海底管道水下气体扩散FLUENT仿真分析

海底管道气体扩散到自由表面的半径及泉涌高度是进行水下气体泄漏风险分析的关键因素。利用FLUENT软件中的VOF模型和DPM模型耦合方式,对海底管道气体竖向扩散进行了仿真。模拟了水气两相交界面的行为,研究了气泡粒子扩散过程,分析了气泡粒子的扩散半径及轴向位移,讨论了不同泄漏速率对水下气体上升时间及水气两相交界面中泉涌高度的影响。通过模型中的水气两相交界面中泉涌高度和上升时间与实验结果的比较,验证了模型在一定条件下的正确性。

水下气体射流初期数值研究

本文提出了一种新的水下气体射流的数学物理模型,并成功地将位标函数方法应用于水下气体射流气水交界面求解,数值模拟了水下气体射流初期的流动演化和气水相互作用特性,得到了气水全耦合的水下气体射流喷射初期的流场形态及其演化过程,定性结论与实验吻合。

基于欧拉-拉格朗日方法的水下气体泄漏扩散行为研究

针对水下气体泄漏扩散问题,基于计算流体动力学(CFD)理论采用流体体积模型(VOF)与离散相模型(DPM)耦合的方法,对气体在水中的扩散过程进行模拟与分析,水和空气作为连续相,泄漏气体作为离散相,离散相粒子与水下气泡具有相同的物理性质,其密度变化服从理想气体状态方程。基于建立的数值模型,研究水下气体羽流的形成和发展过程以及在水面形成的涌流效应,评估气体上浮时间、水面气池尺寸和涌流高度等参数。研究表明:泄漏气体以喷射状涌入水中,上升过程中体积逐渐膨胀增大,运动至水面时形成倒立的锥形羽流结构;气体带动表层水运动,引起羽流两侧表层水回流,在水面产生涌流效应和圆形的气池;涌流高度逐渐增大后呈小幅波动状发展,气池半径逐渐增大后稳定。仿真结果与小尺度实验数据对比验证了数值模型的可行性。

环形喷管水下气体射流夹断过程

对水下竖直环形喷管出口气体射流现象进行了研究,采用高速摄影仪记录了水下气体射流发展过程,并通过MATLAB编程处理图片的方式,对夹断的判定、夹断的位置和频率做了探讨,对环形喷管射流的特性进行了分析。结果表明:环形喷管水下气体射流呈现出持续射流和集中夹断两种阶段;在本文工况下,水下气体射流离喷口越近,夹断次数越多,离喷口越远,夹断次数越少;对于本文所有喷管,其动量射流段发生夹断的频率都随气体流量增加而减小;水下气体射流的回击现象并不是气体反向倒流撞击喷管端面形成的,而是夹断发生后,后续喷入的气体在轴向受阻,进而横向扩张的结果;对于环缝大小一定的喷管,气体流量越大,射流穿透深度越大。

水下气体泄漏海面火灾后果预测及评估

为评估水下气体泄漏在海面形成的火灾后果,针对某海洋钻井平台上风向浅层气井喷导致的火灾场景,构建水下泄漏海面气体火灾后果预测与评估模型;模拟分析风载荷作用下的海面气体火灾演化过程,预测火灾高温和热辐射通量的时空分布特征;评估海面气体火灾对临近下风向海洋钻井平台钢结构及作业人员安全的影响。结果表明:海面气体火灾在风载荷作用下约40 s达到稳态,稳态火焰几乎覆盖整个海洋钻井平台上部,最大火焰高度约96 m;整个海洋平台都会受到火灾高温和热辐射的影响,火灾影响区域的最高温度达到1500℃,热辐射通量为539 kW/m2;持续的高温和热辐射作用会使平台钢结构发生断裂或坍塌,造成作业人员严重伤亡。

冷却液舱内水下气体射流的数值模拟

采用数值模拟方法,对高温高压饱和蒸汽通过管道,输送到船用冷却液舱内出现的射流现象进行了研究。基于VOF多相流模型和RNG湍流模型,建立气、液两相流动数学模型,利用Fluent模拟了气体通过管路喷射到液舱内的全过程,同时考虑了气、液两相间的相互转化,得到了液舱内及管路内流场压力变化特性。

水下气体射流数值研究

利用混合物多相流模型数值模拟了水下气体射流的非稳态过程,分析了气体射流发展不同阶段的流场特性,研究了气泡中气体流动的基本规律,研究结果可以应用到工程设计当中。

水下气体射流技术的柱形与环形结构仿真分析

为了探究不同形态射流的关联异同,以N-S方程为控制方程,选用Standard K-epsilon湍流模型,采用有限体积法与多相流界面捕捉方法 VOF模型,在二维矩形计算域内,对速度为100 m/s的柱形与环形水下气体射流进行数值模拟研究,探究两种不同形态的射流的发展和关联。研究结果表明:选用模型正确,成功模拟出射流初期气泡的演化过程;柱形与环形水下气体射流虽然在形态发展历程与物理规律上基本一致,但在射流初始形态、轴向发展速度等方面存在差异;同时发现在射流过程中存在卷吸作用。数值模拟结果给出了实验中无法测量的压力场变化、流体流动方向等流场结构,为该技术的实验开展以及在工程领域的广泛应用起到了很好的帮助作用。

