基于流-热-固耦合分析的数值模拟及结构优化

为解决等径T型管路应力过大问题,提出一种基于流-热-固耦合分析方法的优化方法对等径T型管结构进行优化。首先,基于流、固力学理论建立T型管多场耦合的数学模型和物理模型,对T型管内流体的速度温度变化情况和管路的等效应力的分布情况进行仿真模拟,在仿真结果的基础上对管路进行结构优化。仿真结果表明:冷热流体的压力差会导致流体产生逆流现象,从而导致管路的上游区等效应力值增大。等径T型管的最大等效应力值出现在主支管交汇的下游内壁面处。优化后管路内壁面最大等效应力值下降约14%,可以有效地延长管路的使用寿命。该方法对提高气体管路设计的可靠性具有一定的实践意义。

基于孔-裂隙的煤层瓦斯抽采热-流-固耦合模型研究

为研究温度因素对负压钻孔抽采瓦斯的影响,建立了基于孔-裂隙双重多孔介质的热-流-固耦合模型,运用数值模拟手段,对比了不考虑温度因素下基于气-固耦合模型的瓦斯抽采特点和抽采效果。模拟结果表明:考虑温度因素影响所得渗透率结果更小,抽采卸压效果相对较弱;初始煤层瓦斯压力越高,煤层温度降低越明显;考虑温度变化影响,针对不同有效抽采半径R,进行了孔间距为2√3 R/3、2R、4R、6R的多钻孔布孔研究,得出有效抽采区域随抽采时间增加呈现由多个小圆柱状发展为一个大圆角三棱柱,最后趋向于一个规则的大圆柱状的变化规律。研究成果可为预抽煤层瓦斯前布孔设计工作及实际瓦斯灾害防控提供一定的参考。

深部煤层注气强化开采的流-固-热耦合数值模拟研究

为研究温度效应对深部煤层注CO_(2)增抽瓦斯的影响规律,根据煤体变形特征和瓦斯渗流特性基本理论,建立了同时考虑非等温吸附、二元气体竞争吸附、气体渗流和扩散、热传递和热对流的注CO_(2)强化煤层抽采的流-固-热耦合模型,探究了温度效应对煤储层参数和产气演化规律的影响。结果表明:煤层温度降低引起的煤基质收缩促进了CH_(4)解吸,忽略温度效应的流-固耦合模型会低估瓦斯产气量;在初始渗透率为3.95×10^(-17) m^(2),CO_(2)注气压力为8 MPa时,对于韩城矿区3#煤层埋深1400 m的深部煤体而言,考虑温度效应(319.5 K)的流-固-热耦合模型相比流-固耦合模型,瓦斯抽采3650 d,煤层平均瓦斯压力下降0.69%,A点渗透率增幅11.02%,产气速率增幅13.51%,累计产气量增幅13.76%。

热-流耦合与热-流-固耦合作用下的水气交替及间歇注入对咸水层CO_(2)溶解封存的影响

基于TOUGH+软件架构,结合更为准确的物理性质计算模型,建立了适用于咸水层CO_(2)封存的热-流耦合模拟方法,并使用固定应力分割迭代耦合模型将其与RGMS软件耦合,改进了热-流-固双向耦合模拟方法,建立了准确性更高的热-流-固迭代耦合模拟方法。基于鄂尔多斯盆地地质特征构建的地质模型,使用热-流与热-流-固迭代耦合方法模拟咸水层CO_(2)溶解封存过程,研究了水气交替及间歇注入方案对CO_(2)溶解量、孔隙压力和地层形变的影响。结果表明:热-流-固迭代耦合模拟能帮助设计更加合理的注入方案;仅用水气交替注入方式可提高CO_(2)溶解量;间歇注入有助于孔隙压力与地层形变恢复。研究结果可为咸水层CO_(2)溶解封存提供理论指导。

基于流-固耦合的后处理系统热管理仿真分析

基于流-固耦合仿真方法,采用流体仿真软件STAR-CCM+建立卡车的整车三维辐射模型,仿真分析高速(车速为60 km/h)和驻车2种工况下后处理系统的流场和温度场,并开展后处理系统的热管理。结果表明:由于车速影响,传热损失增加,后处理系统的温度无法满足工作要求;在后处理系统增加保温层后,后处理系统固体壁面温度大幅提升,固体壁面最低温度在高速工况提高了58.83℃,驻车工况下提高了58.50℃;保温效果随着保温层厚度的增加而增加,但保温效果的提高幅度随保温层厚度的增加而减小。

