铸嘴结构对3004铝合金铸轧流热场的影响及其优化设计

针对3004铝合金铸轧生产中熔体流动性差、铸嘴布流困难、易造成板面缺陷的现象,采用高温熔体黏度测量仪对3004铝合金熔体黏度进行测量,根据实测物理参数与生产工况,采用COMSOL Multiphysics软件对熔体在2种不同结构铸嘴中的流热场进行有限元模拟分析,根据模拟结果对铸嘴结构进行优化设计与实验检测。研究结果表明：在660~750℃范围内其黏度μ与温度θ的关系可表达为μ=10^-3×exp（0.059＋621.379/θ）;当铸嘴入口2边的挡块与水平方向成8°倾斜角,挡块与分流块间间距为30 mm时,铸嘴型腔内容易产生涡流,流热场分布不均匀;当铸嘴入口2边挡块水平设置,挡块与分流块间间距为50 mm时,熔体流动平缓,流热场分布较均匀。实验验证了模拟结果的准确性与优化方案的可行性。

3003铝合金铸轧熔体流热场的数值模拟研究

采用FLUENT流体计算软件对3003铝合金铸轧流热场进行了数值模拟分析。结果表明:铝熔体在铸嘴型腔内的流动属于湍流向层流的过渡流,应用FLUENT中的低雷诺数K・E湍流模型的计算结果精度高,收敛性好;熔体在铸嘴型腔内流动容易产生涡流,其原因是熔体通过分流块间隙时总是紧贴间隙一侧分流块的轮廓流动,导致另一侧区域充型不足形成低压“真空”区,在压力差的驱使下,熔体回流形成涡流;熔体的速度场对温度场起着决定性的作用,流速快的区域温度也相对较高。该结构的铸嘴布流不当,导致各间隙的熔体分流不均,流过各间隙的熔体速度和流量不均匀,最终使得铸嘴出口处热流场不均匀。

华龙一号反应堆上腔室及热段流-热耦合场数值模拟

压水型反应堆(pressurized water reactor,PWR)系统主管道热段内冷却剂的温度和流量,直接反映了核功率和堆芯换热状态,是反应堆功率控制和安全保护的核心参数。为全面掌握华龙一号反应堆上腔室及热段内冷却剂流-热耦合场分布及演变规律,为核心参数测控提供参考,基于有限元分析(finite element method,FEA)方法,对上腔室及热段冷却剂流域进行了计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟。首先建立了合理简化后的华龙一号(Hualong One)反应堆上腔室及相连热段的3D几何结构模型。随后对模型计算域进行了离散化网格划分和网格敏感性分析。最后通过计算,获得了冷却剂非等温流动的稳态特性解,流量、温度与相关设计估算值、实际测量值的相对误差均小于2%。对稳态特性研究表明,高、低温冷却剂在上腔室垂直内壁附近的不充分换热导致热段入口冷却剂温度分布不均,存在14.0~16.3℃的温差。随冷却剂沿轴向流动,冷却剂温度场分布和流场分布均逐渐趋于均匀和稳定,且是热段内低温冷却剂的流动主导了冷却剂温度分布的变化。

电-热-流多物理场耦合作用下脐带缆温度场及载流量计算研究

脐带缆被誉为连接水下生产系统和上部设施的“神经生命线”,准确分析其温度场分布和载流量是安全开展海洋油气勘探和开采任务的关键保障。不同于传统海缆,脐带缆因结构复杂、功能多样,在位运行时存在复杂的电-热-流多物理场耦合效应,传统解析法难以确定其温度场分布和载流量。本文基于有限元软件Comsol建立脐带缆电-热-流多物理场耦合截面精细模型,通过控制变量法研究3种典型敷设方式、环境等因素对导体温度和稳态载流量的影响。结果表明:当电流较小时,影响脐带缆截面温度和稳态载流量的主导因素是管中液体温度;导体温度的变化趋势能够反映稳态载流量的变化情况;直埋时,埋设深度与外界流体温度的增加皆会削弱脐带缆的散热能力;平铺时,海水流动会明显降低脐带缆温度,在低流速下,流速增加对脐带缆的降温效果十分显著,但高流速的海水会在紧贴脐带缆的表面形成具有温度梯度的边界层,使热量的传递受到限制,降温效果反而不明显;绝缘老化对脐带缆整体温度分布的影响较小,但会影响截面最高温度。