水下压缩气体储能管道振动特性分析

水下压缩气体储能作为一种柔性规模的储能技术,是向可再生、可持续能源结构过渡的新兴推动力。水下管道输气过程中经常发生液体积聚,从而促使管道内单相流转变为复杂的气液两相流。由于不稳定的两相流动与管道之间产生了耦合作用,引起管道振动,进而影响水下压缩气体储能系统的运行。基于ANSYS对储能管道和管道支撑结构进行了有限元分析。建立了有限元模型并对管道进行模态分析,通过对比有无流固耦合下管道的固有频率,得出流固耦合的存在会降低管道的固有频率。并进一步分析管道固定结构对管道振动特性的影响,对比3种不同固定方式,发现固支-固支支撑结构相对比固支-简支与简支-简支抗振效果好。

水下超声速气体射流初期流场特性的实验研究

实验研究三维水下超声速气体射流,重点分析气体射流初期气泡运动演化过程,对射流初期数值模拟结果做相关辅证.同时引进非圆整度概念,定量分析水下气体射流初期气泡运动及形态变化的某些规律,得到一些实验分析结果,为工程实践提供了有用的参考数据.

水下超声速气体射流诱导尾空泡实验研究

两相射流与空化问题对采用喷气推进的水下高速运载器而言不可避免.本文通过水洞实验,探究了回转体在水流场中由亚声速及超声速气体射流诱导形成尾空泡的形态特征,发现了四种不同类型的诱导尾空泡,并探讨了相应的形成机理和控制条件.通过高速图像采集及数字处理技术,得到了不同弗劳德数和通气流量系数下诱导尾空泡的瞬时及时间平均形态.通过气体射流数值解及射流耦合空泡闭合理论模型与实验图像的对比分析,得到如下结论:根据形态特征,将观察到的射流诱导尾空泡划分为泡沫状、完整、部分破碎和脉动泡沫状四类,其中诱导产生的部分破碎尾空泡在形态上与超空泡存在明显差异,脉动泡沫状则为诱导空泡所特有;气体射流受到空泡阻挡发生回射后对应的实际通气流量系数是控制空泡形态的关键;诱导空泡类型转变可以通过Paryshev提出的射流空泡耦合模型预测,但必须在考虑射流空间结构和流动损失的前提下;进行上述修正后,诱导尾空泡形态变化规律与理论模型估算得到的实际流量系数相符合.

水下固体火箭发动机垂直气体射流结构和推力影响研究

为了探究高背压水介质条件下,固体火箭发动机垂直气体射流在浮力影响下的流场结构和发动机推力特点,建立了轴对称几何模型,在考虑有/无浮力的条件下,采用VOF(Volume of fluid)多相流模型进行气体-水两相耦合仿真计算,获取尾流气体射流流场结构,以及发动机尾部壁面受力和推力振荡曲线进行分析。研究结果表明,考虑浮力的仿真结果更加符合试验结果;射流动量段气体的马赫数分布会导致喷管出口附近的气-水界面产生周期性胀鼓-颈缩,从而引起尾部空间背压振荡,在设计工况下,尾部压力变化范围为环境水深压强的0.327到2.43倍;背压振荡将引起尾壁面受力振荡和推力振荡,振荡频率为736.89Hz;气体射流喷出过程中,气-水界面由速度梯度主导的开尔文-亥姆赫兹(K-H)不稳定性逐渐转变为由重力和浮力主导的瑞利-泰勒(R-T)不稳定性。

飞秒激光微纳制造水下气体浸润性表面

水下气体浸润性表面在许多领域都具有重要的作用,近年来受到了各国研究人员的密切关注。飞秒激光微纳制造技术作为一种全新的非接触式加工手段,近年来在调控材料表面水下气体浸润性方面进行了许多探索性研究。总结飞秒激光微纳制造技术在水下气体浸润性表面的最新研究进展,从水下超疏气表面、水下超亲气表面、水下超疏气-超亲气转换以及水下气体运输四个方面进行阐述,最后结合当前的研究状况指出该领域目前所存在的问题以及对前景的展望。

水下欠膨胀高速气体射流的实验研究

采用实验途径研究了水下高速气体射流的动力学特性，研制了水下高速气体射流实验系统并发展了相应的测试手段．实验中，用插入式静压探针测量了射流轴线静压分布；用γ射线衰减法测量了径向空隙率分布，从而揭示了水下高速气体射流均压和掺混两个过程的基本规律．测量结果表明：水下高速气体射流在欠膨胀工况下运行时，近场将出现含有复杂波系结构的膨胀压缩区域，由于气水的掺混作用，水下欠膨胀气体射流均压化过程比空气中衰减得快．测量结果还表明，水下射流在近场区的混合层由气水两相占据：其流态从靠近气体侧的液滴流型过渡到靠近液体侧的气泡流型．

