剪切速率对深部黏土直接剪切强度影响的数值模拟研究

日益增多的深部地层开发,要求掌握所遇到的深部黏土工程强度性质。然而由于黏土高压三轴试验存在过于耗时、容易失败等困难,直接剪切试验仍是确定深部黏土工程强度指标的首选方法之一。现行规范推荐的直接剪切试验慢剪剪切速率上限以及固结快剪剪切速率范围,是否适合渗透性极低的深部黏土值得研究。本文采用考虑土体各向异性影响的本构模型,建立了渗流-应力耦合的直接剪切数值模型,并经过了华东重塑深部黏土的试验结果验证。对不同剪切速率下3个固结应力等级下的黏土直接剪切模拟表明,直接剪切破坏剪切应力随剪切速率增大而非线性减小,且减小的幅度随固结压力的增加而明显增大,其原因在于剪切带上随剪切速率和固结压力非线性变化的超孔隙水压;对于渗透系数为10^(-12)m·s^(-1)量级的深部黏土,即使采用0.5倍的推荐慢剪剪切速率上限值,所得内摩擦角与三轴固结不排水内摩擦角接近,而若采用规范推荐的固结快剪剪切速率,会得到明显偏小的内摩擦角。

二甲醚/空气湍流分层燃烧的直接数值模拟与机理研究

针对内燃机条件下分层燃烧的情况,采用直接数值模拟方法,研究了温度分层对二甲醚(dimethyl ether,DME)/空气预混气湍流分层燃烧过程的影响机制.结果表明:与零维反应器内的均质自着火过程相比,湍流分层燃烧延长了整体燃烧过程的持续时间,平均释热率峰值明显降低;输运预算分析揭示了着火锋面的传播存在自燃波与爆燃波两种着火模式,随着温度分层程度的增大,爆燃模式逐渐增强,进而导致高温着火提前;化学爆炸模式分析明晰了燃料着火的演变过程,并且利用相关准则数准确揭示了控制低温与高温着火过程的关键变量与基元反应.研究结果对于DME均质压燃式内燃机的设计以及燃烧过程调控具有借鉴意义.

基于直接数值模拟的压力容器入口射流湍流模型评价

采用基于谱元法的开源软件Nek5000对压力容器入口射流进行直接数值模拟(DNS)。压力容器模拟在环向简化为1/3的尺度,主管段雷诺数为63700,下降段雷诺数为14014,工质为碘化钠溶液。通过对常见物理量进行统计,构建高精度湍流数据库。并采用FLUENT对常见的壁面函数和湍流模型进行适应性评价,评价标准包括速度、湍动能和湍流黏度。结果表明:在上升段Stress-ω模型适用性最好;在下降段,Standard k-ω模型适用性最优。

NH_(3)/Air混合层自点火直接数值模拟研究

采用直接数值模拟方法研究非预混状态的NH_(3)/Air混合层在层流和湍流条件下的自点火、火焰传播和生成NO过程.添加氢气、压力增加和湍流混合都会加快氨气的自点火过程.NH_(2)、HNO和OH 3个自由基可以分别表征点火的诱导和热释放阶段.层流和湍流条件下,释热率都会在火焰传播末期产生两个峰值,即分层现象:小峰值区主要与OH的基元反应有关,大峰值区主要与NH_(2)和HNO的基元反应有关.添加氢气和湍流都会提高NO的生成量.最大NO数值曲线随时间会先增大后减小,两个阶段由NO的反应项和扩散项分别主导.

卧式壳管直接蒸发冷却器数值模拟的应用研究

蒸发冷却技术,因其节能环保的优势有望成为暖通空调领域应对“双碳”目标的首选。其中,板式蒸发冷却机组流道狭窄,容易造成堵塞,且空气质量较差,而传统填料式机组的产品空气温度未能突破湿球温度。为此,本文基于M循环理论,将折流板结构应用于卧式壳管直接蒸发冷却器,并且借助强大的CFD软件,分析了管径及干通道风速、淋水密度及气水比、环境温湿度对冷却器冷却效率、单位面积制冷量和COP的影响关系。模拟结果显示,当管径、气水比及淋水密度分别为30mm、2.0和0.018kg/(m2·s)时,相比传统直接蒸发冷却器,其制冷性能更好,冷却效率可达到108%,最大COP为19.2。

