基于CFD-DEM的流-固耦合数值建模方法研究进展

随着土体渗流侵蚀研究的逐渐深入,对土颗粒流失和变形破坏机理的研究方法呈现出多尺度的特点。其中,计算流体力学-离散元耦合方法(CFD-DEM)为在细观尺度上研究流-固耦合相互作用对土体宏观力学特性的影响提供了一种行之有效的方法。针对CFD-DEM耦合方法在岩土工程领域应用现状,本文系统总结现有流-固耦合计算方法的优缺点,重点论述CFD-DEM耦合方法的建模策略,包括固相颗粒形状建模与粒间接触模型、流体相控制方程及参数计算方法,以及CFD-DEM耦合计算,并就相关问题进行深入探讨,最后提出了CFD-DEM耦合方法未来的发展方向。

船用三通调节阀流-固耦合噪声数值模拟

针对船用PN10DN32三通调节阀噪声声压频谱、声指向性等声学特性规律不明确,噪声声压级是否满足使用要求的问题,基于流-固耦合理论,同时考虑流-固耦合面及流体域内的脉动声学激励源,开展阀门噪声数值模拟研究。分别对三通调节阀在80%及60%开度阀外1 m处的噪声进行数值模拟,分析研究噪声声压频谱特性及声指向性规律。结果表明:80%及60%开度下的噪声声压级分别为49.14 dB(A)、50.79 dB(A),均小于60 dB(A)的噪声限制,满足使用要求。该文为船用三通调节阀噪声数值模拟提供了理论及方法参考。

液-固耦合的熔铸装药颗粒运动特性

为了研究熔铸装药凝固过程中颗粒运动特性,以含铝的DNAN基混合炸药为对象,基于欧拉-拉格朗日方法建立了三维非稳态液-固两相流模型,分析了铝粉颗粒在熔融态炸药中的运动规律,研究了熔融态炸药表观黏度和铝粉颗粒大小对颗粒运动的影响。结果表明,凝固过程初期铝粉颗粒整体保持向下运动趋势,随着熔融态炸药内部形成温度梯度以及环流的产生,在受冷凝固区域会形成中部颗粒上浮、四周颗粒下沉的运动现象,而在未受冷区域会形成中部颗粒下沉、四周颗粒向上的运动现象,最终导致颗粒分布不均,影响成型炸药的组分均匀性;同时发现铝粉颗粒直径越大,熔融态炸药表观黏度对颗粒运动速度影响越大,随着颗粒变小,表观黏度的影响减弱。说明对于含铝DNAN基炸药,根据炸药黏度范围合理匹配铝粉颗粒大小会有效防止发生铝粉颗粒沉降现象。

基于流-固耦合的煤层脉冲注水数值模拟研究

为了研究煤层脉冲注水技术的增湿机理及脉冲参数对煤体力学特征和煤体湿润效果的影响规律,基于流-固耦合理论建立脉冲注水几何模型,采用Rfpa软件和Comsol Multiphysics 5.4软件内置脉冲压力函数进行数值模拟。模拟结果显示,相较于定压注水,脉冲交变压力注水对煤层的“水楔劈裂”作用明显增强;随着脉冲时间的增加,煤体孔隙压力呈现出周期性波动上升的趋势;孔隙压力增加,煤体有效应力相应降低;脉冲压力和时间与煤体湿润半径之间存在一定的数学关系,而脉冲角频率对湿润效果的影响甚微。在进行脉冲注水时可采用高压低频脉冲的注水方式并保证一定的注水时间,能起到较好的煤体增湿效果。

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。

基于流-固耦合的后处理系统热管理仿真分析

基于流-固耦合仿真方法,采用流体仿真软件STAR-CCM+建立卡车的整车三维辐射模型,仿真分析高速(车速为60 km/h)和驻车2种工况下后处理系统的流场和温度场,并开展后处理系统的热管理。结果表明:由于车速影响,传热损失增加,后处理系统的温度无法满足工作要求;在后处理系统增加保温层后,后处理系统固体壁面温度大幅提升,固体壁面最低温度在高速工况提高了58.83℃,驻车工况下提高了58.50℃;保温效果随着保温层厚度的增加而增加,但保温效果的提高幅度随保温层厚度的增加而减小。

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。

流-固耦合作用下小尺寸肾结石引发的输尿管疼痛响应

肾结石引发的输尿管疼痛长期折磨着人类,严重影响着人们的生活质量.然而,目前临床上由于缺乏肾结石与输尿管相互作用的定量分析,泌尿医师无法针对不同患者制定精准的个性化治疗及镇痛方案.针对该问题,以小尺寸肾结石为例,基于耦合Euler-Lagrange(CEL)算法的流-固耦合有限元方法分析了进入输尿管管腔内的小尺寸肾结石与输尿管的相互作用规律,并基于已建立的输尿管疼痛模型,对由输尿管内小尺寸肾结石引发的输尿管疼痛进行了定量化研究.有限元分析结果表明,当结石直径小于输尿管内径时,结石会在输尿管壁蠕动作用下与输尿管发生动态接触,造成输尿管内壁上出现动态应力.随着输尿管壁蠕动幅度增大,结石的移动速度增大,且结石与输尿管接触的概率减小,同时输尿管壁上的接触应力也会降低.将应力结果输入输尿管疼痛模型计算对应的中心传输神经元细胞膜电位,结果表明,疼痛水平随时间的变化与动态应力随时间的变化趋势类似,在应力交替变化的情况下,疼痛程度并不会随应力降为零应力而降低至疼痛阈值以下,表现出疼痛程度与应力水平不对等的特征.该研究所得结果可以结合当前临床上已有的医学影像技术和计算机领域的大数据与人工智能等技术,有望为个性化精准诊断结石患者病况并定量化评估患者疼痛程度,从而制定个性化治疗方案的精准医疗临床策略提供理论基础.

