油浸式变压器三维电磁-流体-温度场耦合分析方法

提出了一种基于有限元法和有限体积法的变压器三维电磁-流体-温度场耦合分析方法。通过建立变压器三维模型,采用有限元法分析变压器内磁通密度分布,并求得变压器及绕组损耗。将变压器铁芯及绕组损耗作为热源,采用有限体积法求解变压器流体-温度场,分析变压器内部油流及温度分布,同时根据温度场结果对变压器损耗进行修正,通过迭代求解变压器流体-温度场获取变压器内部最终温度分布结果,提高求解精度。采用所提方法对35 k V油浸式变压器进行三维电磁-流体-温度场分析,将结果与经验公式的热点温度计算结果进行对比,验证了所提方法的有效性和正确性。

基于水平集法的三维非均质岩石建模及水力压裂特性

采用水平集法(LSM)描述非均质岩石的静态材料边界特性,探讨分层特性、含有随机分布包裹体特性和具有Weibull分布特性的三种非均质岩石材料有限元建模方法,并与基于完全流-固耦合弹塑性理论的弥散裂缝模型相结合进行水力压裂过程的模拟.在水力压裂模型中通过Corey关系和相对渗透率计算压裂液与原有液体混合的特性.最后进行符合Weibull分布的非均质岩石材料的水力压裂传播特性的计算,给出了等效开裂区域的发展过程、注水点处水压力与注水时间变化曲线和有效应力路径.模拟结果表明,采用水平集法能够有效地描述岩石材料的非均质特性,同时该法能够与弥散裂缝模型很好地结合,实现三维非均质岩石的建模与水力压裂过程的模拟.

车载柔性储液结构动态仿真方法

车载柔性储液结构与结构内液体的作用为典型的流体-结构耦合问题.采用显式动力软件LS-DYNA,首先通过控制体积法与ALE有限元法相结合的方法间接得到了柔性储液结构的初始状态,然后,采用ALE有限元法实现了大型车载柔性储液结构三维动态仿真,研究其在制动工况下的动力行为.通过与试验结果相比较,证实该仿真方法的可行性,为该类车载柔性储液结构的设计与整车性能的改进提供了参考依据.

基于Fluent的三维注塑充填界面追踪方法研究

充填阶段是注塑成型中最复杂也是最重要的阶段。考虑到Moldflow软件在注塑成型模拟中的局限性,越来越多的学者使用Fluent等通用计算流体动力学(CFD)软件进行注塑成型模拟。然而,大多数基于通用CFD软件的注塑充填模拟中都忽略了气体相。基于Fluent软件实现了三维注塑充填模拟,并将没有考虑空气相,以及考虑空气相时使用两种不同界面追踪方法的模拟结果分别与Moldflow进行了对比。结果表明,在基于Fluent的注塑充填模拟中应该考虑空气,且使用流体体积函数(VOF)和水平集(Level Set)的耦合方法 (CLSVOF)比单纯的VOF方法界面追踪效果更好。

自由汇流旋涡多相耦合输运演变机理

含自由液面的汇流旋涡抽吸演变中存在多相耦合、物质传输、能量剧烈交换等物理过程,其中所涉及的多相流体耦合输运机理是具有高度非线性特征的复杂动力学问题,多相黏滞耦合输运动力学建模与数值求解具有较高难度.针对上述问题,提出一种含自由液面的汇流旋涡多相耦合输运建模与求解方法.基于水平集-流体体积耦合(CLSVOF)计算方法,结合连续表面张力模型和可实现(k-ε)湍流模型,建立含自由液面的汇流旋涡多相耦合输运动力学模型;利用一种有效的体积修正方案来计算高速旋转多相流,保证流场质量守恒和无散度的速度场;结合相间耦合求解策略对多相流体分布与多相界面进行精确追踪.基于旋流场多特征物理变量,得到多相耦合界面动态演变与跨尺度涡团输运规律,揭示了多相耦合输运过程与压力脉动特性之间的相互作用机理.研究结果表明:多相耦合输运过程是流体介质过渡的关键状态,旋涡微团受到不同时空扰动模式在界面处形成层层螺纹波形;旋涡多相耦合输运过程随着水口尺度增大而增强,且耦合能量激波引起非线性压力脉动现象.研究结果可为旋涡输运机理、涡团跨尺度求解、流型追踪等方面的研究提供有益借鉴.

