基于计算流体动力学的燃烧过程数值模拟与优化

本文通过对几种常见的基于计算流体动力学(CFD)的燃烧过程数值模拟方法进行比较分析,阐述各方法在不同条件下的优势与不足,并指出在今后工作中需要重点关注的问题。最后,针对CFD技术在燃烧过程数值模拟中存在的一些问题提出建议,并展望CFD技术在燃烧过程数值模拟领域中的发展趋势。

多流程循环流化床气固流动和燃烧的计算颗粒流体力学数值模拟

多流程循环流化床与传统流化床相比,能有效降低炉膛高度,实现小型化。以多流程循环流化床锅炉为研究对象,基于计算颗粒流体力学,对气固流动和燃烧过程进行了数值模拟,计算结果与中试装置结果吻合较好。结果表明:炉膛内颗粒相浓度由高到低依次为主燃烧室、副燃烧室、燃尽室,炉内颗粒分布呈现“环-核”结构;炉膛温度范围为1 000~1 200 K,主燃烧室的温度大于副燃烧室,副燃烧室的温度大于燃尽室与旋风分离器;增大一、二次风的配比使炉膛密相区的氧气含量增大,加剧了燃烧,使床温升高;由副燃烧室进行分级给料,有利于焦炭还原NO,使出口NO浓度明显下降,有利于减少氮氧化物的排放。

计算流体动力学耦合离散单元法在支撑剂方面的应用进展

非常规致密/页岩储层开发问题中,支撑剂运移规律具有重要影响。明确支撑剂在裂缝中的运移规律对压裂作业十分关键。CFD-DEM模拟技术针对流体-颗粒系统具备高解析度,为支撑剂的运移、分布研究提供了有效方法。介绍了此模拟方法在支撑剂运移研究中的最新进展,深度分析了CFD-DEM模拟方法在支撑剂运移规律研究中的独特优势与CFD-DEM模型的原理和特点,总结了支撑剂在不同环境条件下的运移特征和分布规律,更全面、准确地揭示支撑剂运移的复杂机制,推动非常规油气开采朝着更加科学、高效、可持续的方向发展。

细棒入水动力学特性的解析计算与数值模拟

结合解析计算与数值模拟本文研究了均匀细棒低速入水过程中水的阻力系数和细棒密度这两个因素对其入水过程的动力学特性的影响.根据牛顿第二定律首先建立动力学微分方程并求得了解析解,由此进行数值计算并对其运动状态的动力学特性进行了分析.结果表明若细棒密度比水的大,不管以任何初速度入水,最终都会趋向于一个稳定的极限下沉速度,该极限速度正比于细棒与水的密度差,反比于水的阻力系数.但当密度差较小时,细棒的下沉速度先达到一个峰值,然后减速并逐渐趋向于稳定极限下沉速度.相反,如果细棒的密度不大于水的密度,则细棒入水后最终会静止不动而悬浮于水中.

超空泡航行体流体动力延迟特性数值模拟研究

由于超空泡形态的延迟效应,超空泡航行体在机动航行过程中的流体动力会展现出极强的非定常特性,给航行体流体动力的获取、运动性能的分析以及控制方案的设计带来了巨大的挑战,因此开展航行体超空泡状态下的流体动力特性和形成机理的研究具有重要的意义。采用动态网格技术,建立了超空泡航行体连续变攻角运动的三维数值模型,并通过水洞试验结果验证了该模型的准确性,仿真研究了不同速度、摆动频率和空化器预置舵角下超空泡航行体非定常空泡发展过程和流体动力特性变化规律。研究表明:超空泡航行体非定常运动状态下的流体动力具有延迟特性,采用常规航行体流体动力计算方法预报结果存在较大误差;空泡延迟效应和附体空泡的动态发展是导致超空泡航行体非定常流体动力延迟特性形成的根本原因;超空泡航行体流体动力延迟特性随着速度的增大而显著增强、摆动频率增大而减弱,空化器预置舵角导致航行体在正负攻角摆动时呈现不同的延迟特性。

颈内动脉狭窄血流动力学数值模拟

目的:基于血流动力学数值模拟条件,探究对颈内动脉进行不同程度人工干预狭窄的颈动脉模型的血流动力学特性,并从血流动力学角度分析颈内动脉位置处产生狭窄及由于其狭窄导致脑部供血疾病的原因。方法:采集内蒙古民族大学附属医院提供的健康个体二维CT数据,应用医学建模软件MIMICS20.0将二维的颈动脉CT数据进行三维模型重建,然后借助3-Matic Medical软件,对颈动脉模型中的颈内动脉同一位置进行不同程度的人为干预狭窄,得到颈内动脉25%、50%、75%狭窄程度的颈动脉模型。经格式转化、边界条件设置、网格划分等操作后,导入计算流体力学软件FLUENT14.5进行颈动脉血管及血液两相流血流动力学数值模拟与分析。结果:比较颈内动脉同一位置3种不同狭窄程度下的血液流线及速度矢量图可知,随着狭窄程度的增大,颈动脉窦处血液的涡旋流动现象迅速减弱,而颈内动脉狭窄处上方和下方血液出现明显的涡旋流动,并且血液流动出现选择性偏流。颈内动脉狭窄程度从25%到50%再到75%的过程中,狭窄处的血管壁面压力始终较低,狭窄下方的血管壁面压力逐渐增大,为高压力区域。狭窄处为高切应力区域,并且狭窄位置上方和下方的低切应力范围明显变大。结论:利用计算机软件进行人为干预狭窄获取模型的技术进行实验研究具有方便、快捷的特点。颈内动脉狭窄从25%到50%再到75%时,颈动脉的血液流场发生明显改变,颈内动脉出现明显的涡旋流动现象,血管壁面的力学性质也发生一定变化。