核桃烘干装置内部热-流-固耦合传热分析与参数优化

针对刚采摘的青核桃含水率高的问题,设计一个核桃烘干装置模型,对青核桃进行预烘干处理及确定最优的核桃烘干参数。通过3因素3水平正交试验探究不同入口温度、入口风速和烘干时间对烘干装置内部温度、速度场以及核桃温度的影响。使用Fluent软件将核桃建模成一个3层球体,分别为核桃外壳、核桃气隙、核桃仁;分别对不同烘干参数下的烘干装置与核桃进行数值模拟研究,获得烘干装置内部温度场、速度场的分布情况以及核桃温度变化规律,得到烘干装置内部与核桃的温度变化曲线。结果表明,当入口温度为393 K,入口风速为1.7 m/s,烘干时间为45 min,烘干装置内部以及核桃的温度场分布最好,变化最均匀;通过试验验证仿真数据的可靠性,试验结果与仿真结果变化曲线一致。研究结果为确定核桃预烘干最佳工艺参数提供理论依据。

热-流-固耦合作用下页岩气储层渗透率的演化机制

为了研究热-流-固耦合作用下页岩渗透率的演化机制,考虑热解吸、有效应力和热膨胀对页岩渗透率的影响,提出了页岩的有效应力-渗透率模型,该模型能够分析吸附应变和热膨胀应变对页岩渗透率的影响机制。基于该模型和多孔介质弹性理论,建立了单轴应变条件下页岩气储层的热解吸渗透率模型,该模型能够探讨页岩渗透率随温度和孔隙压力的演化规律。利用室内实验观测的页岩岩样渗透率实验数据,验证了该模型的有效性和准确性。结果表明:(1)热解吸渗透率模型能较好地拟合恒压变温条件下的Marcellus页岩渗透率。(2)探讨了恒温条件下页岩渗透率随孔压的演化机制,发现恒温条件下渗透率的演化规律呈“U形”,温度越高,渗透率随孔压下降的反弹现象越不明显。(3)分析了恒压条件下页岩渗透率随温度的演化机制,发现恒压条件下渗透率随温度的演化规律呈“倒U形”,孔隙压力越大,温度对渗透率的影响越小。(4)分别在恒温和恒压条件下对热解吸渗透率模型进行敏感性分析,发现泊松比越大,渗透率比值梯度越大,孔隙体积模量越大,渗透率比值梯度越小。恒压条件下,当线胀系数大于临界值或朗缪尔体应变小于临界值,渗透率的演化规律不呈现“倒U形”。恒温条件下,当朗缪尔体应变小于临界值时,渗透率的演化规律不呈现“U形”。

基于热-流-固耦合建模的精密机床主轴差异冷却策略优化

针对以往的热模拟方法很难准确预测主轴的热行为,采用了一种热-流-固耦合主轴有限元建模方法,用于精确模拟流动冷却液与主轴结构之间的传热过程。并且在所建立的主轴热特性模型基础上还提出了一种差异冷却策略(冷却液供给温度和流量)的优化方法。该方法根据给定的主轴加工条件(如4000 r/min转速和20℃环境温度)得出优化的差异冷却策略,优化的差异冷却策略和给定的加工条件的综合作用,使主轴具有良好的热性能(稳定的温度场和最小的热误差)。最后,基于差异化的冷却装置进行实验,实验验证了该热-流-固耦合有限元主轴建模方法的可靠性,优化的差异冷却策略能有效地稳定主轴温度场。此外,还验证了稳定的主轴温度场能使主轴热误差最小。

油页岩原位注蒸汽开发的固-流-热-化学耦合数学模型研究

针对目前传统地面干馏油页岩技术中存在的高成本、高污染问题,提出了对油页岩进行原位注蒸汽开发的新方法.并利用太原理工大学研制的高温高压干馏釜对油页岩进行了高温高压蒸汽作用下油页岩干馏渗透实验.结果表明:高温高压蒸汽作用下油页岩会产生大量的孔隙、裂隙,从根本上提高了油页岩的渗透性;主要利用对流传热的方式,高效率地加热了油页岩并带走页岩油.同时,在复杂理论分析的基础上建立了油页岩原位注蒸汽开发过程中的固、流、热、化学耦合数学模型,包含了众多的耦合项作用,为分析解决油页岩原位注蒸汽开发过程中的复杂物理化学过程提供了理论依据.

