超临界二氧化碳螺旋槽干气密封热流耦合润滑临界阻塞特性研究

在密封稳定运行的前提下,促成密封端面出口形成阻塞流动以提升气膜开启力、降低端面泄漏不失为干气密封性能优化的有效途径。以超临界二氧化碳(CO_(2))螺旋槽干气密封为研究对象,综合考虑实际气体、离心惯性、湍流和阻塞流效应,采用有限差分法耦合求解压力和温度控制方程,定性研究了热流耦合润滑下的临界阻塞特性(临界阻塞进口压力po_(cir)、临界阻塞转速N_cir、临界阻塞膜厚h0_cir和阻塞临界失稳膜厚hsc)。结果表明:等温流动和绝热流动模型下超临界CO_(2)干气密封端面间隙出口均存在阻塞发生工况区间,进口压力、膜厚、转速对应的阻塞发生区间分别为po>po_(cir)、h0_cir<h0<hsc和N<N_cir;转速升高可以对临界阻塞进口压力和临界阻塞膜厚产生持续增强作用,增大膜厚则会导致临界阻塞压力降低、临界阻塞转速上升,高压进口将使阻塞零刚度对应的膜厚(阻塞临界失稳膜厚hsc)下行;相较于等温流动假设,气膜热效应对超临界CO_(2)干气密封临界阻塞特性参数的影响程度较为显著,且影响规律各有不同。

基于热流固耦合的液膜密封动态追随性分析

为研究热流固耦合下液膜密封动态追随特性,基于小扰动法及热动力润滑理论,考虑非补偿环轴向振动、角向偏摆,建立补偿环三自由度运动方程,对比并分析纯流场和热流固耦合模型下力学元件参数、操作工况参数、结构参数对动态追随性的影响。结果表明:在热流固耦合模型下求解的液膜密封扰动量略小于纯流场模型下求解的扰动量;增加激励振幅,弹簧刚度和O型圈阻尼均会导致扰动增大,动态追随性变差;减小转速、增加介质压力会导致动态特性系数增加,有利于提高动态追随性;减少槽数会提高动态追随性,且在槽数给定时,槽深17μm,槽坝比0.8,螺旋角22°的结构参数设定会得到更好的动态追随性。

热流固耦合作用下滑脱效应对煤岩低温渗透性的影响

【目的】增加煤储层渗透性是提高煤层气采收率的关键技术,原位注热开采是强化煤层气开采的有效方法。【方法】为了探索热流固耦合作用下煤储层渗透率的变化规律,进行了不同埋深不同温度无烟煤渗流试验,并对结果进行理论分析研究。【结果】1)三维有效应力作用下,无烟煤渗透率随温度和孔隙压力的变化呈“V”形,具有明显的回弹现象,随埋深的增加而减小。当孔隙压力小于临界孔隙压力,温度小于70℃时,煤体渗透性主要取决于滑脱效应。当孔隙压力大于临界孔隙压力,温度大于70℃时渗透性主要取决于热膨胀和孔隙压力对裂隙的张开程度,热刺激对渗透率的影响远大于孔隙压力。2)临界孔隙压力介于1~1.5 MPa之间,滑脱效应随温度的升高对渗透率的影响在逐渐减小,而且影响减小的梯度随埋深的增加而增大。3)裂隙张开度系数随温度升高和埋深增加而增加,但温度越高,不同埋深下渗透性对孔隙压力作用的敏感程度变化越小。【结论】这些研究结果进一步丰富了原位注热开采煤层气理论,并对煤层气的强化增渗开采提供有价值的参考数据。