自由液面条件下河岸水轮机尾迹特征

为实现考虑自由液面的水轮机叶片周围流场的精细化数值模拟,提出基于耦合水平集流体体积法和浸入边界法的CFD求解方法,并通过Fortran自编程实现。在该方法中,采用耦合水平集流体体积法精确求解不断变化的自由液面,采用浸入边界法求解复杂形体动边界。将所提出的CFD方法应用于自主研发的河岸水轮机装置,对其与自由液面的相互作用过程进行大涡模拟,并通过改变安装高度,得到在不同工况下考虑自由液面的水轮机尾流演变规律。研究结果表明:当水轮机安装位置更靠近自由液面时,其尾流沿纵向的分布向自由液面偏斜,且尾流恢复更快,自由液面的波动更剧烈。

液滴冲击移动液膜的数值研究

为了研究液滴冲击移动液膜问题,建立了三维不可压缩层流计算模型,基于耦合的水平集-流体体积法对两相界面进行追踪,探讨了液膜速度和厚度、液滴直径和速度对冲击移动液膜过程的影响。研究表明:液膜静止时,冲击结果是对称的,而液膜移动时,冲击结果变为非对称;液膜速度对冠上游生长具有增强效应,而对冠下游具有抑制作用,增加液膜速度冠的上游高度增加、下游高度减小,内径增加;液膜厚度增加,液膜与壁面的粘性损失减小,吸收冲击动能的能力增强,当无量纲液膜厚度小于1时,冠的上、下游高度均随着液膜厚度的增加而增加,否则相反;当无量纲液膜厚度小于0.5时,冠内径随着液膜厚度的增加而增加,否则反之;随液滴直径和速度的增大,冠的高度和内径均增加。

多相流动的直接数值模拟进展

多相流动的直接数值模拟的讨论就是把流场中颗粒周围计算网格缩小到颗粒尺寸以下进行流动的计算,颗粒的受力不是通过模型计算,而是通过积分表面的黏性力与压力获得.直接模拟方法的出现标志着人们对多相流动的认识从宏观扩展到微观层次.主要介绍了几种先进的直接模拟的方法:基于体适应的非结构化移动网格方法;基于固定网格方法;其它方法.

矩形舱内三层液体晃荡特性的数值分析

采用耦合水平集和流体体积(CLSVOF)界面捕获方法对浮式生产储卸油(FPSO)装置矩形清洗舱内三层液体的晃荡特性进行数值分析;通过对比数值模拟与试验所得矩形舱内三层液体的液-液界面形状和高度的变化情况,验证了CLSVOF方法模拟多层液体晃荡特性的准确性.结果表明,多层液体晃荡过程中出现的物理现象远比传统单层液体晃荡中的复杂.当矩形舱外部激励频率等于液-液界面的最低阶固有频率时,所产生的共振效应不仅会导致液-液界面的晃荡幅度远大于自由表面的晃荡幅度,而且会导致液-液界面产生Kelvin-Helmholtz不稳定性.

玻璃微珠液滴碰撞分离过程数值研究

采用耦合水平集和流体体积(CLSVOF)法对等直径的玻璃微珠液滴对心碰撞过程进行数值模拟,重点研究了玻璃微珠液滴碰撞分离过程中的物理机制.在与正十四烷液滴碰撞实验对比验证的基础上,数值研究了分离过程中玻璃微珠液滴的形态变化和能量变化规律.研究表明,玻璃微珠液滴碰撞分离过程所需能量主要由液滴动能和表面能提供,且动能大部分转化为黏性耗散能.通过对液滴能量和平均总压变化分析,得出液滴碰撞分离的4种状态,即径向拉伸到极限、径向收缩和轴向拉伸达到平衡、轴向拉伸到极限和液滴液桥夹断分离.分析了4种状态的速度和压力分布,得出末端夹断机制是液滴碰撞分离的主要原因.研究结果可为丰富玻璃微珠液滴碰撞理论提供基础.

