增强型地热系统热固流耦合数值模拟与分析

为了研究增强型地热系统热储段温度场分布的特点,以及系统在开采过程中结构性能的评估和利用效率变化的规律,结合北京市地质结构活动探测的结果,建立了增强型地热系统热固流耦合微分控制方程,提出了天然裂隙-断层模式热固流的二维数学模型.基于离散裂隙网络模型,对裂隙-断层模式的岩体-水流耦合换热过程进行数值模拟与分析.通过不同算例设置,进行了12 a的计算研究,分析了水流流速、地层断距等因素对岩体温度场、水流温度场的影响效果.在此基础上,总结了不同生产距离水流出口温度和不同岩体固定距离点温度随时间的变化规律.

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ANSYS的储氢气瓶快充温升流热固耦合模拟研究

以某款车用碳纤维全缠绕储氢气瓶为研究对象,基于ANSYS Workbench平台,充分考虑气瓶不同结构层的差异性和温度载荷分布不均匀性,进行了流热固耦合模拟计算分析。首先对气瓶快速充装过程内部气体流场进行三维数值模拟研究其温升规律,然后将流场计算结果加载到气瓶结构层进行稳态热分析,最后将流场及热分析结果均加载到气瓶结构层进行结构静力学分析。结果表明:当充装结束时,气瓶最高温度及碳纤维复合层受到的最大应力均出现在瓶尾封头和筒体的连接处;相较于内压引起的机械应力,温度载荷引起的热应力很小;机械应力与耦合应力数值相差不大,碳纤维复合层的机械应力略小于耦合应力,而铝合金内胆层由于膨胀系数大,温度载荷引起的压缩热应力抵消了一部分机械应力,使得耦合应力小于机械应力。

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。

中冷器流热固耦合分析与试验研究

为实现中冷器流场、温度场及结构场的耦合分析,利用计算流体力学(CFD)与热应变测试方法,采用流热固耦合方式对中冷器流场、温度场及应力场进行耦合分析与试验,获得了中冷器流场结构、温度及应力分布情况,分析结果表明,该方法可有效预测中冷器流场和温度场。

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CH4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%。

基于热——流—固耦合的多分支径向井地热开发模型及其取热效果分析

多分支径向井地热开发取热系统是开采地热资源的一种新方法,具有单井注采一体、换热面积大、沟通能力强等优势,其中布井参数和储层条件是影响其取热效果的关键因素。为此,建立了基于热—流—固多物理场耦合的单主井筒多分支径向井传热模型并验证了模型的准确性,对比了直井与多分支径向井的取热效果,研究了布井参数、天然裂缝缝长等因素对系统取热效果的影响。研究结果表明:(1)在取热过程中岩石发生收缩变形,裂缝渗透率显著提高,但促进了冷锋入侵现象,进而加剧了热突破,缩短了系统的取热寿命;(2)增加分支井数量,可增大水平方向的取热区域,沟通更多天然裂缝,保持较高的取热温度和取热功率,其中6分支井为最优井数,最优取热总量为7.37×10^(15) J;(3)分支径向井越长,储层降温越慢,平均每增加1 m,生产温度升高0.16℃;(4)增大井间距,能延缓热突破,提高系统取热效率,延长高温取热时间,最优井间距为350 m,年取热功率为8.28 MW;(5)系统取热功率随着天然裂缝缝长的增加而降低。结论认为:(1)相较于直井,多分支径向井能沟通更大体积的高温储层,能获得较高的取热功率和取热总量,在30年取热时间里,热储采出程度增加了8.72%,有利于提高地热系统的经济效益;(2)岩石形变对取热系统有着重要影响,在进行取热效果模拟及经济性评价时必须予以充分考虑。

