟与机理分析。研究结果表明:(1)修正窜流项后的气-固-热耦合双重介质模型相对于窜流项修改前的模型与试验结果更为接近;(2)未修正Langmuir模型考虑了温度降低及其对气体扩散、渗流过程的影响,但没有考虑温度降低对气体解吸量的影响,会导致煤层气抽采量估计值偏大;(3)各向同性模型有可能得到与各向异性模型一致的气体含量曲线,但气体含量分布存在显著差异,渗透率各向异性导致的煤层整体在某方向的渗流优势要大于抽采孔布置形式导致的渗流优势;(4)扩散系数较高时,渗流过程是影响煤层气抽采效率的制约环节,必须考虑渗透率的各向异性特征对气体运移全过程的影响。

气固热耦合对微尺度气浮轴承微振动的影响

基于气体润滑理论和稀薄气体动力学,结合边界滑移和气固热耦合分析技术,研究考虑温度影响引起的气浮轴承气膜局部变形问题对气旋与微振动的影响。研究结果表明:气膜的最大形变量随温度升高呈线性增长;考虑热耦合的气旋移动速度要明显小于传统数值分析方法所得结果,且耦合条件下不同工作温度对气浮轴承微振动的影响也不相同;结合实验可得,随温度的升高,微振动强度逐渐降低,但温度升高并不改变其固有频率;不同气体环境影响着气旋的移动速度和微振动强度,其中分子数大小起主要影响作用。实际工作过程中应充分考虑环境因素带来的影响以减小微振动。

多场环境下涡轮盘的强度与振动安全性仿真优化研究

涡轮盘作为发动机的关键部件,工作在高温、高负荷、高转速及大振动的环境中,由强度与振动问题引起的轮盘破坏是发动机的常见故障之一。本文采用气热固耦合的方法,对某发动机一级涡轮盘进行有限元结构与模态仿真,并采用相应的静强度与振动准则进行安全性分析。结果表明,轮盘中心孔处的静强度安全余量较小,且二节径、三节径耦合频率与工作频率的避开率小于10%,工作时存在共振危险。经过结构优化,将轮盘厚度增加25%,同时根部局部加厚,中心孔处应力水平显著降低,各节径耦合共振频率的避开率均大于20%,涡轮盘的安全性满足要求。

垃圾填埋场的环境土工问题

垃圾填埋场是一种具有衬垫和气液收集系统的特殊土工构筑物。城市生活垃圾是一种特殊的土,其颗粒大、成份复杂,填埋体内温度高;渗滤液的溶质对吸力产生影响;垃圾的压缩性与降解有关,而垃圾的强度受纤维状"加筋"相的影响;渗滤液的渗漏引起土体和地下水的污染,污染物迁移包括对流、扩散和吸附三种方式;填埋体的沉降和稳定性还要考虑固—液—气—热多场耦合作用,吸力作用有待进一步研究。