气泡浮力羽流动力特性三维数值模拟研究

【目的】研究曝气池中气泡浮力羽流的动力特性,为提高深层曝气方式的污水处理效率提供依据。【方法】分别采用欧拉双流体模型和混合模型结合标准κ-ε紊流模型,对气泡浮力羽流进行数值模拟,讨论了这2种模型计算流场的精确性和边界条件的适应性,并使用压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with splitting of operators)算法进行了速度与压力耦合求解。【结果】通过模拟得到了气泡羽流的瞬时性及其尾部的摆动规律等流动特性,模拟的速度矢量沿水深方向呈增加趋势,但表现并不稳定,在上部区域气泡羽流出现了摆动,而在下部区域气泡羽流的摆动不明显,但这一部分的速度相对较大。【结论】欧拉双流体模型结合标准κ-ε紊流模型模拟气泡浮力羽流动力特性优于混合模型。

受限空间浮力羽流准稳态速度场的实验研究

利用作者自己发展的一种热球式低风速多点实时测量系统，测量了受限空间浮力羽流各横截面上竖直方向的速度分布。实验中改变火源相对于侧壁的距离以及火源的功率，发现火源距靠近的壁面越远，则浮力羽流横截面上的速度分布越趋于平缓，沿侧壁面Ｘ方向的速度分布是近似高斯分布，垂直壁面Ｙ方向的速度分布偏离高斯分布。羽流轴线向靠近的壁面偏斜，羽流轴线相对于火源中心线Ｚ轴之间的距离定义为轴线偏移距离δ。δ随火源与侧壁之间的距离Ｙ的增加先是增加然后下降；δ随火源功率的增加而增加。实验结果显示了受限空间浮力羽流场的基本特性。

二维线性浮力羽流特性的研究

通过对二维线性浮力羽流的理论分析，得到了羽流温度分布，速度分布以及羽流宽度和卷吸常数的表达式。并用实验的方法测量了由线性火源产生的二维线性浮力羽流的温度和速度变化。

浮力羽流低风速的多点实时测量

作者发展了一种浮力羽流低风速的多点实时测量技术。测头端部安装耐热玻璃小球,直径0.8mm,球内装有热电偶和加热电阻丝,测头将风速转换为热电偶的电势。每支测头必须经过专用校准热风洞的单支校验。使用巡回检测系统记录多个测头的电位,得到流场各点风速的统计平均值,实现了低风速场的多点实时测量。本测量系统对火灾科学、环境科学和气象学的实验研究和实地观测是很有用的测量技术。

层结环境中浮力羽流的质量输移过程

在线性层结盐水中进行18组浮力羽流实验,采用粒子图像测速(PIV)技术获取羽流的时空高分辨率流场,提出浮力羽流最大输移质量计算公式,并定量分析羽流卷吸及质量输移过程.实验结果表明:卷吸系数从喷口处开始沿着射流方向逐渐增加,并在最大穿透距离0.3～0.5倍时,于数值0.11左右波动,之后逐渐减小为负值.浮力羽流在羽干处卷吸入周围环境流体后,沿射流方向被输移到最大穿透距离处,并在其约0.65倍处垂向质量通量达到最大值;混合后的羽流最终在中性浮力层向四周扩散;最大输移质量由浮力通量、浮力频率和与喷口处于相同高度的周围环境密度共同决定.层结环境折射率变化引起的伪湍动进而导致最大输移质量计算误差约为3%,因此折射率变化的影响可以忽略.

热诱导浮力羽流涡旋结构直接数值模拟

涡旋结构是湍流流场重要的研究内容之一,也是影响特殊火行为的重要因素之一,如涡旋在飞火传播中起着非常重要的作用。火羽流涡旋结构的详细分析对火灾蔓延特性的研究有重要指导意义。该文对轴对称热羽流和平面热羽流进行了直接数值模拟,分别基于涡旋动力学及涡旋稳定性角度对计算结果进行详细分析。研究表明平面热羽流的涡量值明显高于轴对称热羽流,平面热羽流具有较低的脉动频率。从涡量输运方程出发,分析得出拉伸项的存在降低了轴对称热羽流的混合强度。