孔隙—裂缝型岩溶热储热——流—化多场耦合作用机理

岩溶型热储开采过程中,储层孔隙内水岩反应会导致流动通道变形,忽略这一反应过程将导致热储产能预测偏差较大。为了揭示水岩作用下岩溶型热储孔隙和裂缝形态的演化特征,综合考虑了孔隙和裂缝内的水岩反应过程,搭建了孔隙—裂缝双重介质热—流—化多场耦合模型并验证了其准确性,进而分析了热—流—化多物理场与孔隙—裂缝形态的分布特征,探究了孔隙—裂缝内水岩反应对孔、缝变形和系统取热性能的影响。研究结果表明:(1)欠饱和注入条件下,注入井处发生溶解反应,生产30年时,裂缝开度增大了0.32%,孔隙度增大了75.76%;(2)生产30年时,考虑孔隙—裂缝内水岩反应案例的裂缝平均开度降低了0.05%,考虑裂缝而不考虑孔隙内水岩反应案例的裂缝平均开度增大了17.12%,二者呈现相反的变化趋势;(3)考虑孔隙—裂缝内水岩反应案例相比于仅考虑裂缝而不考虑孔隙内水岩反应的案例,生产30年时,生产温度相差不大,系统注采压差增大了1.57倍。结论认为:(1)岩溶型热储孔隙内水岩反应对孔、缝变形和取热性能影响显著,其改变了水岩反应对裂缝开度的作用机理,影响系统注采压差;(2)孔隙内的水岩反应不容忽视,在进行岩溶型热储产能的精确预测和经济评价时必须予以充分考虑;(3)该认识可为岩溶型热储开发方案设计和产能预测方面提供理论和技术参考。

流-固-热多物理场耦合作用下安全阀密封性分析

针对弹簧式安全阀快速回座使得阀盘与喷嘴之间发生冲击进而导致密封结构破坏的问题,提出了考虑流-固-热多场耦合的阀门冲击过程分析方法。建立了用于安全阀瞬态过程仿真的CFD模型,同时针对弹簧式安全阀的固体结构建立了有限元模型,并开展了热力学、静力学与动力学仿真和试验对比。结果表明,仿真和试验所测得的阀瓣位移的变化趋势一致,两者偏差为9.86%,最后时刻的阀瓣速度偏差为3.70%,冲击力两者的偏差为6.94%;随着介质压力增大到18.50 MPa,阀盘最大应力和最大接触压力都呈现了先减少、再增大的趋势,同时,密封面实际接触位置由外圈过渡到内圈。研究结果可为安全阀前期设计提供依据。

基于流—固—热耦合的高温伺服阀蛇形流道散热罩散热效率研究

电液伺服系统具有液控负载大、响应快的特点,因此其被广泛应用于航空领域。由于飞行器处于高温工况时,电液伺服系统会受极大影响,不利于飞行器的正常工作。针对这一问题,本文采用流—固—热多场耦合的方法对高温伺服阀散热罩蛇形流道进行了优化研究。首先,介绍了流—固—热三场耦合的理论基础,设计了7种散热罩的结构参数模型,分别建立了散热罩物理模型及流体模型。其次,在此基础上分析了7种模型的散热效果。研究结果表明,增加流道条数并不能提升散热效率,而增加散热罩沟槽宽度和沟槽深度可以提高散热效率,但散热效果并不明显。如要达到散热要求,可以通过增大散热流体流量、降低散热流体温度来实现。

铸轧工艺参数对铝熔体流热场影响的模拟研究

利用Fluent流体模拟软件对1030铝合金铸轧流热场进行数值模拟分析,进而分析铸轧速度和浇注温度对熔体流热场影响的规律。结果发现,Hunter式铸嘴型腔中铝熔体的流场受铸轧速度影响较大,占据主导作用。铸轧生产时,若铸轧速度越慢,则铝熔体有充分的时间进行分配,铸嘴出口处中部与两侧边部之间铝液的速度差越小,但会导致铝液在铸嘴内滞留的时间长、温降大;浇注温度对铝熔体的流、热场影响十分有限,仅影响边部区域的速度场、铸嘴整体温度分布。当铸轧速度为1.2 m/min、浇注温度为695℃时有利于熔体在铸嘴型腔内的流动和充型,有利于铸嘴布流稳定以及保证板坯的质量。