基于孔-裂隙的煤层瓦斯抽采热-流-固耦合模型研究

为研究温度因素对负压钻孔抽采瓦斯的影响,建立了基于孔-裂隙双重多孔介质的热-流-固耦合模型,运用数值模拟手段,对比了不考虑温度因素下基于气-固耦合模型的瓦斯抽采特点和抽采效果。模拟结果表明:考虑温度因素影响所得渗透率结果更小,抽采卸压效果相对较弱;初始煤层瓦斯压力越高,煤层温度降低越明显;考虑温度变化影响,针对不同有效抽采半径R,进行了孔间距为2√3 R/3、2R、4R、6R的多钻孔布孔研究,得出有效抽采区域随抽采时间增加呈现由多个小圆柱状发展为一个大圆角三棱柱,最后趋向于一个规则的大圆柱状的变化规律。研究成果可为预抽煤层瓦斯前布孔设计工作及实际瓦斯灾害防控提供一定的参考。

基于流-固耦合辅助喷嘴特性分析

文章主要研究喷气织机中不同孔型的辅助喷嘴应力形变问题,利用Fluent软件建立了辅助喷嘴结构的三维模型,采用k-ε湍流模型对其结构进行流-固耦合数值模拟,对单圆孔、椭圆阵列以及圆阵列三种孔型的辅助喷嘴在同一流体激励下进行分析,得到各个辅助喷嘴在同一流体激励下的变形情况,结果表明,椭圆阵列在流体激励下的形变最大,圆形阵列辅助喷嘴结构的形变最小,为喷气织机的辅助喷嘴结构设计生产提供参考建议。

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。

可变形天然裂缝动态宽度流-固耦合计算模型

针对当前的天然裂缝宽度预测模型没有考虑裂缝在缝内流动净压力作用下变形的问题,开展了可变形天然裂缝动态宽度流-固耦合计算模型研究。首先,根据天然裂缝的变形控制方程和缝内流动净压力方程建立流-固耦合漏失动力学模型,得到漏失速率和漏失前端侵入速度的控制方程;然后,运用自适应搜索法求取天然裂缝等效平均宽度,结合体积等效原则求得天然裂缝初始宽度,联合初始宽度和漏失速率的几何控制方程建立天然裂缝形态系数的求解方法;最后,基于漏失前端侵入速度的几何控制方程进行天然裂缝形态约束求解得到法向刚度,进而得到天然裂缝动态宽度流-固耦合计算模型。建立的可变形天然裂缝动态宽度流-固耦合计算模型,经验证其计算结果与现场测量数据吻合较好,仅需钻井液性能、井漏现场测量的漏失速率序列及漏失体积序列,就能进行天然裂缝动态宽度预测,便于现场应用。

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。

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。

螺旋槽密封环在热-流-固耦合下的变形研究

以螺旋槽干气密封的动静环和密封气膜组成的系统为研究对象,在Solidworks中建立密封环三维耦合模型,Fluent中计算获得流场动压微气膜分布,将得到的微气膜数据载入Workbench平台的结构场和温度场,设置相应的刚性约束和边界条件,基于热-流-固耦合变形理论来分析密封环在热-流-固耦合下的应力、变形情况,研究不同压差下应力、变形的遵循规律。结果表明:动静环的应力在密封环外径处较大,热-流-固耦合下变形最大区域在中径处。随着压差的增大,密封环的应力、变形均增大,在一定压差范围内动环的应力大于静环,而静环的变形大于动环。

基于声-固耦合算法的储液容器内件模态分析

采用有限元法对比了干模态、质量附加法及湿模态方法对设备频率的影响,同时在湿模态方法中对比了液体晃动效应对设备频率计算的影响。基于某结晶器结构,通过湿模态方法对充水设备内件的频率及振型进行计算,分析设备内部液体对设备内件频率的影响,对于防止搅拌轴与设备部件发生共振能够起到很重要的作用,为大型薄壁容器及内部有很多内件的设备模态计算提供了准确的计算方法。

基于流-固耦合的膨胀土边坡渗流分析

基于流-固耦合理论、非饱和渗流计算模块,通过C++和FLAC^(3D)内置FISH语言构建考虑膨胀效应的非饱和流-固耦合模块,结合工程实例,分析膨胀土边坡在不同耦合方式和降雨工况下非饱和渗流规律及相关影响因素。结果表明,降雨入渗对边坡孔隙水压力的影响集中在边坡浅层范围内,采用流-固耦合模块计算所得土体饱和度的增速、增幅及降雨入渗深度都比非耦合情况时小,且随着降雨的持续,两者之间的差距越来越大;在总雨量相同的条件下,强度小而历时长的降雨会造成边坡土体内雨水滞留量增多,滞留时间变长。

流-固耦合作用下深基坑施工对地铁盾构隧道的影响

随着城市高速发展,越来越多的深基坑工程施工紧邻运营地铁盾构隧道,对其安全运营产生了非常大的影响。依托昆明市某地铁盾构隧道附近的深基坑开挖项目,采用有限元数值分析方法,研究流-固耦合作用下深基坑开挖对邻近地铁盾构隧道的影响。研究结果表明:(1)依托项目按照设计要求考虑时空效应,采用分期分块进行施工,对运营中的地铁盾构隧道的结构安全不会造成影响;(2)深基坑开挖不考虑渗流场作用时,以影响地铁盾构隧道水平变形主,深基坑开挖考虑渗流场作用时,以影响地铁盾构隧道竖向变形主;(3)流-固耦合作用下,深基坑开挖后地面沉降线由原来的抛物线变为倒驼峰形状。