多孔功能梯度管柱的热-流-固耦合屈曲特性

为了探究功能梯度管柱其热-流-固耦合屈曲特性对稳定性的影响,本文基于Euler-Bernoulli梁理论,研究了多孔功能梯度管柱的热-流-固耦合屈曲特性。分析中采用含孔隙度的Voigt混合模型描述多孔功能梯度管柱的材料属性。基于Hamilton变分原理,获得了多孔功能梯度管柱在热-流-固耦合作用下的非线性动力学控制方程及相应的边界条件。讨论了材料非均匀参数、孔隙度、内流流速、温度和轴向张力等参数对屈曲特性的影响。结果表明:随着孔隙度体积分数的增大,管道的等效弹性模量减小,但是屈曲临界温度、临界流速反而有所增加、而对于幂律指数,其对临界值的影响刚好与孔隙度体积分数相反。

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。

基于热-流-化耦合作用的单井增强地热系统性能分析

地热流体中的矿物溶解沉淀对地热资源开发具有重要影响。本文基于水-SiO_(2)反应速率控制方程,建立了单井增强地热系统(SEGS)热-流-化(THC)耦合数值模型,利用解析解验证了流动换热模型和溶质运移模型的准确性,模拟分析了储层温度、SiO_(2)浓度、反应速率和裂隙宽度之间的耦合关系。基于离散裂隙模型,分析了注入矿物浓度和注入流量对SEGS取热性能的影响。结果表明:①过饱和注入引起的矿物沉淀与欠饱和注入引起的矿物溶解均发生在远离注入段的一定距离处,裂隙宽度的改变呈带状分布,反应速率峰值随时间推移向外围移动;②由热-流(TH)与热-流-化(THC)耦合模型得出的注入压力和采出温度最大相差2.12MPa和4.66℃。欠饱和注入降低了注入压力,加快了采出温度的衰减,过饱和注入则与之相反;③注入流体中的SiO_(2)浓度每增加0.005mol/kg,30年平均注入压力增加0.5MPa,平均采出温度增加0.4℃。将注入流量从8kg/s提高至12kg/s,对于过饱和注入,系统运行30年后的注入压力提高7.2MPa,采出温度下降8.58℃;对于欠饱和注入,注入压力提高5.14MPa,采出温度下降10.43℃。

悬臂止推箔片轴承三维流-固-热耦合数值分析

工作温度是影响轴承性能关键因素之一,为了深入分析轴承气膜温度变化对箔片轴承承载特性的影响,本文中建立了考虑冷却气实际流动特性的悬臂止推箔片轴承三维流-固-热耦合模型,研究了轴承间隙、转速以及冷却气流速变化时悬臂箔片轴承气膜压力场和温度场等的变化规律.研究结果表明:随着轴承间隙减小以及轴承转速增大,气膜表面温度逐渐升高,其中气膜高压区温度上升更快,气膜温度与轴承间隙呈现线性变化趋势,气膜温度与转速呈现非线性增长的趋势,相比于轴承间隙,轴承转速升高对润滑气膜温度场影响更大,气膜温度过高可能会造成轴承热失效,因此需要深入研究工作温度对轴承性能的影响;随着冷却气流速增大,轴承承载力和气膜温度逐渐减小.冷却气流速增大到一定程度时,降温效果不再发生明显变化.

混凝土热-水-化-干湿应变多场耦合模型

为了准确研究水工混凝土在服役环境中因湿度变化引起的应变应力特性,从基本理论出发,建立修正的热-水-化-干湿应变(THCD)多场耦合模型.在已有模型的基础上,引入优化的化学亲和力函数和吸附等温线方程,实现对水化过程和湿度多阶段演变的准确模拟,进一步建立湿度和应变之间的关系,使模型可以对湿度变化引起的应变应力特性进行描述.基于模型对不同水灰质量比及养护条件下的自干燥、自收缩、单轴扩散干燥试验进行模拟验证,并进行干湿循环试验的数值模拟.结果表明,所提模型具有较好的适应性,可以准确模拟试验中湿度和应变的演变过程,在干湿循环试验中由湿度引起的应变应力特性符合一般规律.该模型可以为水工混凝土结构的安全评估和寿命预测提供支撑.