单侧受限浮力羽流对室内空气颗粒物沉积的影响

为探讨单侧受限浮力羽流作用下的颗粒物沉积特性,采用粉尘监测仪对单侧受限浮力羽流存在处和远离浮力羽流的室内空间中的不同粒径颗粒物浓度进行24 h连续监测,分析15种工况下的颗粒物衰减率损失系数随监测点高度变化情况。结果显示,单侧受限浮力羽流作用处的颗粒物浓度波动较明显;在近壁热源温度≤60℃时,近壁热源上方的颗粒物衰减率损失系数随着高度的增加而减小。提示单侧受限浮力羽流对室内空气颗粒物沉积有一定影响。

受限空间中烟羽流结构的实验研究

在建筑物火灾中,烟气运动对于火灾的蔓延、报警等有着重要作用。我们对有侧壁影响的受限空间中的烟气羽流进行了实验研究,测量了温度分布、速度分布和湍流脉动强度分布。结果表明,由于受到侧壁的影响,这些分布都呈现非对称性,羽流向粼近的壁面偏斜。

室内多股羽流混合运动机理模型研究进展分析

由室内污染源、热源形成的浮力羽流广泛存在,其对室内环境及其空气品质的作用影响引起了人们越来越多的关注。室内污染源、热源多以多点多处的形式存在,Pera&Gebhart通过定义两羽流浮力通量比,得到两股等羽流和不等羽流的混合高度模型以及混合之后形成单一羽流的运动控制方程,本文对多股羽流混合运动机理模型进行综述,并加以实例计算分析上述机理研究成果。

浮力修正湍流模型在航空发动机火灾模拟中的应用

由于发动机舱的火灾是典型的热驱动的浮力羽流,从探索浮力羽流的模拟方法出发,针对热羽流的基准试验,比较验证了3种基于浮力修正的2个方程湍流模型;利用pre PDF燃烧模型,模拟验证了Purdue甲烷火燃烧试验;以RR公司Trent 800发动机的1/2缩比短舱着火试验器为原型,采用RANS方法对由燃油泄漏引起的油池火进行了模拟计算,重现了短舱火灾的主要物理过程,并与试验测量的速度及温度结果进行了对比,验证了计算方法的准确性,并进一步分析了影响模拟结果的主要原因:湍流模型与燃烧模型能否准确计算近火源区域的火焰锋面状态,直接影响空气卷吸及下游火羽流的温度与速度。应用CFD技术,可以从防火设计的角度优化通风系统及短舱附件的布局。

自然通风条件下的两连接腔室中氢气泄漏试验研究

通过理论模型预测氢在自然通风条件的两连接腔室中缓慢泄漏而产生的氢-空气浮力射流。假设氢-空气混合物是线性混合类型,即密度仅是浓度的函数,通过三大守恒和伯努利方程得到并转化为非线性方程组,并进行了数值求解和试验验证。结果表明:两连接腔室中的一个腔室发生氢气泄漏时,连通口与泄漏区域区外侧通风口的相对位置对氢气分布的影响较大。增大中间连通口与泄漏区外侧通风口之间的距离和通风口面积都可以降低空间中的密度并提升高浓度出现的位置。分层高度与泄漏源高度呈正相关。本研究预测了氢气在自然通风的连通空间中的分散机制,从氢气风险控制的角度确定高浓度出现的位置,更好地为储氢设备的安全运行提供理论支持。

受限空间烟气运动的盐水模拟原理

考虑烟气的浮力作用，合理地选取流场的特征参数，将烟气运动和盐水运动的基本方程无量纲化，分析两者之间的相似性，得到４个定性相似准则，其中Ｒｅ数是最主要的相似准则．并举例说明缩尺的盐水模拟实验可以满足相似准则。

污水排放近区数值模型的建立及其在南海的应用

基于羽流的相关假设及理论,采用求解积分控制方程的方法,建立了含油污水排放近区污染扩散的数值模型。将该模型应用于陆丰13-1平台附近含油污水水下60m排放的输移扩散预测,并利用UM3软件验证结果的可信性,预测结果给出了污水石油烃中心浓度的运动轨迹及不同浓度石油烃在垂向不同深度上所能到达的最大水平距离和影响面积,结果显示,表层石油烃最高浓度为0.41mg/L,无超四类水质海域;超一(二)类水质的最大水平距离为34.92m,最大面积为1826.69m2。