磁流体润滑螺旋槽机械密封中的热流固耦合分析

为了研究磁流体润滑螺旋槽机械密封中的热流固耦合效应,利用ANSYS Workbench软件计算了磁流体膜的压力分布、温度分布和动环的变形量,分析了电流强度、转速和磁性颗粒体积分数对磁流体膜压力、温度和动环变形的影响。结果表明:随着电流强度、转速和磁性颗粒体积分数的升高,磁流体膜的动压、温度和密封环的热变形都增大;内径处的磁流体温度最高但压力最低,磁流体基液易汽化;动环的压力变形远小于热变形;磁流体膜的压力、磁流体膜温度的数值解大于试验值和解析值,其主要原因在于数值解考虑了密封堰和离心力对磁流体膜的影响。

基于热流固耦合的增强型地热有机朗肯循环发电系统性能分析

本文建立了耦合井筒、热储、有机朗肯循环发电系统的详细数学模型,包括三维非稳态热流固耦合模型和有机朗肯循环发电系统热动力学模型,参考青海省共和县恰卜恰干热岩体地热地质特征,包括压裂储层、围岩、裂隙、井筒等特征参数,研究了注入流量、注入温度和井间距对系统净输出功、年均净输出功和热效率的影响规律。结果表明:在一定的注入流量、注入温度和净间距下,随着时间的推移,岩石孔隙压力和热应力作用使得裂隙渗透率增大,注入泵功耗是降低的,净输出功和热效率也是降低的。注入流量的增大提高了膨胀机轴功、注入泵功耗和生产温度衰减速率,进而导致热效率降低,存在最优的注入流量50 kg/s,使得年均净输出功达到最大值1470.1 kW。注入温度的增大可以提高系统热效率,降低净输出功的年均衰减速率,当注入温度为60℃时,年均净输出功最大。井间距的增大减缓了生产温度的衰减速率,有利于热效率的提高,但是也同时也增大了膨胀机轴功和注入泵功耗。当分支井间距为450 m时,年均净输出功达到最大值1497.3 kW。此研究可为增强地热发电系统的开发利用提供指导。

基于瞬态热流固耦合的钻井井壁稳定性分析

钻井过程中,钻井液循环对井壁和地层岩石产生热交换作用,同时钻井液滤失对地层产生渗流作用,两者都会引起井周应力场的改变,影响钻井液密度参数设计,严重时会导致井壁坍塌等复杂情况。文中根据线性热弹性多孔介质理论计算了温度变化对井壁和井周地层产生的井周热应力,依据达西渗流模型和渗流控制方程计算了瞬态条件下的地层孔隙压力和井周渗流应力,依据线性叠加原理求得了瞬态热流固耦合模型的井周应力,并利用摩尔-库伦准则和抗拉强度准则分析了温度与渗流对井壁稳定性的影响。结果表明:钻井液循环对地层降温会降低地层坍塌压力和破裂压力,在井壁钻井液柱压力恒定的情况下,井周坍塌失稳区域减小,破裂失稳区域增大;钻井液向地层滤失渗流会增大地层坍塌压力和破裂压力,在井壁钻井液柱压力恒定的情况下,井周坍塌失稳区域增大,破裂失稳区域减小。计算结果对钻井过程中确定合理的钻井液密度和类型以维持井壁稳定具有指导意义。

基于热流固耦合的分级注水泥器失效分析

针对分级注水泥器在实际固井使用过程中出现的循环孔打不开、关不上等失效问题,基于热流固耦合分析理论和CFD数值模拟方法,结合某油井的实际固井数据,建立从井口到分级注水泥器位置处的完整三维有限元模型.运用流体计算软件得到不同流体在不同井深位置处产生的压力与温度,将流体域求得的压力与温度传递到固体域,对分级注水泥器变形进行分析.结果表明,固井过程中注入不同流体产生的压力不同,压力对分级注水泥器的变形量有较大影响,本体与滑套的变形是导致循环孔无法正常打开或关闭的主要原因.