变结构反应离子刻蚀腔室流场热场的数值仿真

为了提高刻蚀的均匀性,对400mm反应离子刻蚀(RIE)腔室建立了气体流动的连续流体模型和热传递模型,研究了反应腔室内压强、流速和温度分布。冷却板恒温285K时,依次改变入口流量和出口压强,分别分析了腔室内部基片晶圆附近的流速、压强、温度的分布;依次改变极板间距离(30mm^60mm)、进气口直径(300mm^620mm)、抽气口直径(50mm^250mm),分析了反应腔室内气流和温度分布。结果表明,压强分布呈现出边缘低中心高的特征,流速呈现边缘高且中心低的特征,且在小流量时压强的均匀性较好;压强分布的均匀性随腔室极板间距离增加而有所提高,且随腔室气体出口面积减小与进口面积增加也有所提高;基片晶圆上方附近处温度场大面均匀、稳定,几乎不受入口流量波动变化的影响,热稳定性良好。该研究对大口径RIE腔室结构设计改进及对大口径反应离子刻蚀工艺控制具有重要意义。

基于电磁-热-流耦合场的多回路排管敷设电缆载流量数值计算

多回路电缆以集群方式敷设时,各回路之间的电磁耦合和热耦合都将加强,对电缆导体线芯和金属外护套的交流电阻及涡流损耗的影响均不可忽略。为准确计算四回路电缆在4×4孔排管敷设方式下的载流量,借助于Comsol和MATLAB软件建立电磁-热-流耦合物理场有限元模型,将电磁场、温度场及排管内空气流速场耦合求解。首先通过求解电磁场计算电磁热损耗,然后作为载荷施加于传热模型进行温度场分布计算。该模型对电缆复杂的邻近效应、趋肤效应进行直接仿真计算,考虑了金属材料电阻率随温度的变化关系,且传热模型中耦合了空气自然对流、热辐射和固体热传导3种导热方式。利用所提模型对6种排列方式下的电磁热损耗和温度场分布进行计算;并利用二分法计算相应的载流量。结果表明,排列方式对电缆间的邻近效应有较为显著的影响,优化排列方式可降低电缆损耗、提升载流量。

基于有限元热-流耦合场仿真的变压器风道结构改进

变压器的热点温升是影响变压器正常运行的一个重要因素,合理的风道结构改进可以在一定程度上降低热点温升。为此,首先建立变压器的二维有限元模型,采用有限元磁场分析得出各部分的热源荷载;再通过有限元热-流耦合仿真计算,得到变压器绕组的温度分布,确定绕组的热点位置;然后针对热点分布位置提出了风道结构改进方案,并再次进行仿真分析。对比分析改造前后绕组的温度和热点情况,表明改造后热点温升降低15%,证明了改造方案的可行性。

多孔介质流-固-热三场全耦合数学模型及数值模拟

给出多孔岩体介质的流–固–热三场全耦合数学模型。假定流体为单相流,固体介质为非沸腾的饱和、热弹性多孔介质,该模型由流体物质守恒方程、力学平衡方程和能量守恒方程这3个相互耦合的方程组成,其中包含了众多耦合项,并定义一系列的本构关系及耦合变量。以FEMLAB工具为基础,将该数学模型转化成为一个统一的偏微分方程组,在人机交互的环境下,实现流–固–热三场全耦合数值求解,一次解出渗流场、位移场和温度场,给出更接近真实物理过程的数值解答,避免松散耦合法求解多场耦合问题带来的误差。利用一个已知解析解和数值解的算例来证明了耦合模型及求解方法的正确性。最后模拟通过井孔向岩体中注入冷水时流–固–热全耦合过程,详细地分析全耦合作用对井壁围岩应力的影响,计算结果表明:流–固–热三场耦合作用对井壁的稳定分析有非常重要的影响。

铝电解槽换极热-电-流场仿真研究及换极策略分析

换极是现代铝电解工业的必要操作之一,新换冷极对电解槽的热场、电场和稳定性造成巨大冲击。本文开发了换极过程中的热-电-流仿真模型,对不同区域(如角部极、中间极)、不同工艺(换热极)的换极进行了模拟分析。研究发现换角部极对槽温度的影响大于中间极,可为角部极提供较大的附加电压值或较长的附加电压时间来增加换角极的热收入,提高温度恢复速度,而换热极工艺则可大大加快新极的温度恢复速度。通过本模型的研究可为换极过程优化提供模型和手段,以达到减小换极影响、提高电流效率的目的。

利用重力—热耦合场流分离技术分离牛黄清肺散

利用重力热耦合场流分离技术对牛黄清肺散进行了分离,并用光学生物显微镜评定分离效果.结果表明,采用重力热耦合场流分离技术可很好地分离牛黄清肺散样本中各成分.