可变形天然裂缝动态宽度流-固耦合计算模型

针对当前的天然裂缝宽度预测模型没有考虑裂缝在缝内流动净压力作用下变形的问题,开展了可变形天然裂缝动态宽度流-固耦合计算模型研究。首先,根据天然裂缝的变形控制方程和缝内流动净压力方程建立流-固耦合漏失动力学模型,得到漏失速率和漏失前端侵入速度的控制方程;然后,运用自适应搜索法求取天然裂缝等效平均宽度,结合体积等效原则求得天然裂缝初始宽度,联合初始宽度和漏失速率的几何控制方程建立天然裂缝形态系数的求解方法;最后,基于漏失前端侵入速度的几何控制方程进行天然裂缝形态约束求解得到法向刚度,进而得到天然裂缝动态宽度流-固耦合计算模型。建立的可变形天然裂缝动态宽度流-固耦合计算模型,经验证其计算结果与现场测量数据吻合较好,仅需钻井液性能、井漏现场测量的漏失速率序列及漏失体积序列,就能进行天然裂缝动态宽度预测,便于现场应用。

飞行器前体-进气道热变形效应对进气性能影响的流/热/固耦合数值模拟

进气性能是吸气式高超声速飞行器进气道设计的重要指标。在长时间气动热载荷作用下,飞行器前体和进气道均会产生不同程度的热变形现象,改变进气道内部气流组织和流场结构,影响进气性能甚至危及飞行安全。基于自主研发的热环境/热响应耦合计算分析平台,开展了飞行器典型前体-进气道结构的流/热/固耦合数值模拟,分析了前体压缩面和唇口构型的热变形效应对进气道波系结构和进气性能的影响规律。分析表明:长时间巡航状态下,考虑热变形影响时,进气道唇口会偏离设计状态,波系随局部变形而发生位移和振荡,导致进气道入口流量系数上升,总压恢复系数下降,升压比上升。热变形导致进气性能相关影响需在吸气式飞行器设计中予以重点关注。

爆炸冲击下考虑流-固-热耦合效应的核动力装置典型管道结构响应

为研究流-固-热耦合效应对核动力装置中典型管道抗冲击性能的影响,选取稳压器波动管为研究对象,建立其局部简化的三维模型,利用ANSYS Workbench有限元仿真平台并采用时域模拟法分析了爆炸冲击载荷下考虑流-固-热耦合效应时管道的结构动态响应。结果表明:波动管的弯管和三通处都产生了应力集中现象;对比爆炸冲击载荷单独作用下的计算结果发现,考虑流-固-热耦合效性时,最大应力值出现的位置有所变化,部分位置产生的位移振荡峰值更大,说明流-固-热耦合效应对爆炸冲击下管道危险位置的评估会产生影响,同时也能增加抗冲击分析结果的保守性。该研究结果可为爆炸冲击环境下核级管道的抗冲击性能评估提供新的参考。

基于热-流-固耦合的航空发动机尾气采样装置设计

为满足当前国际社会对于航空发动机排气污染物的严格要求,需要在航空发动机高温、高速尾流场中采集排气污染物并进行组分浓度测量。在使用地面试车台开展某新型低冰点燃料尾气排放特性测量试验时,针对所用发动机排气温度较高的问题,设计了三种带水冷的尾气采样装置方案,并通过热-流-固耦合方法对三种方案的冷却效果和结构强度进行分析。计算结果表明,冷却水进口压力为0.3 MPa时,方案1采样装置表面最高温度超过1600 K,冷却效果无法满足设计要求;方案2采样装置最高温度约840 K,方案3最高温度约1240 K,冷却效果均能满足要求。对方案3进行静强度分析,其静强度安全系数为3.34,具有足够的安全裕度。使用所设计的采样装置成功完成该型燃料尾气成分测量试验,验证了所采用的设计方法的可靠性,可以为提高现有尾气采样装置设计能力提供参考。

基于热-流耦合模型的动力电池液冷系统冷却性能研究

构建了动力电池液冷系统的热-流耦合数值模型,其中冷却液流动过程采用一维非等温管道流方程计算。基于此模型,研究了不同运行参数对液冷系统冷却性能的影响规律。结果表明,当冷却液流量增大时,其功耗增大,但电池均温性提高;当冷却液进口温度升高时,系统泵功增加,但车载制冷系统功耗降低、电池均温性提高;当液冷系统停止温度升高时,其功耗降低,但启停次数呈增加趋势。上述模型对电池液冷系统的设计和优化具有重要意义。

主动冷却复合点阵夹层结构的热-流-固多场耦合响应

采用数值方法研究了冷却流体主动换热作用下复合点阵夹层结构的热-流-固多场耦合问题,探究了夹层结构冷却系统内流动场、温度场对结构弯曲变形的响应,揭示了冷却流体流经弯曲变形结构的热传输特性、压降损失特性以及换热综合性能,阐明了夹层结构内的局部流动特性和主动换热机理。研究表明,主动冷却复合点阵夹层结构可有效实现承载-热控一体化,内凹弯曲变形能有效提升结构热控效果。