多翼离心风机叶轮内油性粒子沉积特性的数值研究

为了揭示多翼离心风机内部油性粒子沉积分布规律,减少风机内粒子沉积,采用Fluent离散相模型描述粒子运动,同时结合临界速度模型和用户自定义函数(UDF)建模油性粒子在壁面上的沉积,模拟研究了多翼离心风机内油性粒子的运动轨迹和沉积特性,并探究了颗粒直径对沉积分布的影响。结果表明:油性粒子沉积主要分布在叶片压力面,且靠近出口尾缘段尤为严重;由于进气条件不稳定,整机下内部流场更为紊乱,沉积情况也更为严重;大直径粒子受惯性力主导更容易沉积在叶片表面。针对油性粒子沉积分布规律及成因,提出了切割叶片减小叶片出口安装角从而减少叶轮内油性粒子沉积的方法。对于切割后的叶片,叶轮出口处流动分离区域减小,叶片尾缘段涡量减小,通过数值模拟和实验研究发现,叶轮内油性粒子沉积率分别下降了30.75%和30.66%,两者吻合良好,证实了提出的减小叶轮油性粒子沉积方法的有效性。

飞行过载下燃烧室凝相粒子沉积特征数值研究

固体发动机燃烧室部分凝相粒子在飞行过载作用下产生沉积,严重影响发动机工作性能。通过确定燃烧室粒子参数和建立燃烧室内两相流场数值方法,获得了发动机不同轴向过载下粒子运动及沉积规律。与试验数据进行对比分析,验证了计算方法的准确性。数值结果表明,随着轴向过载增大,后封头及喷管潜入段粒子沉积质量逐渐增大。沉积粒子粒径大于凝相粒子平均值,即粒子粒径越大,越容易沉积。轴向过载增大,减小了粒子在发动机内部的驻留时间,凝相粒子平均驻留时间均大于0.13 s。

纤维表面气溶胶粒子沉积与反弹行为数值模拟

在单纤维表面粉尘树枝生长随机模拟基础上,采用Dahneke碰撞反弹模型分析纤维过滤中气溶胶粒子碰撞反弹行为。讨论捕集体近壁区粒子碰撞反弹运动特性及其对沉积物形态结构和过滤单元捕集效率的影响。研究结果表明:随着粒子直径增大,粒子与纤维表面的碰撞反弹频率增大;输送粒子与沉积粒子发生多次碰撞反弹后仍有可能被捕集;所有过滤工况下,粒子碰撞反弹频率增大,均将导致沉积物向紧密结构演变;引入粒子碰撞反弹作用后,较低拦截参数下过滤单元捕集效率随沉积量的变化关系呈现出两阶段性特征,各阶段的变化关系仍满足近似线性,而较高拦截参数下过滤单元捕集效率随沉积量的变化关系未出现此特征;在相同黏附能下,多分散粒子的捕集效率均高于单分散粒子情形。

方形通风管道中粒子沉积的拉格朗日模拟

采用一维耦合拉格朗日旋涡粒子相互作用模型,数值模拟了7 m/s和9 m/s空气流速下直径为10～200 μm的粒子在水平和竖直光滑方形通风管道内的沉积速度.结果表明,在水平管道中,粒子在管道底部的量纲一沉积速度高于垂直壁面和顶部,沉积速度受摩擦速度和粒径的影响较大;在竖直管道中,对于10～80μm的粒子,量纲一沉积速度随着粒径的增大而增大,对于较大的粒子（粒径约大于80 μm）,量纲一沉积速度随着粒径的增大而略微减小;流动方向（向上或向下）对粒子的沉积有明显的影响.