压缩拐角强激波边界层干扰直接数值模拟研究

激波/湍流边界层干扰是高超声速飞行中常见的流动现象,平板-压缩拐角存在于飞行器进气道、翼舵等,是研究激波/湍流边界层干扰的标准构型。采用直接数值模拟方法研究了马赫数6.0、40°压缩拐角的高超声速强激波/湍流边界层干扰问题。在上游湍流边界层内,近壁流动以高低速条带结构为主;当流动进入干扰区后,流向条带消失,同时形成具有三维特征的流动结构。在强激波作用下,分离长度超过10个边界层厚度。流动再附后,壁面摩阻、压力及其脉动峰值分别达到上游湍流边界层的8.9、36和124倍。干扰区内湍动能强度显著增加,其峰值是边界层峰值的6.4倍。研究发现激波运动、分离剪切层是湍动能强度增加的主要原因。

基于直接数值模拟的涡环碰撞过程涡结构分析

涡环间的碰撞涉及复杂的多层级涡结构拓扑关系和涡量转移机理.深入研究该模型,有助于揭示涡结构之间相互作用过程所包含的机理.区别于现有研究一般专注于涡环小尺度次级结构的瞬态演化,本研究使用基于一种改进的SIMPLE算法的直接数值模拟,结合整体动态演变与其涡结构细节对涡环碰撞模型进行分析.基于高分辨率网格,分析了在不同雷诺数下涡环碰撞后由涡重联分裂出的次级涡结构.研究表明,涡环碰撞过程伴随着复杂的涡结构拓扑变化,如高涡量区域的偏转及涡丝间的此消彼长.在碰撞时,环本身的不稳定性导致了局部接触后分裂出沿方位角规律分布的次级涡环.而次级结构本身随流场雷诺数的增加呈现出从无到有、从近似圆环状到湍流态的转变.最后,对多雷诺数下的涡拟能曲线进行横向比较以反映碰撞对流场的整体涡流强度影响.结果表明,雷诺数的提高对涡拟能的调控整体表现为初始时刻耗散速率降低;因碰撞而抬升的峰值提高;峰值对应的时间点先延后再前移.本研究基于直接数值模拟展示了涡结构演化的偏转、重联、湍流化等特征,揭示了雷诺数对涡环碰撞的部分调控机制,对复杂流动的涡系演化机理研究有启示作用.

富氢甲烷直接火焰冲击加热带钢传热特性的数值模拟

直接火焰冲击加热技术广泛应用于钢铁热处理领域,该技术目前主要用天然气作为燃料。氢气为清洁能源,具有较高的层流火焰传播速度,其与天然气结合会改善燃料燃烧速度并减少碳氧化物及氮氧化物的排放。使用Fluent建立直接火焰冲击加热钢板的数值模型,对不同掺氢量、雷诺数及无因次距离条件下直接火焰冲击加热带钢的传热特性进行了研究。结果表明,当掺氢量从0增加到25%时,被加热10 s的靶件钢板驻点温度由385.36 K下降到374.31 K,钢板驻点处的热流密度由154828 W/m~2下降到137926 W/m~2;当雷诺数从13400增加到33600时,钢板驻点温度由347.04 K上升到450.90 K,压力从14.93 Pa上升到136.53 Pa,但钢板的温度和压力的均匀性逐渐变差;当无因次距离从25增加到45时,钢板驻点温度由442.42 K下降到344.36 K,压力由106.00 Pa下降到24.81 Pa,且分布更加不均匀。

SV型直接接触换热器换热过程的数值模拟

为研究SV静态混合器对液-液直接接触沸腾换热过程混合及传热的影响规律,分析了相同高度下SV静态混合器长径比对直接接触沸腾换热过程的影响。搭建了直接接触换热实验平台,验证了数值模拟结果的可行性与准确性。结果表明,实验结果与模拟结果误差在3%以内;与长径比为0.5和2.0的2种混合器相比,长径比为1.0的SV静态混合器压力降最高降低了18 Pa,湍流动能大于0.002 m2/s2,容积换热系数最高提高了9.7%;压力降和容积换热系数随着长径比的减小而增大,存在最佳长径比1.0使湍流动能达到最大值。综上所述,适当减小SV混合元件长径比有利于增强换热,对直接接触换热器结构参数设计具有指导意义。

