利用CFD方法优化沼气发酵罐内流场形态的研究综述

料液搅拌是现代沼气工程不可或缺的附属工艺,能够大幅提升发酵效率。利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法模拟计算料液在厌氧消化罐内的流动过程,可以得到流场分布图,实现流场可视化,根据图形识别流场形态的特点和缺陷,优化设计搅拌形式和运行参数。近年来,利用CFD方法模拟沼气发酵料液搅拌的研究,在优化设计罐型、搅拌形式、搅拌运行参数、料液混合方式等方面都取得了极大进展,提升了沼气科学研究的层次,是沼气科学发展史上的一个重要阶段,并代表了未来的发展方向,文章综述了该阶段的研究进展。

利用CFD工具优化设计沼气工程流场形态的方法研究

掌握、优化流态,可以显著提高沼气工程的厌氧发酵效率。计算机数值模拟计算方法是当前分析研究流场形态的常用方法,非常适用于处于严格密闭状态下的沼气发酵料液流场形态分析。文章以1个模拟建立的小型沼气厌氧发酵罐的清水工况为例,通过计算流体动力学(CFD)软件构建发酵罐的内部流场进行模拟计算分析,阐述底部进水和分散式出口两种整流布水工艺的流体力学原理,介绍了利用CFD软件优化设计沼气料液流场的方法。

流场形态对旋风分级器性能的影响

气流分级器性能的优劣很大程度上取决于流场分布,改变常规旋风分级器的切向进风口位置,在分级空间建立不同类型的离心流场,采用数值模拟和分级试验手段分析了分级流场形态对颗粒运动过程和分级性能的影响。结果表明,传统旋风分级器边壁下行流造成粗粉中细颗粒夹带较多,影响分级精度;新型旋风分级器内形成上下两个旋涡,上旋涡均为上行气流,其流量约占总风量的80%,下旋涡携带细颗粒较少,降低了细颗粒进入粗组分的概率;上旋涡可实现对边壁区的细颗粒的轴向淘洗、再分级,提高了分级精度。试验结果表明,入口气速从10m/s增加至22m/s。相较于传统旋风分级器,新型旋风分级器的分级性能明显改善,分级精度指标平均提高27%,压降损失为传统旋风分级器的53%~62%。

滤料粒径对BAF小尺度下流场形态及挂膜速度的影响

为探讨颗粒粒径对曝气生物滤池(BAF)运行效果的影响,采用数值模拟和实验研究方法分析了滤料粒径对曝气生物滤池流场形态及挂膜速度的作用机理.选用5个颗粒尺寸结构空间作为计算区域,利用Fluent软件对相同颗粒间隙、不同颗粒粒径下BAF小尺度下的流场形态进行模拟分析,并通过对3种粒径下流线图、速度矢量图、压力分布及湍流强度变化的对比分析,发现颗粒粒径为3 mm时流场形态最好,最有利于气水混合及氧传质的进行.同时,为验证模拟结果的正确性,对同种材质、相同运行条件下3种不同颗粒粒径进行挂膜速度对比,通过考察挂膜启动28 d的COD去除率变化及污泥生物量的对比分析,发现颗粒粒径为3 mm时,运行最为稳定,系统运行第16 d时就达到了80%的COD去除效率.

一级气体炮制退器的流场分析及其效率测试

针对口径为50 mm的一级气体炮制退器,基于三维非定常Navier-Stokes方程,结合多区域动网格技术,对侧孔倾角为120°、孔径为16 mm的制退器流场形态进行了数值模拟,分析了发射压力对冲击波形成、发展和衰减的变化规律以及制退效率的影响。搭建了一级气体炮发射平台,并进行了制退效率测试。实验结果表明:模拟计算得到的一级气体炮制退器的制退效率与实验结果的最大相对偏差小于1.25%,制退器的流场动态发展与实验结果高度一致;制退效率随发射压力的升高呈线性增大,对于侧孔倾角为120°、孔径为16 mm的制退器,当发射压力由5 MPa提升至10 MPa时,制退效率由4.87%提高至12.71%。

Φ50mm口径气体炮炮口制退器的设计与效率分析

针对气体炮发射过程中受后坐力作用影响瞄准精度的问题,基于兵器标准推荐数值确定了炮口制退器的主要尺寸参数及其变动范围,设计了适用于Φ50 mm口径的一级气体炮反作用式炮口制退器,理论分析了制退器的制退效率,获得了高压气室压力、弹体质量、侧孔倾角以及侧孔直径等试验参数对制退效率的影响,并通过有限元流场仿真验证了制退效率,该方法和制退器的结构形式为其他应用场景的气体炮炮口制退器的设计提供了参考。