全射流喷头内部流场计算流体动力学数值模拟

建立了全射流喷头内部流场的CFD数值模型,并对喷头的流量压力关系、喷头附壁情况下附壁点的位置进行了数值模拟计算。CFD计算值与实验测量值对比结果表明,CFD计算得到的3种喷头流量值与实验测量值的平均偏差小于5%,附壁点计算值与实验测量值平均偏差小于5%。说明采用CFD方法能较好地反映喷头的内部流动情况,根据数值模拟最终得到全射流喷头内部流场在直射和附壁状态下的速度矢量图。

风对定日镜影响的计算流体动力学数值模拟

利用linux系统下软件平台Fluent 6.3的并行计算技术和实用的结构网格划分方法,基于Reynolds时均方程,分别采用两种湍流封闭模型:标准k-ε和MMK修正的k-ε模型,模拟计算了定日镜结构的平均风压系数、阻力、升力以及力矩系数和平均风流场。分析了定日镜镜体平均风压、平均风流场的分布规律和特点;并将数值计算结果与风洞试验进行了比较。结果表明,基于Fluent6.3的MMK修正的k-ε模型较之标准k-ε模型有更好的预测效果。

基于计算流体动力学的偏心环空流场数值模拟

在流体计算软件PHOENICS的VR编辑环境中,建立了偏心环空流场几何模型.采用三维均匀正交网格,应用湍流模型和壁面函数法处理固壁边界,在不同偏心度的情况下对流场进行计算,分析了偏心度对偏心流场速度分布和压力损失的影响.将量纲为1的压降模拟结果,与文献[11]给出的不同偏心度时偏心环空流的量纲为1压力PR计算表达式结果进行对比,其结果吻合较好.

基于计算流体动力学的煤炭地下气化过程数值模拟

为了对煤炭地下气化过程产生的混合物气体组分进行有效分析,在一个给定的几何结构和煤块均匀分布条件下,采用计算流体动力学理论建立了一个固定床煤炭地下气化过程的三维数理模型。该模型中的反应器考虑了气固两相流动,并生成了离散化数值网格。采用气相运动k-ε湍流模型,利用ANSYS/Fluent软件对该模型的技术参数进行了分析。以定性和定量的形式对煤气化过程的气体组分(CH_4、CO_2、CO和H_2)进行了实验分析,结果表明:提出数值模型得到的组分计算值与实测值吻合较好,平均相对误差12.17%。此外基于获得的相关性系数验证了提出数值模型的适用性。

半潜航行器纵平面流体动力数值计算与试验研究

半潜航行器因航行深度介于水面航行器和潜器之间而得名。为预报半潜航行器纵平面流体动力性能,开展数值仿真与风洞试验。研究航行器不同攻角、不同舵角下受力情况,计算速度系数、舵角系数以及耦合系数,并与风洞试验数据进行对比。针对耦合工况中舵效降低的情况进行了流场分析。仿真和试验结果表明:CFD仿真结果与试验结果吻合较好,具有较高预报精度;增加航行器攻角会影响前、后舵板贴体端稍涡的形成,迫使稍涡向上偏移,在吸力面形成一个直径与舵板弦长相当的涡。研究结论可指导航行器运动控制和前后舵布局优化。

双U型火焰液态排渣锅炉纯燃高碱煤热力计算及数值模拟研究

对液态排渣锅炉的深入研究将会推动纯燃高碱煤技术的推广。以一台超临界350 MW机组直流双U型火焰液态排渣锅炉为研究对象,以燃烧室、捕渣管束和冷却室为单元,从热平衡的角度出发展开热力计算,并借助数值模拟手段,研究了炉膛内设计工况下的流场、温度场和组分场及其在变负荷时的变化情况。热力计算和数值模拟表明,几处烟气温度结果偏差都低于40.0℃。燃烧室出口烟气温度偏差仅为1.2℃,冷却室出口烟气温度偏差为15.6℃。经过验证和比较,所采用的热力计算方法可以应用于双U型火焰液态排渣锅炉纯燃高碱煤热力计算。数值模拟结果显示,炉内空气动力场良好,旋流形成的回流区可以增加煤粉颗粒在燃烧室的运动路径,促进煤粉的燃尽。烟气在流经捕渣管时,温度大大降低,同时流场也受到了一定的扰动,可以有效捕捉灰渣。在变负荷工况下,炉内的速度场按负荷降低成比例下降,回流区的大小基本不变。炉内的温度水平降低,当给煤量由100%降至75%时,燃烧室出口烟温降低了约75℃,而冷却室出口烟温降低了约200℃。本研究可为双U型火焰液态排渣锅炉纯燃高碱煤提供参考。