T型微细通道内含不凝气蒸汽直接接触凝结数值模拟研究

利用VOF多相流模型和大涡模拟LES湍流模型,结合“双阻力”模型和Fick定律,对微细通道内含不凝气蒸汽的直接接触凝结过程进行了数值模拟。开展了不凝气对蒸汽直接接触凝结过程中气羽形态、压力分布以及凝结速率的影响机制研究。结果表明:在少量不凝气存在的工况,汽液相界面仍呈现周期性变化,随不凝气含量增加,其在汽液界面处聚集形成的不凝气层厚度增加,气羽无周期性变化。此外,随着不凝气含量的升高,压力振荡强度减弱,凝结形成的负压值变小,凝结速率降低。

具有仿生结构的并联微细多通道蒸汽直接接触凝结数值模拟

为进一步丰富微细尺度条件下蒸汽直接接触凝结(DCC)流动换热现象的研究,基于哺乳动物动脉或静脉的分支血管树系统,设计了一种具有仿生结构的并联微细多通道模型。在商业软件Fluent上采用VOF多相流模型、大涡模拟(LES)湍流模型和凝结双阻力模型,进行并联微细多通道的蒸汽直接接触凝结数值模拟,获得了并联多通道中的汽羽形态、温度和压力分布以及凝结速率随时间的变化情况。结果表明:汽羽在水平主管凝结过程中会发生聚并,过冷水会周期性进入各竖直支管且各进入高度接近;压力分布在各竖直支管中存在一定差异;微细尺度下凝结仍发生在汽液界面附近,且每个凝结周期中平均凝结速率在汽羽完全聚并之前达到最大值,约为220 kg/(m3·s),在过冷水进入各竖直支管的过程达到最小值,约为17 kg/(m3·s)。

多孔介质流动的直接数值模拟

基于计算流体动力学软件Fluent建立了一个二维DNS模型,研究了多孔介质中的流动阻力和压降.模拟时对填充的圆柱粒子采用了2种几何排列方式,即直排和叉排.DNS直排模型的压差为53.5Pa,接近于采用原始系数A=150,B=1.75的尔格方程计算结果55.6Pa.叉排模型的压差为65.1Pa,接近于采用修正系数A=180,B=1.80的尔格方程计算结果62.1Pa.对于真实多孔介质材料的模拟来说,圆柱形粒子叉排比直排更为准确.因此DNS结果确认了修正系数组(A=180,B=1.80)比原始系数组(A=150,B=1.75)更适合尔格方程模型.应用文中推荐的DNS方法,通过采用不同的粒子几何排列方式、填充不同形状的粒子可以进一步地预测尔格方程系数或改善其他的多孔介质模型.

喷动流化床颗粒混合特性的三维直接数值模拟

采用离散元方法,对喷动流化床内的颗粒混合特性进行了三维直接数值模拟。气相场采用欧拉方法,固相场采用拉格朗日方法;对每一个颗粒考虑了碰撞力、携带力和重力;颗粒碰撞采用软球模型。模拟喷动流化床上下两层颗粒的运动和混合过程,揭示颗粒的混合机制,同时提出表征颗粒混合质量的重要特征参数,并考察了喷动气速和流化气速对颗粒混合的影响。结果表明:由喷动气射流带动而形成的颗粒内循环是颗粒混合的机制;增加喷动气速度和流化气速度均有助于颗粒混合,使颗粒达到完全混合的时间减少且混合更均匀。

绕流中颗粒与柱体碰撞和磨损的直接数值模拟

为了研究圆柱近壁区颗粒与柱体的碰撞和磨损问题,采用高精度有限差分的方法对圆柱绕流进行了直接数值模拟.在获得高精度计算流场信息的基础上,采用Lagrangian方法追踪了颗粒在圆柱近壁区的运动.利用非弹性碰撞模型的壁面磨损量经验公式,进行了壁面磨损量的计算,详尽考察了不同粒径的颗粒与壁面的碰撞磨损情况.研究发现,随着颗粒粒径的增大,颗粒与壁面的碰撞频率变高;局部碰撞频率的曲线较为特殊,粒径较大颗粒的碰撞多发生在与来流方向平行的中心轴线处,而小粒径颗粒的碰撞则要外移一定的位置.还发现颗粒对壁面的磨损率也是随粒径的增大而增大.颗粒的冲击角对壁面的磨损同样起着至关重要的影响,对于塑性材料,冲击角为20°-30°时,壁面的磨损率最大.