冲刷环境对桥墩冲刷空间形态影响的仿真分析

为研究环境对桥墩冲刷的影响,基于K-ε湍流模型建立了桥墩冲刷及冲刷环境数值仿真模型.对其三维仿真建模过程中的4个关键问题分别进行深入研究并提出优选的解决方法,特别关注三维边界条件的动态更新以及计算收敛性的算法改进.进而利用B.W.Melville经典实验对提出的桥墩冲刷精细化仿真方法从空间形态的角度进行多方面准确性验证.最后基于该精细化仿真方法,对CFD计算软件Fluent二次开发,进行精细化参数分析.计算结果表明:桥墩尺寸与最大冲刷深度以及流速与最大冲刷深度均存在近似线性关系,选择合适的桥墩形式、降低桥墩有效宽度、降低墩前水流流速以及选择合适的水流深度均可明显降低桥墩冲刷深度.不同冲刷环境参数取值对桥墩冲刷空间形态所产生的不同影响可以为桥墩主动抗冲刷设计与选型提供合理的理论基础与依据.

利用CFD多相流模型优化设计沼气料液搅拌流场的方法研究

搅拌是现代沼气工程必不可少的工艺,优化料液搅拌的流场形态,可使发酵物料分布更加均匀,从而提高沼气的产量和污染物去除率。采用底部进水、高位分散式压力出口的设计方式可以显著优化流态。沼气发酵搅拌实质上是一种固液两相流过程,其初始阶段固体颗粒较大,后期将处于高浓度粘性液体(非牛顿流体)状态。文章设计了一台容积0.75 m3的厌氧消化罐,利用计算流体力学(CFD)软件,以水为介质,模拟初期的基本流态,并采用欧拉模型模拟后期的高浓度粘性流体流态,从而验证底部进水、高位分散式压力出口设计方案的优化效果。通过对几种进料速度的搅拌效果进行分析,发现在清水介质工况下,采用0.6 m·s^-1的进水流速,比1 m·s^-1流场分布更均匀,避免了分层。但在秸秆介质工况下,采用1 m·s^-1却比0.6 m·s^-1更均匀,并能避免分层。文章通过变工况模拟分析的对比演示,阐述了利用CFD多相流数值模型分析不同工况混合搅拌流场形态,优化设计搅拌参数的方法。

不同来流条件下四圆柱尾流场试验研究

基于粒子图像测速技术(PIV)对小间距比比L/D=1.5工况下方形布置四圆柱在不同来流角角α(α=0°、15°、30°、45°)条件下的尾流流场特性进行了试验研究,分析了不同来流角度条件下四圆柱瞬时和时均尾流流场特征,获得了瞬时和时均速度矢量、涡量等值线、流线拓扑及雷诺应力分布随来流角度变化的规律。试验结果表明,来流角度对方形布置四圆柱尾流形态有显著影响。四圆柱瞬时尾流形态随来流角度增大可分为延伸体流动流态(α=0°)、尾流剪切层附着流态(α=15°、30°)及尾流剪切层共同脱落流态(α=45°)三种流态。当来流角度增大时,四圆柱下游断面平均流向速度分布由"W"形向"U"形转变,时均雷诺正应力及雷诺剪切应力等值线分布特征也会发生明显改变。

渗流场的差分法与防渗结构侧水压力的探讨

为解释常用的防渗体侧水压力计算模型与实测值之间的明显差异,文章提出:“节点间等效渗透系数”、“拓展零渗透节点”、“可变零渗透节点”等概念在分析地下水渗流场中的意义,以解决差分法对地下水渗流潜水面的数值模拟问题;并在模拟工程实例的基础上,对侧水压力实测的模拟结果和对常用防渗模型误差来源的分析;指出常用防渗模型侧水压力的分析误差主要是因该模型未能较准确反映实际流场而造成的;在工程应用中,防渗体侧水压力的确定应根据不同情况予以分别对待。

4气门汽油机缸内空气运动的试验研究

使用激光多普勒测速仪(LDA)在发动机倒拖工况下测量了一台4气门Fox350汽油机缸内的空气运动.试验结果显示,在靠近缸盖底平面附近,单气门独立工作与双气门同时工作有不同的流场形态.缸内的空气运动增加了涡流分量,总体表现为滚流和涡流合成的斜轴涡流.