波浪环境下水下航行体高速倾斜出水流体动力与运动特性研究

针对水下航行体跨水空交界面过程,基于CFD方法,结合VOF与DFBI模型,建立了复杂构型航行体穿越波浪环境的高精度数值模拟模型,实现了波浪环境下复杂构型航行体出水过程模拟,完成了造波和跨介质过程的模拟精度验证,得到了航行体出水过程中的流体动力和运动特性,获得了波浪相位、运动方式等对航行体的受力和运动特性的影响规律,为跨介质无人航行体设计提供技术支撑。

基于计算流体动力学的汽车外形数值模拟

随着计算机技术的发展和数值模拟的兴起,基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)的数值模拟在汽车空气动力学研究中有越来越重要的作用.应用CAD软件CATIA建立汽车的3D自由曲面模型,以CFD为基础运用流场分析软件FLUENT对汽车自由曲面外形进行数值模拟,获得了汽车外形的空气动力学特性,为汽车设计和选型提供了重要依据.

基于计算流体动力学与离散元法的离心泵内流场及磨损的数值模拟

利用离散单元法与流体动力学耦合的方法研究了不同入口流速(0.6、1.2、1.7 m/s)和额定转速(2650、2800、3000 r/min)下单级离心泵内部流场变化、磨损部位、磨损量、输送能力。结果表明:离心泵叶轮叶片尾部易发生空化现象,入口流速对叶片空化现象、出水管道滞留区域产生的影响大于转速的;9种工况下离心泵最大磨损量出现在叶片尾部,转速从2650 r/min变化为3000 r/min时,磨损最严重的部位由叶片1、4尾部变为叶片1、2尾部,叶轮叶片为离心泵磨损最严重的部件,占离心泵总磨损量的38.10%~49.41%;离心泵内沙粒平均停留时间表明,流速对离心泵输送性能的影响大于转速的,入口流速0.6m/s、1.2m/s、1.7m/s下沙粒平均停留时间分别为0.144、0.068、0.052 s,说明随着流速的增加,离心泵输送性能增强。

基于计算流体动力学(CFD)的大跨度桥梁风效应数值模拟

CFD(计算流体动力学)方法作为风洞试验的辅助手段,已越来越广泛地应用于桥梁断面选型及抗风设计分析中。采用CFD方法,对某轨道交通大跨度桥梁进行了二维流场数值模拟,得到流场的压力、速度和旋涡分布,还得到了不同高度主梁截面在-3°、0°、3°风攻角时的三分力系数,并对其随梁高的变化规律进行了分析。

基于计算流体动力学(CFD)的二次供水系统贮水设施水力状态数值模拟

二次供水贮水设施的水力状态对二次供水水质具有重大影响,借助大型流体软件FLUENT,作者采用k-ε方程对水池流态进行了数值模拟,比较进/出水口位置不同、导流板长度及个数不同水池内水流流态和流速。结果表明设置导流板可以提高水池内水流流速、减少死水区面积,这为二次供水贮水设施的设计提供了重要的参考价值。

迷宫滴头水力特性的计算流体动力学模拟

建立了迷宫滴头的CFD(ComputationalFluidDynamics)数值模型,并对滴头的压力流量关系、流道内部的压力和流速分布进行了数值模拟计算。利用原型滴头和滴头放大模型实测值对模型和模拟计算结果进行了实验验证。结果表明,滴头流量压力关系模拟计算值与实测值之间的平均偏差小于5%;滴头放大模型内部压力分布的模拟值与实验值间的平均偏差小于3%。结果还表明,迷宫式滴头流道内压力沿流道长度呈线性变化,在滴头齿尖附近的主流区流速达1.6～2.8m/s,而滴头齿根附近的旋流区的流速为0.1～0.4m/s,在其它尺寸保持不变时,滴头齿距对滴头流态指数的影响不大。CFD数值模拟可以为滴头水力性能的进一步研究提供有效的研究手段。

基于数值计算方法的机械工程模拟仿真研究

机械工程的模拟仿真研究倚赖数值计算方法,已不可或缺于现代工程设计之中。本研究以有限元分析和计算流体动力学的方法,完成对机械系统的高精度模拟,探讨其在各种工况下的动态、力学反馈和流体行为特性。研究者能如此准确洞见机械系统的性能,预期并解决潜在问题,优化设计,不仅提高设计效率、降低成本,而且对机械工程的创新发展尽显其关键性支持作用。要论起数字计算方法在机械工程模拟仿真研究中的重要,那正是帮助我们提高产品表现、确保工程安全的关键。

基于Visual Basic的二维稳态导热数值模拟计算研究

目前大部分传热模拟模型均借助商业软件进行数值求解,不利于了解不同边界条件对导热的影响程度。采用Visual Basic(VB)语言建立二维稳态导热的数值模型求解程序,直观地展示传热过程中的温度分布,通过分析固定边界热流密度变化和固定边界温度变化对导热的影响,得出导热对不同边界变化的灵敏度。