带嵌件型腔内熔接过程的数值模拟研究

基于充模过程的两相黏弹性流体模型,采用同位网格有限体积法,结合浸入边界法和界面追踪的复合水平集流体体积方法实现了带嵌件型腔内充模过程的动态模拟.基于上述模型和算法模拟了熔体前沿界面及熔接线的动态演化过程,而且通过线性应力-光学定律得到了熔接线附近的流动诱导应力分布情况;讨论了熔体温度及模具温度对熔接线区域凝固层厚度的影响.数值结果表明:本文提出的方法可用于模拟复杂型腔内的充模过程以及熔接线的自动追踪;由于聚合物黏弹性熔体流动的复杂性,当两股熔体相遇后,熔接线不同位置的应力分布变化较大;熔体或模具温度越高,熔接线区域凝固层厚度越薄,提高熔体或模具温度能够改善甚至消除充模过程中的熔接线.

层流气体雾化制粉工艺粉末形貌及雾化机理

层流气体雾化制备的金属粉末具有粒径较小且粒度分布窄的优点,目前对层流气体雾化的研究主要集中在工艺参数对雾化效果和粉末特性的影响,其雾化机理仍不完全清楚.本文通过数值模拟和实验分析,系统地研究了层流气体雾化过程中的雾化气体流场、一次雾化和二次雾化机理以及最终的粉末颗粒形态.采用标准k-e湍流模型,研究了基于De Laval喷嘴的层流雾化单相气体流场,流场呈“项链”状结构,并伴有斜激波的膨胀波团.采用耦合水平集-体积分数法研究了一次雾化和二次雾化机理,并通过雾化实验得到了凝固碎片和粉末,验证了该模型的有效性,数值模拟结果也为层流气雾化制粉技术的实际应用和具体工艺提供了重要参考.研究表明,液柱周围的熔体主要以细丝或韧带的形式剥离,这显示出了增压低维度雾化的特点.二次雾化过程中球形液滴主要基于Rayleigh-Taylor不稳定变形和Sheet-Thinning破碎模式分解破碎,丝状熔体则主要以曲张波表面发生扰动从而引起波谷处破裂的方式进行破碎.

开敞式进水池喇叭口悬空高度对吸气涡的影响

开敞式进水池是中小型泵站中重要的水工建筑,其在结构尺寸设计不合理时易出现空气吸入涡(air-en-trained vortex,简称吸气涡),严重时会发生空蚀,从而严重影响泵站安全稳定运行。在开敞式进水池中,喇叭口悬空高度C对进水池流动影响较大。本文根据泵站设计规范中给定的悬空高取值范围,采用简化的耦合水平集与流体体积方法(simple coupled level-set and volume-of-fluid method,S-CLSVOF)捕捉水气交界面,并基于分叉模型(bifurcation model,BM)进行数值模拟,分析了吸气涡随喇叭口悬空高度的变化规律,并从喇叭口处涡量及涡拟能的角度,分析了产生该规律的机理。结果表明:吸气涡的大小和进水管内相对吸气率β呈正相关,且平均相对吸气率在3×10^(-4)~7×10^(-4)之间;平均相对吸气率基本随悬空高度的增加呈下降趋势,但在C=0.35D(D为喇叭口直径)处出现突降的情况;每个方案涡量随时间的变化规律表明涡量可定量体现吸气涡的强度;通过对涡拟能输运方程中的分析,发现漩涡受到的拉伸作用决定了平均相对吸气率的变化规律,且与吸气率的变化规律一致,揭示了吸气率突降的机理。同时,分析研究结果发现,在设计进水池时,考虑到吸气涡程度与泵的安装,C=0.35D的悬空高度为最优选择。本文结论对进水池的设计具有指导意义。

限矩型液力耦合器动态分流仿真与性能预测

为了获得耦合器负载突然变化的动态工况下的内部流体环流形态及油液向辅助腔分流的动态运动规律,通过对YOXD200型液力耦合器进行建模并抽取三维全流道,视工作腔内介质的运动为层流运动,采用流体体积法(VOF)两相流模型,通过用户自定义函数UDF对耦合器动态工况进行描述,使得耦合器由同步工况降至制动工况以及由启动工况升至同步工况,从而进行连续工况下的CFD数值模拟分析.研究结果表明:耦合器转矩启动时由于泵轮与涡轮的速度差而达到最大,涡轮输出转矩突然升高,但在前辅腔分流降转矩作用下迅速降低,达到降低启动转矩形成软启动效果;耦合器转矩在高转速比时较小,随着转速比的降低,耦合器转矩逐渐增大;耦合器转速比降低时流体俯冲入前辅腔从而降低转矩,使得转矩在转速比为0.63附近突然跌落,符合耦合器实际工作过程的转矩变化规律.