应用三维电磁–热–流耦合场分析法计算换流变压器干式套管的温度场分布

换流变压器阀侧干式套管主绝缘材料为环氧树脂/皱纹纸复合材料,散热能力较差,随着输送功率的提高,套管载流量的升高,发热问题已成为制约换流变干式套管安全稳定运行的瓶颈。该文以400k V换流变干式套管为研究对象,采用三维电磁–热–流耦合场分析方法,考虑了热辐射、热传导和对流传热的影响,计算分析了其三维温度场分布,得出了套管内部的温度分布规律。同时,为了验证所用仿真方法的准确性,对400k V换流变干式套管进行了温升试验,对比了测量点的仿真计算结果与温升试验结果,试验结果表明仿真结果与测量结果的差值低于8%,证明了该方法的合理性,可为换流变干式套管的设计提供计算依据。

基于电磁-热-流耦合场的非开挖敷设方案的海底电缆载流量计算

海底电缆在登陆处采用非开挖敷设方式时,由于埋深较大、管道内散热较差,该敷设段成为整个海底电缆载流量的瓶颈点,为此搭建基于电磁场、流体场和热场3物理场的耦合模型,计算对比不同敷设方式下海底电缆载流量的受影响情况。首先借助于Comsol软件建立了电磁-热-流耦合物理场的有限元模型,将电磁场、温度场及管道内的空气流速场耦合求解,得到给定负荷电流下的温度分布和管内空气流速分布特性;继而以广东某地2个回路220 kV 3芯交联聚乙烯(polyethlene,PE)绝缘3×500 mm^2海底电缆为例,分析计算海底电缆在水泥顶管和定向钻PE排管2种情况下的载流量。结果表明:采用水泥顶管敷设方案时能满足工程输送容量的要求,而采用PE排管敷设方案的载流量略低于额定值;另外可通过改变管道材质、管道内充水达到提升非开挖敷设方式下海底电缆载流量的效果。

板栅连铸机连铸区热—流耦合场数值仿真研究

通过对板栅连铸机工作原理的分析和连铸区热—流耦合数学模型的建立,利用ICEM CFD软件建立了板栅连铸区仿真模型.通过对其预处理,包括划分网格、确定仿真条件、设置仿真参数,将模型导入FLUENT软件;经过仿真求解计算,得到各参数对热场与流场的关系云图.通过仿真结果的对比分析,得到各工艺参数的最佳范围.研究成果有助于板栅连铸机的合理运行,为进一步优化设计提供理论依据.

热场流分离混合样本蛋白的参数优化仿真

传统方法分离混合样本蛋白时,受到溶剂浓度、温度和时间影响,导致蛋白参数优化效果较差.为了解决上述问题,提出了热场流分离混合样本蛋白的参数优化方法.分析热场流分离流道几何形状和热场流分离原理,计算分离混合样品的动力学直径,标定通道的实际高度,获取相关参数信息.以分离度为参考指标,充分考虑分离时间、峰形因素.研究蛋白分子水力半径之差与腔室内保留时间差之间关系,获取分离蛋白优化条件参数,依据蛋白参数优化流程,计算水解度和短肽得率,实现热场流分离混合样本蛋白的参数优化仿真.在实验材料、试剂与仪器支持下,进行仿真研究,由仿真结果可知,热场流分离优化方法在不同溶剂浓度、温度和时间影响条件下,都与实际分离率一致,具有良好参数优化效果,为热场流分离蛋白质未来发展方向打下坚实基础.

热场流分离理论

热场流分离技术是一种方便快捷的分离、分析技术,热场流分离理论是物性分析、分离领域中新的分离理论,其具有分离系统设备简单、应用领域广泛、分离过程效率高和不破坏物质物理化学性质等优点。文章介绍了热场流分离理论的基本原理及工作过程,描述了热场流分离设备的主要结构,总结了热场流分离理论的国内外发展现状和主要应用领域,展望了热场流分离理论技术的应用发展方向。

场流分离理论的研究现状及发展趋势

场流分离是一种方便快捷的分析分离技术,它具有设备简单,应用广泛,效率高等优点。该文介绍了场流分离原理及理论,描述了场流分离设备的主要结构,着重讲述了电场流分离、热场流分离、沉降场分离、流场流分离的方法及应用。比较了不同场流分离技术的差异,展望了场流分离发展的方向。引用文献44篇。