二次进气固冲发动机补燃室粒子沉积数值模拟

基于随机颗粒轨道模型和颗粒部分沉积模型,对二次进气固冲发动机补燃室壁面的粒子沉积进行了探索研究,讨论了空燃比、进气间距及流量分配比等参数对沉积的影响。结果表明,随空燃比增大,沉积区域有一个明显的前移,空燃比对沉积的影响分为两个阶段;进气间距对沉积的影响较复杂;流量分配比增大,沉积区域变化不大,但沉积总量增加。

通风管道弯头内粒子沉积的模拟

采用数值方法对矩形弯头中的气溶胶粒子沉积规律进行了模拟,并分析了不同的弯头截面宽高比和弯曲比时粒子的相对沉积率,给出了输送过程中弯头内粒子的浓度场图谱.结果指出,粒子沉积率随弯曲比和粒子Stokes数的增加而上升,湍流扩散对小粒子沉积影响明显,但大粒子在弯头内的沉积主要受惯性作用控制.

载能粒子沉积用于钻探机具的硬质润滑薄膜

提高钻探机具耐磨、耐蚀性能及其在苛刻工况条件下的使用寿命是地质工程领域中急待解决的一个关键技术问题。在评述钻探机具表面强化研究概状和热点问题的基础上,围绕载能粒子对气相沉积硬质摩擦学薄膜结构和综合摩擦学性能的影响这一中心,从提高钻探机具零件耐磨减摩性能出发,以多种载能粒子沉积技术为制备手段,以复合化、纳米化和多层梯度化的研究思路合成出多种硬质润滑薄膜,进行了钻探机具零件摩擦学薄膜制备、结构、性能和应用的基础研究。试图为硬质润滑薄膜在易损件耐磨减摩应用中拟定有效的表面强化实用技术,同时为研制新型钻探机具、提高钻探效率和改善星际钻探等机具适用性提供新的技术。

风阀开度对粒子沉积影响效果的数值模拟

采用数值模拟方法研究粒子在有风阀的通风管道中的沉积规律,分析风阀开度对不同粒径粒子沉积效果的影响。结果表明,风阀开度越小,粒子在风管中的沉积量越大。风阀开度小于30°时,粒子在风管中的沉积量将大幅增加,并且主要集中在由阀门阀片所形成的尾流区的1m范围内,形成了沉积重灾区。

导流片对90°矩形弯管内粒子沉积的数值分析

采用数值模拟的方法研究分析了工程中常用的水平弯管在设置导流片与否的情况下,管内气流特征和粒子在其内壁面的沉积规律。结果表明,导流片的设置使管道流场更加均匀,不同风管尺寸和管内流速时,弯管内粒子沉积速度的空间分布相似。内侧内壁面粒子沉积速度与风管宽度、管内流速均呈正相关;外侧内壁面粒子沉积速度随风管宽度增加而减小,随管内流速增加而明显增大。利用模拟的64个工况数据,提出了4类弯管内、外侧内壁面平均粒子沉积速度预测公式,为预测弯管内壁面沉积量、确定风管清洗必要性提供了理论依据。

HVOF喷涂WC-12Co粒子沉积行为分析

目的研究不同超音速火焰喷涂条件下WC-12Co粒子在45#碳钢基体上的沉积变形行为。方法基于Johnson-Cook塑性材料模型与Thermal-Isotropy-Phase-Change热材料模型,采用LS-DYNA进行建模分析。结果不同喷涂参数下,WC-12Co粒子在45#碳钢基体上的沉积行为存在明显差异。沉积过程中,粒子等效塑性应变幅度高于基体;粒子边缘位置等效塑性应变幅度高于粒子中心轴线位置;粒子初始速度与初始温度的增加有助于提升结合界面温度与粒子扁平化程度;粒子初始温度与粒子初始速度对接触界面能量变化影响程度基本一致,单位粒子初始速度与温度提升的能量贡献比l分别为0.78以及0.76,二者的能量贡献比近似相同;适度的基体预热(Ts=500 K)可以促进粒子变形,加深沉积坑深度,增大粒子与基体的结合面积,有助于提升粒子与基体之间的结合强度。基体过冷(Ts=300 K)将导致粒子“翘曲”,降低粒子与基体之间的结合面积,基体过热(Ts=600 K)将导致二者结合处于不稳定状态,易引起粒子剥落,二者均不利于粒子与基体的有效结合。结论一定范围内提升粒子初始速度、温度与基体初始温度,可以提高粒子扁平化程度,增大粒子与基体结合面积,提升粒子与基体的结合性能,进一步提高涂层质量。