直接空冷凝汽器单元内加装消旋导流板的数值模拟

改变空冷单元内部冷却空气的流场,可以提高空冷凝汽器的传热性能,这对于提高空冷机组运行水平具有重要意义。建立在600 MW直接空冷机组的空冷凝汽器单元内部加装弧形消旋导流板的物理模型,利用CFD软件,采用Simple算法和RNG k-ε模型进行数值模拟计算,获得不同环境风速下在空冷凝汽器单元内部加装消旋导流板前后冷却空气的温度场和速度场,分析空冷单元内部空气流场的变化规律。结果表明,在空冷单元内部加装弧形消旋导流板可改善冷却空气流场,提高空冷凝汽器的换热效果,为空冷系统的优化运行提供一定的理论参考。

钛合金激光直接成形过程中热力耦合场的数值模拟

为控制成形过程的热应力,根据有限元法中的生死单元技术,利用ANSYS参数化设计语言编程实现对多道多层激光金属沉积成形过程三维温度场和应力场的数值模拟,并对熔池与粉末、激光与粉末的相互作用进行能量补偿,更加准确地计算成形过程中温度场和应力场的动态变化,得到成形过程中模型温度场、温度梯度、热应力场和残余应力的分布规律。结果表明,成形件不同层上的各节点虽然被激活的时间不一样,但它们具有相似的温度变化规律;试样内的温度梯度主要沿z轴方向分布,熔池区的温度梯度非常大,但其他方向不明显;瞬态热应力集中在温度梯度变化较大的区域,这与热应力形成的机理是一致的;通过对成形件中各方向的残余应力分析,从温度梯度的角度总结各方向残余应力变化规律,侧面验证残余应力的形成机理。通过相同工艺参数下的试验验证,证明上述分析与实际情况是基本吻合的。

直接空冷凝汽器旋转流场中应用喷雾增湿的数值模拟

基于Simple算法和k-ε模型,采用MRF模型处理风机模型,并综合两相流、传热传质理论,对某600MW直接空冷机组的一个单元进行了三维数值模拟,分析了喷雾增湿对空冷凝汽器压力的影响.结果表明:应用MRF模型处理风机后,单元内空气旋转上升,空气流场和换热器表面温度场分布更接近实际情况;喷嘴距风机栈桥中心线3.5m、距风机导流筒出口平面高度1.6m,喷雾方向在xy平面与y轴正向夹角210°、喷嘴压力为0.8MPa、喷嘴孔径为0.4mm时,凝汽器压力降幅最大,为8.97kPa.

直接空冷机组喷淋冷却系统的数值模拟和性能分析

以国产某300 MW直接空冷机组为例,建立了空冷单元喷淋冷却系统的数值分析模型,设计了3种不同型式的喷淋冷却系统,并采用Fluent软件对喷淋冷却系统的性能进行了数值模拟,得到了空冷单元内部及出口的温度场.结果表明：喷淋后空冷单元的出口空气平均温度比喷淋前降低了2~5 K,其中加装喷淋系统C后的空冷单元出口空气平均温度降低了5 K,排汽压力降低了6.7 kPa;喷淋系统的喷雾越均匀,雾滴覆盖范围越大,喷淋冷却系统的性能越好,排汽压力的降幅越大,经济性越好;对于国产某300 MW机组,当除盐水量充足时,采用喷淋系统C是最佳方案,如除盐水量有限,则应选择喷淋系统B.

用环形激波聚焦实现爆轰波直接起爆的数值模拟

利用基元反应模型和有限体积法对环形激波在可燃气体中聚焦实现爆轰波直接起爆进行了数值模拟。研究结果表明,标准状态下的氢气-空气混合气体在马赫数为3.1以上的环形激波聚焦产生的高温高压区作用下会诱发可燃气体的直接起爆形成爆轰波,爆轰波与激波和接触间断相互作用产生了复杂的波系结构;爆轰波爆点位置在对称轴上并不是固定的点,而是随着初始激波马赫数的变化而发生移动;可燃气体初始温度和压力对起爆临界马赫数都有影响,但是初始温度的影响大得多。

气固两相圆柱绕流的直接数值模拟

本文运用谱元方法对气固两相圆柱绕流进行了直接数值模拟。在获得高精度计算流场信息基础上,进行颗粒扩散运动的研究。通过研究颗粒大小对颗粒扩散运动的影响来刻画气固两相圆柱绕流的物理特征。研究时发现,由于圆柱尾流独特的涡结构特征,颗粒在流场中心轴线附近区域的扩散机理主要是决定于吸力作用,该作用会驱使小颗粒卷吸进入圆柱尾部近壁区,甚至与圆柱后壁发生碰撞,这种扩散机理与混合层中颗粒扩散机理明显不同。