液氮对煤裂隙扩展的热固流耦合模拟

为探究液氮低温致裂层理煤体裂纹扩展及劣化失稳机制,基于细观基元理论和损伤力学理论建立热–流–固-损伤耦合模型,建立三场耦合模型环境并以此进行计算。基于Monte-Carlo法构建自然裂隙模型和水力压裂裂隙模型,旨在中西部深部煤层低渗透、低孔隙率特点选取陕西神木矿烟煤为模拟裂隙及煤体材料,研究各裂隙在液氮冲击下的变化情况。Darcy’sLaw(dl)物理场的计算结果表明液氮注入过程中前期反应迅速,在短时间内能够达到较高流速。但在后续变化中长时间的反应不明显并逐渐趋于平衡。HeatTransferinPorousMedia(ht)多孔介质传热物理场计算结果表明液氮的低温特性在两种煤裂隙中的传到效果存在不同。分布呈现出环绕液氮注入槽的温度递增分布带。SolidMechanics(solid)固体力学物理场计算结果表明在相同注入压力的条件下,自然裂隙所受液氮作用应力明显高于水力压裂裂隙并且在自然裂隙与注入槽交界处达到峰值。水力压裂裂隙对液氮致裂抵抗性相对自然裂隙强,不容易发生过大破裂发育。

基于流热固耦合的航空发动机涡轮叶片仿真分析

为真实模拟某型民用航空发动机涡轮叶片的实际工作状况,需要同时考虑气动力、热应力、离心力三者共同作用,找出该型民用航空发动机涡轮叶片的疲劳危险部位。本文基于某型民用航空发动机实际快速存取记录器(QAR)飞行数据,利用ANSYS Workbench仿真软件对航空发动机涡轮叶片进行流热固耦合有限元仿真分析。结果表明,涡轮叶片等效应力和等效应变云图变化基本一致,最大应力和应变出现在涡轮叶片叶身与缘板交接处的前缘和后缘,最大应力和应变分别为4601.4MPa和0.026,且与其他部位数值相差较大,可将其列为疲劳危险部位,为后续研究涡轮叶片寿命预测分析和结构优化提供技术参考。

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。

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。

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.

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。

旋转式激振阀流热固多场耦合特性研究

旋转式激振阀是高频高压电液激振系统的关键元件之一,其动态特性的好坏直接影响整个激振系统的工作性能。为了分析旋转式激振阀流-热-固多场耦合作用下的动态特性,首先基于Fluent仿真,通过滑移网格方法对旋转式激振阀的流场进行动态模拟,并实测旋转式激振阀流量对仿真结果进行验证,然后使用Ansys对旋转式激振阀进行流-热-固多场耦合仿真,探究进出口压差分别为ΔP=5 MPa、ΔP=10 MPa、ΔP=15 MPa和油液温度分别为20℃、40℃、60℃时旋转式激振阀的热特性与热变形规律。研究结果表明,旋转式激振阀内部流场和温度场分布不均匀,流体在接近阀芯阀体壁面处的温度较高,中心温度较低,旋转式激振阀出口处由于流体冲击产生局部高温,导致阀芯凹槽以及阀体出油口会有热变形,进出口压差ΔP=15 MPa时,热变形可达3.789 4μm;进油温度为60℃时,热变形可达7.701 7μm。因此选择合适的进出口压差和油液温度有利于旋转式激振阀的工作特性。该研究对于旋转式激振阀的结构设计和优化提供了理论数据。

流热固耦合下螺杆压缩机转子拓扑优化

为获得螺杆压缩机转子的轻量化结构,采用有限元技术与拓扑优化理论相结合的方法,对压缩机转子进行了优化设计,并在拓扑优化结果的基础上对螺杆转子重新建模,最后对优化后的模型进行仿真验证。结果表明,优化建模后的螺杆转子质量降低了20.45%;优化后的螺杆转子固有频率整体高于优化前螺杆转子的固有频率;优化后阳转子与阴转子最大变形量之和小于齿间间隙(0.5 mm),且不发生干涉,优化后螺杆转子应力最大值小于优化前螺杆转子应力最大值。综合验证,优化后的螺杆转子满足设计要求,研究结果可为空心螺杆转子设计和改进提供参考。

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。

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。