平面气固撞击流周期振荡的模拟分析

由于喷嘴截面的高宽比远小于1,平面狭缝喷嘴撞击流可看作二维撞击流。采用欧拉双流体模型对二维气固撞击流进行数值模拟。模拟结果表明,当固相负载率m≤8.2,颗粒粒径为60μm≤dp≤175μm时,大间距的平面气固撞击流也出现了周期振荡。通过分析射流轴线上不同位置的压力和速度的瞬时值和平均值,认为周期振荡是由于撞击面上压力释放和持续射流的共同作用导致。讨论了不同条件对振荡周期的影响:振荡周期随喷嘴间距或颗粒粒径的增加而增加;而随射流Reynolds数的增加或者固相负载率的增加而减小。

汽轮机切向进气蜗壳气动性能研究

采用实验测量和数值模拟的方法,研究了单独切向进气蜗壳和切向进气蜗壳耦合静叶结构的气动性能和流场特性。实验测量了3种出口马赫数下的单独切向进气蜗壳和4种进出口压比下的切向进气蜗壳耦合静叶结构的总压损失系数、出口气流角、质量流量。采用数值求解三维RANS和SST湍流模型分析了实验测量的切向进气蜗壳的流场形态。数值模拟得到的气动参数值与实验值吻合良好,验证了数值方法的可靠性。结果表明:单独切向进气蜗壳与切向进气蜗壳耦合静叶结构的出口气流角的分布与大小基本上不随进气总压的增加而改变,出口气流角在152.0°左右,切向进气蜗壳耦合静叶结构的出口气流角在166.6°左右;与单独切向进气蜗壳相比,切向进气蜗壳耦合静叶结构的出口气流角沿周向的分布更为均匀;单独切向进气蜗壳和切向进气蜗壳耦合静叶结构的总压损失系数和质量流量随着进气总压的增加而增加,单独切向进气蜗壳的总压损失系数由0.73%增加到1.64%,切向进气蜗壳耦合静叶结构的总压损失系数由0.82%增加到2.66%。研究工作可为汽轮机切向进气蜗壳的设计和性能分析提供参考。

天然气超声波计量系统性能影响因素分析

通过对时差法多声道超声波流量计工作原理进行分析,根据体积流量计算公式,结合天然气贸易计量中的实际应用,综合分析了噪声、温度、压力、脏污、天然气组分、流场形态、超声换能器安装效应对多声道超声波计量系统精度的影响,并提出改进措施,以期为实现精准计量和效益最大化提供参考依据。

椒江河口形态变化对风暴潮位的影响——以9711号台风为例

为了探究河口形态变化对天文潮和风暴潮的影响,应用二维水动力模型对椒江河口的风暴潮进行模拟。模型重现了9711号台风引起的风暴潮,并利用实测和预报资料对风场、天文潮位、风暴潮位进行了验证。基于围垦规划的思路,从北岸延伸、南岸延伸、两岸同时延伸和河口收窄四种河口形态变化的角度出发,设置了四组试验方案,分别建立天文潮和风暴潮模型。结果表明,河口形态不同方式的改变对天文高潮位、风暴高潮位和风暴增水有着不同形式和程度的影响,对比分析前后方案的流场可以初步探究其变化的原因。本文成果有助于认识河口形态对河口动力的影响,为海洋防灾减灾提供参考。

喷管尺寸对水下喷气噪声特性影响的研究

水下排气噪声是一些水下武器的主要噪声源之一,其排放系统管路的喷口参数对喷气产生的辐射噪声有重要影响,特别是对喷口附近气液两相流动产生的噪声有较大影响。为了研究不同喷口结构对水下喷射流场形态和辐射噪声特性的影响,本文对3种不同直径喷管进行多种工况下的水下喷气噪声试验,并观测了喷气形成的两相流场,研究发现在射流状态下喷管直径对空穴大小影响较大;流场形态由气泡流态转化为射流流态后,中高频段内的声压非线性增大;相同的射流韦伯数下,小直径的喷管能够抑制气泡噪声的产生。

电磁净化中间包传输特性的水模拟

为了得到电磁净化中间包中流体的流动及传输特性,以及旋转运动在中间包净化钢液中所起的作用,采用中间包物理模拟方法,对电磁净化中间包中不同控流装置配置和旋转速度下的停留时间分布曲线进行了测试,并对流场进行了显示实验.结果表明:电磁净化中间包圆形腔中的旋转运动能够减小中间包中滞留区分数,增加活塞区比例,同时增长平均停留时间,有利于中间包内夹杂物的去除;但旋转速度不是越高越好,存在一个最佳值.

右旋糖酐制药废水循环流化产沼气实验

为提升生物制药废水处理效率,以某制药厂的右旋糖酐废水作为主要发酵原料,设计2种不同循环流化的水力搅拌方案,进行653.5 L规模的厌氧消化对比中试试验。1号罐为底部进水高位集中压力出水(单口),4号罐为底部进水高位分散式压力出水(四口)。28 d连续发酵实验表明,1号罐较不搅拌的对照组(0号罐)的产气率和COD去除率分别提升了45%和20%,4号罐则分别提升了58%和24%。研究结论可为指导右旋糖酐废水产气潜能提升设计和进一步机理研究提供借鉴。