水下超声速气体射流的初始流动特性研究

为研究水下发射过程中高温高压火药燃气喷射进入液相水过程的流体形态变化与流动特性,采用Mixture多相流模型与蒸发与凝结模型建立了二维轴对称水下超声速气体射流的数值计算模型并进行了相关的数值模拟,得到水下超声速气体射流的初始流动结构。数值结果表明,超声速气体与水介质的强撞击会在气液界面上形成一个强压缩区,且连续撞击形成的压力波反传,使喷管出口射流核心区流场出现周期性脉动。因气液界面上的强剪切作用,而在气液混合区内形成复杂的小激波结构,小激波结构的出现加速了气液界面的失稳,从而促进了气液掺混效应。另外,在气泡内会形成典型的欠膨胀射流结构,因而气泡内的流动特征与单相超声速气体射流情况类似。

水下超音速气体射流胀鼓和回击的关联性研究

阐述了水下超音速气体射流的实验研究结果.用高速摄影仪实时记录了水下超音速气体射流喷射的状态,清晰地演示了射流气体在上中游流域的演化过程.具体分析了水下高速气体射流的动态不稳定性形貌,并从实时记录的射流照片中统计测量出了胀鼓和回击随机频率.结果发现,胀鼓频率越大,回击频率越大;胀鼓频率随着喷嘴的驻室压力与出口背压的比值增大而增大.通过胀鼓与回击事件前后实验数据的对比分析表明其二者之间存在相关性:胀鼓和回击均由射流内部压力振荡引发并且存在一定的随机性;胀鼓是回击前的能量积聚一个前征和表现,当胀鼓的振荡即能量积聚到一定程度后,引发回击.

水下超声速气体向上喷射时的动量射流特性研究

针对水下垂直向上喷射的气体射流在潜射导弹破水发射装置(WPML)中的应用,对其气体射流的基础理论及关键技术进行了实验研究。实验得出气体射流时动量射流段的射流直径是以近线性速率增大的结论,并分析了动量射流长度与斯特鲁哈数之间的某种相关性。结果指出,随着射流出口速度的增加,可以减小斯特鲁哈数,射流的周期不稳定性明显减弱,得到稳定且长度较长的射流,对WPML的设计和应用具有参考作用。

喷管对水下爆轰燃气射流过程影响的数值模拟

为了探究不同喷管构型对水下爆轰燃气射流形态与激波传播过程的影响,基于VOF多相流模型,通过求解二维非稳态雷诺时均Navier-Stokes方程分别对无喷管、加装扩张喷管、收敛喷管的爆轰管水下爆轰过程的内外流场进行二维轴对称数值模拟。研究了喷管构型对水下爆轰过程中形成的透射与反射激波的传播特性、爆轰燃气射流形态演化规律等流场特性的影响。计算结果表明:扩张喷管可以加强向下游传播的透射激波沿轴线方向的指向性,而收敛喷管会减弱透射激波的强度,增强向上游传播的反射激波强度。爆轰燃气泡初期轴向和径向发展速度均随着时间逐渐衰减,喷管对燃气泡的轴向尺度影响较小,但收敛喷管能够显著抑制燃气泡的径向尺度。研究结果可为后续水下爆轰推进的工程化应用提供技术支撑。

水下固体火箭发动机的负推力现象研究

针对水下固体火箭发动机工作环境压强高的特点,结合固体推进剂的燃烧特性,采用UDF方法定义喷管入口边界条件,建立了固体推进剂燃气质量生成与水下超音速气体射流的耦合计算模型。将该模型的计算结果与水下固体火箭发动机的实验测量结果进行对比,验证了该模型的合理性。研究发现,水下固体火箭发动机在点火初期会出现负推力现象,负推力产生的原因是发动机点火初期,喷管内被过度压缩的燃气冲出喷管后,在喷管尾部形成一个超音速燃气泡,超音速流动使泡内压强降低;同时受到流动惯性作用的影响,气泡持续膨胀使泡内压强进一步大幅降低,发动机前后端面上的压差最终导致负推力现象产生。

水下固体火箭发动机推力特性研究

为研究水下固体火箭发动机的推力特性,采用CFD方法分析高速燃气射流与周围水环境之间的相互作用机理及多相流流场结构对发动机推力的影响,并对不同水深、不同燃烧室压强以及不同喷管扩张比情况下的推力变化规律进行讨论。研究发现:水下火箭发动机推力振荡剧烈,间歇性的推力脉冲是由气体射流的颈缩/断裂现象引起的;喷管设计出口压强与环境压强之比是判断推力振荡特性的重要参数,该压强比增大时,振荡频率减小、振荡幅值升高。