螺旋十字燃料组件热流力耦合特性数值模拟研究

作为一种新型反应堆燃料组件,螺旋十字燃料(HCF)组件具有导热距离短、交混强度高、无需定位格架等优势,可在保证反应堆安全裕度的同时提高堆芯功率,但其依靠相邻棒束接触形成的自支撑结构进行定位易使接触位置发生应力集中,危害包壳的完整性。针对这一问题,本文开展了典型HCF组件的热流力耦合特性研究,获得了单相对流和过冷沸腾条件下HCF组件的温度及应力应变分布。研究结果表明:HCF组件通道中心和包壳附近冷却剂的横流存在很大差异,影响了冷却剂温度和沸腾时空泡份额的分布;HCF组件包壳表面少量的气泡可增强冷却剂的传热能力;HCF组件肋片顶部(翼尖处)和肋片根部(翼根处)的热应力主要分别与接触约束和燃料内部的温度梯度有关;单相和两相工况中HCF组件包壳翼根处的Mises应力和翼尖处的塑性应变均相等,但两相工况中翼尖处的Mises应力较单相工况偏低30 MPa。

高温高压气体管内流动热流固耦合及散热控制研究

燃气取样分析技术是航空发动机燃烧室效率和温度测量最重要的技术手段之一。本文针对高温燃气取样过程中的高温高压气体在取样管内流动换热问题展开研究,分析了取样管内样气Ma数、压力、温度分布和出口温度控制方法。结果表明,样气压力和温度在取样管入口处先骤降后上升,样气Ma数在入口段首先急剧上升然后大幅下降。通过改变出口压比可调节出口样气温度,可实现390~430K的温度调节。

某型号立式加工中心主轴冷却器系统热流固耦合热态特性分析

主轴热变形是影响数控机床加工精度的关键因素,识别主轴系统的热态特性,进而控制主轴热变形是提高机床整机精度的重要任务。文中以某企业实际生产的立式加工中心主轴系统为研究对象,建立其主轴冷却器系统的三维模型;利用ANSYS Module Designer生成流域的三维模型,再利用Mechanical对冷却器和流域进行单元划分,形成流场有限元模型,通过流场分析获得流体的温度分布、速度变化、压力变化及冷却器的温度分布;通过稳态热分析,求解得到分析模型的温度分布;将流场分析得到的流体边界面的压力载荷和稳态热分析得到的温度载荷数据传递给静力结构分析模型,求解得到其应力分布及热变形。分析结果可为主轴冷却器系统结构的进一步优化设计和控制主轴热变形提供技术支持。

基于CEL法的故障齿轮热流固耦合有限元分析

为探究风电机组传动系统中齿轮不同故障热流固耦合下应力演化规律,利用ABAQUS软件,采用CEL有限元法对啮合齿轮进行数值模拟。研究了温度场对齿轮啮合最大接触应力的影响以及热流固耦合下不同损坏程度齿轮在齿宽、齿厚方向最大接触应力值的演化规律。结果表明:引入温度场后不同阶段啮合齿轮的最大接触应力分别增长了20.63%,41.28%,6.13%,说明热力场的介入对应力结果有重要影响;点蚀孔边缘接触应力明显大于正常部位且会扩展,损坏程度越大接触应力值越大;断齿故障在断裂位置接触应力会激增,并且越靠近断裂端接触应力越大且断裂深度越大,最大接触应力也越大;在不同断齿工况下,沿齿厚方向的应力变化趋势一致,断裂程度与齿厚方向上整体应力值呈正相关。CEL有限元法适用于齿轮热流固耦合分析,可以较好地模拟故障齿轮运行状态,为齿轮模拟仿真提供借鉴与指导。

基于垂直导流板设计的燃气热水器热流场耦合分析

本研究基于垂直导流板设计了一种新型的分流式燃气热水器,并进行了热流场的耦合分析。相较于以往的研究主要关注自然对流换热,我们考虑了辐射传热的影响。通过采用离散纵坐标模型和非结构贴体网格的有限体积技术,建立了二维组合自然对流和参与介质辐射换热模型,并对该模型进行了实验验证。研究结果表明,垂直导流板结构能够显著提高燃气热水器的热效率。辐射传热在总传热率中的比例达到了25.1%,表明辐射传热在热流场中的作用不可忽视。此外,安装高度为550毫米、厚度为5毫米的垂直导流板可以使整体传热率降低2.04%,进一步改善了热水器的性能。