基于粒子沉积的三维场景绘制

三维场景绘制是游戏、虚拟现实等领域中的一个重要内容,而地形绘制则是三维场景绘制的基础。通过引入分子束附生领域中粒子沉积的概念,在模拟一般地形的基础上,更好的实现了火山、岛屿等一类特殊地形的三维地形绘制。在此基础上与多重纹理,天空盒等技术相结合获得了较好的真实感效果。实验结果表明,此方法能够生成更加真实的三维场景。

散热器位置对粒子沉积影响的数值分析

采用数值模拟法研究冬季雾霾天供暖时,散热器位置对室内气流组织和颗粒物沉积分布的影响。结果表明,散热器置于窗户下方时,室内粒子浓度以及固体壁面处的粒子沉积量均低于其他位置。当由于条件限制,散热器不能置于窗户下方时,应避免摆放在靠外墙却不在窗户下方的位置。

基体表面粗糙度对HVOF粒子沉积行为的影响

目的研究超音速火焰喷涂时,45^(#)碳钢基体表面粗糙度对WC-12Co粒子在其表面的沉积变形行为的影响。方法基于Johnson-Cook塑性材料模型与Thermal Isotropy-Phase-Change热材料模型,采用LS-DYNA进行建模分析。结果不同45^(#)碳钢基体表面粗糙度下,WC-12Co粒子的沉积行为存在明显差异,波峰高度与波谷深度的差异造成粒子不同程度的不规则变形。当基体表面粗糙度Ra=10.26μm时,粒子沉积位置不同将引起粒子最终沉积形貌不同,但粒子的冲击均引起波峰偏移变形,且粒子不同程度地填充弥补波谷。粒子沉积过程中,粒子中下部与粒子先接触基体处的屈服应力、等效塑性应变与温升均高于粒子顶部以及粒子后接触基体处。Ra=0μm时,粒子等效塑性程度最大,等于2.03,此时粒子温度峰值最高为1562 K,粒子-基体结合界面局部区域屈服应力迅速下降为0,但基体变形程度较低,二者结合面积有限,粒子-基体结合强度较弱。Ra=5.34μm时,粒子的屈服应力在非理想平面状态下最为稳定,且等效塑性应变与温升幅度最大,分别为1.83以及1496 K。结论理想表面状态下,粒子屈服应力、等效塑性应变以及温度变化最佳,但粒子-基体结合面积较低,并不利于粒子沉积。非理想表面状态下,一定程度增加Ra,可促进粒子塑性变形,提升粒子温度,增大结合面积,降低粒子屈服应力,但粒子沉积形貌相比理想表面沉积形貌更加多样复杂。此外,过度增加Ra将引起波峰变形偏移,消耗大量粒子动能,粒子主要用于填充弥补波谷,等效塑性变形程度与温升幅度下降,屈服应力增加,不利于粒子沉积。

Ti/N粒子沉积能量对氮化钛薄膜表面层微结构的影响

用直流(d.c)反应磁控溅射沉积技术、X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜成像(TEM)微结构分析方法,研究了氮化钛薄膜表面层固态结构随凝聚增原子能量的变化情况.发现沿(111)和(002)晶面方向择优生长的TiNx层的点阵参数(a0)与衍射峰半高宽(FWHM)的变化和载能束引起薄膜微观相成分、晶面内压应力、晶粒尺寸和结构缺陷密度紧密相关.在新的理论框架下,分别计算了氮化钛薄膜表面上每个凝聚原子的有效迁移,薄膜表面达到最小能量状态时每个凝聚原子应该获得的平均能.实验观察的结果在理论分析中得到了定量解释.

固体粒子在压缩机叶栅内的部分沉积模型研究

针对轴流压缩机叶栅内固体微粒沉积的问题,发展了新的粒子沉积模型(部分沉积模型)。采用此模型和普遍采用的完全沉积模型进行了计算,计算结果表明两种模型对叶栅前缘处的粒子沉积影响明显。采用部分沉积模型时,叶片前缘处不会出现短时间内不合实际的大量沉积现象,而表现为一种比较均匀的粒子沉积。

纤维表面气溶胶粒子对流扩散沉积行为随机模拟

采用离散随机模拟方法模拟平行排列纤维表面超细气溶胶粒子的对流扩散沉积过程。以Kuwabara流场近似描述纤维附近区域流体的绕流特征,基于格子随机游走方法求解粒子对流扩散输运方程,以获得粒子在计算区域的运动概率。讨论纤维表面粒子沉积形成粉尘层的动态过程和粉尘层的形态结构特征与粒子输运机制的关系。研究结果表明:粉尘层的形态结构主要依赖于粒子的输运机制,以扩散输运机制主导(多因素归一参量Pe<10)的粒子沉积过程将形成更为开放、松散的粉尘层结构;粒子沉积过程表现出粉尘黏附、粉尘树枝桥接和滤饼生长3个阶段;依据粉尘层填充率随粉尘层厚度的变化关系,粉尘层可分为滤饼基层、滤饼主体层和滤饼表层3个典型结构。

燃烧排放物中有害粒子在人体气管内流动沉积的分析与计算

基于气固两相混合物中粒子随机的Brown扩散运动机理,分析了粒子在气管内随时间和空间位置变化而呈现出的概率分布,提出了粒子有效扩散表面的概念,由此建立了人体气管吸入流中微细粒子沉积的数学模型,从而计算出粒子在气管壁的沉积效率.将粒子沉积效率的计算结果与有关文献进行了对比,并与数值模拟的结果进行了比较,符合较好.

风阀对管内气溶胶粒子沉积影响的数值分析

采用数值模拟方法研究分析了四种常用风阀对通风管道内流场和粒子沉积特性的影响。结果表明,风阀对粒子沉积量的影响存在临界开度,当风阀开度小于临界开度时,粒子在风管中的沉积量将急剧增加,并集中在阀后大约1 m范围内。双叶对开阀、蝶阀、定风量阀和止回阀的临界开度分别为30°、40°、45°、35°。前三种阀门风管侧面的沉积量占比最大,止回阀在风管底面的沉积量占比最大。

人体肺部“左二右三”支气管层流和湍流模型微粒运动沉积分析比较

本文采用Huang和Zhang (2011)构建的从口到第四代不对称气道的人体上呼吸道模型,利用Ansys Inc.的CFX18.0软件模拟三种典型吸入模式下“左二右三”肺部支气管中的粒子运输和沉积情况。考虑到人体肺部支气管内的复杂流动情况,本文模拟了在层流模型和不同的湍流模型下的粒子运输和沉积情况,并对不同模型下得到的结果进行了比较分析。我们的研究表明,在k-ω湍流模型下,在人体“左二右三”的肺支气管中,粒子主要沉积在隆脊处,粒子的斯托克斯数越大,粒子沉积率越高。

废液焚烧余热锅炉内气固两相流动与飞灰沉积的数值模拟

利用Eulerian-Lagrangian模型耦合飞灰沉积模型对一台化工废液焚烧卧式余热锅炉的飞灰沉积和分布进行数值模拟。Realizable k-模型计算炉膛内部的气相湍流,离散坐标法求解包括飞灰粒子的辐射换热和散射影响的辐射换热过程。基于经验黏附模型和临界动能理论,建立了适用于废液焚烧飞灰粒子的沉积模型,对飞灰粒子黏附/反弹和已沉积粒子的脱落过程进行数值预测。结果表明,粒子尺寸是影响沉积率以及沉积分布的主要因素。大粒子在惯性作用下主要沉积于凝渣管排迎风侧,而小粒子由于热泳、湍流波动的影响能够沉积于换热管的迎风和背风侧。此外,随着管表面温度升高,沉积率逐渐增大。通过对一台废液焚烧卧式余热回收锅炉现场测量表明,模拟结果与实际测量结果吻合较好。