基于热流固的热障涂层整体叶盘振动特性研究

为了研究复杂载荷对整体叶盘振动特性的影响,基于热流固耦合方法对热障涂层整体叶盘振动特性进行研究。简化整体叶盘模型,对叶片表面涂敷热障涂层并建立整体叶盘的流场模型;在Fluent中采用热流固耦合方法对整体叶盘的表面进行气动载荷和温度载荷的模拟;最后,采用预应力模态分析法分别对不同工况下整体叶盘的振动特性进行分析。结果表明:考虑离心载荷对整体叶盘的固有频率影响最大,温度的影响最小;对比不同工况下,考虑温度载荷对整体叶盘的共振点个数无影响,气动载荷增加整体叶盘的共振点个数。

含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置的研制及应用

介绍自主研发的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,该装置主要由伺服加载系统、三轴压力室、水域恒温系统、孔压控制系统、数据测量系统以及辅助系统等6个部分组成,其最大轴压为100MPa、最大围压为10MPa、最高加热稳定温度为100℃,试件尺寸为φ50mm×100mm。该装置具有如下特点:(1)所进行的试验能反映地应力、瓦斯压力、温度等对含瓦斯煤渗透率的综合影响;(2)实现伺服液压控制加载功能,能进行多种形式的加载;(3)实现"面充气",更加逼真地反映实际煤层瓦斯源的情况;(4)设计有导向装置,实现加压活塞杆和支撑轴的对位,避免在加压过程中产生晃动,使得试件受压均匀而稳定;(5)数据采集使用更加灵敏、精确度更高的各类传感器;(6)设计有大型水域恒温系统,并安装有水域循环水泵,加热过程更加均匀;(7)具有研究含瓦斯煤渗透性、变形特性等多种功能。采用该装置进行含瓦斯煤在不同围压、不同温度条件下的渗透试验,结果表明含瓦斯煤变形存在4个阶段,其抗压强度随着围压的增加而增大;含瓦斯煤渗流流量在应力–应变过程中存在阶段性变化且随着温度的升高呈现总体减小的趋势。该装置可用于含瓦斯煤热流固耦合渗流领域的研究,为进一步深层次揭示煤层瓦斯运移规律和研究煤层瓦斯抽采技术提供理论基础。

随机裂隙网络储层与井筒热流耦合数值模拟

增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)的渗流传热通道主要由注采井井筒与随机裂隙网络储层两大部分组成,过去对裂隙网络储层进行热流耦合模拟研究大多数都忽视了井筒壁的换热,导致模拟结果的准确性欠佳。为了更准确地评价EGS出力、寿命等性能指标,开展了井筒—随机裂隙网络储层热流耦合数值模拟研究,基于商业有限元软件COMSOL Multiphysics对井筒与储层的渗流场、温度场进行耦合求解,分析了影响EGS采出温度与热开采速率的各项要素。研究结果表明:①注、采井的开孔长度(L0)对EGS的产能与寿命具有重要影响,400 m为最佳开孔长度,其EGS具有最佳出力与寿命;②在井筒壁上加保温材料可以有效提高开采初、前期的采出温度,减少热损失,提高开采速率;③随着开采的进行,注入井周围出现明显的低温区,并沿裂隙通道向采出井方向推移,这将导致系统达到开采寿命而衰竭,应停止开采一段时间后再进行热能开采;④裂隙渗透率、裂隙宽度等参数对开采速率的影响都呈现正相关性,参数值增大会提高开采速率、缩短开采年限。结论认为,井筒壁的换热对于EGS出力与寿命的综合评价具有重要的意义,考虑井筒壁热损失的井筒—热储耦合模拟能够实现对EGS的完整性评价。

芯片冷却用微通道散热结构热流耦合场数值研究

对4种微通道散热结构(平行结构、网格结构、螺旋结构和树型结构)在相等传热面积、相同边界条件下的流场与温度场进行数值研究。通过热流耦合场数值分析,得出了不同微通道散热结构的电子芯片温度分布和微通道内的速度场,分析了微通道拓扑结构对电子芯片散热效果的影响。使用平行微通道散热的芯片温度均低于80℃,其中有81%的面积在60℃以下;使用网格和螺旋散热结构的芯片最高温度均在90℃以上,其中温度在20～60℃之间所占比例分别约为62%和61%;使用树型微通道散热的电子芯片温度均低于70℃,其中有94%的面积在60℃以下,且温度分布最均匀。此外,芯片微通道内的流体平均流速大的微通道系统能带走更多的热量。

考虑热流固耦合干热岩储层热提取解析模型

干热岩储层热开采是一个典型的多物理场耦合问题,基于离散裂缝网络模型建立考虑热流固耦合干热岩储层解析模型,其中离散裂缝网络中只考虑裂缝中水的流动,水通过热对流方式进行热交换,基岩通过热传导对裂缝中的水进行加热;其次考虑水的黏度、裂缝的开度随温度及压力发生改变,利用Laplace变换求解得到离散裂缝网络模型下干热岩储层解析解;在此基础上总结复杂裂缝网络系统各裂缝的压力温度求解过程,并与TOUGH2数值结果对比,验证方法的正确性,分析不同影响因素对干热岩热提取过程的影响。结果表明:随着冷水注入,各裂缝水的黏度逐渐增加,出口端流量减小并趋于黏度不变时流量;而裂缝开度逐渐增加,出口端流量增加迅速;随着注入速度线性增加,生产井出口端温度逐渐减小,且减小幅度变缓,因此在干热岩热提取过程中,须综合考虑生产井出口端流量及温度的影响。

Si_3N_4陶瓷轴承内圈NCD膜制备中的热流耦合分析

本文设计了一套用于HFCVD系统中轴承内圈NCD涂层制备的电极装置,同时在热交换过程的分析基础上对该系统进行了热流耦合分析。对进气参数进行优化后,衬底温度场及气体流场分布均匀。在数值分析的基础上,在氮化硅陶瓷内圈上成功制备了NCD膜。

直拉法晶体生长过程非稳态流体热流耦合

为了改善复杂对流形态下的晶体生长品质,提出了一种改进的格子Boltzmann方法研究非稳态熔体流动和传热的耦合性质.该方法基于不可压缩轴对称D2Q9模型,构建了包含旋转惯性力和热浮力等外力项的演化关系,实现了对轴对称旋转流体的速度、温度和旋转角速度的计算与分析.结果表明,非稳态熔体中的流、热耦合性质与格拉斯霍夫数和雷诺数的相互作用有关;通过调节高雷诺数,可有效抑制熔体中的自然对流,改善温度分布,有助于提高单晶的品质.数值计算结果与实际硅单晶生长试验均证明了所提方法的正确性及有效性.

基于热流耦合的木材干燥窑风速温度分布解算

为构建木材干燥窑内部循环风速和温度合理分布,采用二维数值模拟方法,利用Fluent软件对试验型小型干燥窑进行仿真模拟,对比安装导流板前后干燥窑内温度和分布情况。木材干燥窑的设计,风速、温度分布是关键问题。首先利用ICEM CFD软件对结构简化的试验型小型干燥窑进行参数化建模,将简化的模型进行网格划分,利用Fluent软件对木材干燥窑内的流动与传热耦合环境进行数值模拟,得出风速分布云图和温度分布云图,研究干燥窑内热流耦合系统,得出其内部速度和温度的具体状态,通过导流板安装前后数值对比,找到导流板合理性的参数。采用二维数值的模拟方法,不能代表实际干燥窑工作状况,具有一定的局限性。