基于3D打印梯度掺杂激光陶瓷的混料喷头研究

随着科技的发展,功能梯度材料能够更好地满足实际应用的需求,例如梯度掺杂结构的激光陶瓷能够很好的缓解热效应。然而,通过传统方法制备梯度结构材料通常是困难的。3D打印具有成型复杂构型的能力,可以很好地适应于功能梯度材料制备。本文提出了一种基于直书写3D打印激光陶瓷的主动混合打印头,并选用了纯YAG和0.25 at%Yb∶YAG陶瓷浆料来验证该混料喷头的混合性能。首先,探究了两种浆料的流变性能。然后,采用Ansys Fluent软件对混合过程进行了计算机流体力学(CFD)仿真,探究了混合转速对混合均匀性的影响。此外,通过扫描电镜(SEM)结合能谱(EDS)面扫描检测了不同混合转速下混料喷头挤出线条截面上Yb元素的分布,并将实验结果与数值模拟结果进行了比较,验证了模拟的正确性。最后,将该混料喷头与直书写装备相结合,成功制备了梯度掺杂Yb∶YAG激光陶瓷。总之,混料直书写打印为制备梯度掺杂Yb∶YAG激光陶瓷提供了更多可能性。

运用八叉树3D纹理实现CFD数据场的直接体绘制

基于3D纹理的直接体绘制算法可以在保证图像质量的同时达到较好的交互性能,但由于纹理内存的限制,大规模数据场的3D纹理直接体绘制比较困难。作者提出了一种适用于计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)数据场的八叉树3D纹理分割算法。该算法首先对数据场进行层次分割,然后根据CFD数据场的四面体网格特点插值生成规则网格数据场,最后生成基于八叉树结点的3D纹理子块。试验证明该算法可以较好地实现CFD大规模数据场的直接体绘制,渲染速度基本达到交互性的要求,较好地体现数据场内部的层次与结构关系。

普惠E^3高压涡轮级气动性能验算

利用自主开发的涡轮气动设计体系对普惠公司(P&W)E3高压涡轮叶型进行反设计,并在考虑气膜冷却的前提下对反设计得到的涡轮级进行全三维气动计算验证。计算结果与试验数据对比表明,三维计算结果与试验数据吻合较好,通过叶型反设计和计算验证掌握了该涡轮的设计特点,并证明了该涡轮气动设计体系具有较高的可信度和精度,可用于大涵道比涡扇发动机涡轮部件的设计。

不同结构气化炉激冷室气液两相流的数值模拟

针对目前工业用激冷室存在的粗合成气洗涤效果不佳、破泡器堵渣等问题,提出了改变液池直径与下降管直径之比、在床层内减少破泡条、调整单层破泡条节距等调整方案,基于双流体模型和群平衡模型对含破泡条的激冷室进行了三维CFD模拟,比较了70%、100%、110%负荷下的液相含率、速度分布、湍动能分布、涡分布、气泡直径分布等,结果表明:调整后激冷室中的气泡直径更小,洗涤效果更好,气液两相传质传热更加充分,且能适应不同负荷工况。

三维流动传热空隙率计算程序FASTOR—3D开发研究

Three-dimensional numerical model, which employed porosity factors to simulate the effects of obstacles in the fluid domain, was developed. Computer code-FASTOR-3D, based on SIMPLE algorithm and staggered grid scheme, was initiated and verified with several benchmark solutions. Application of this code on heat transfer and flows in sodium pool of a fast breeder reactor, turned out meaningful database. The vast numerical result is visualized with affiliated software DV which converts flow and temperature fields into vivid colors for convenient analysis.

双振镜直接探测高精度三维成像激光雷达系统实验研究

建立一个高精度实时三维成像激光雷达系统,该系统采用恒比定时器(CFD)来判别到达时间;通过时间-数字转换(TDC)测量激光雷达与目标之间的激光脉冲飞行时间,然后将飞行时间(TOF)反演为距离信息;结合二维扫描空间坐标,得到目标的三维距离信息。在100 m范围内对不同的非协同目标进行实验测量,并给出实验结果。在该系统中,时间测量误差为300 ps,而测距精度为45 mm。

基于FLUENT的轴承腔封严引气流动特性仿真分析及结构优化

为降低轴承腔封严引气流阻,提升滑油系统封严可靠性,以航空发动机轴承腔封严引气结构为研究对象,针对发动机典型工况点,将引气管、轴心引气等三维模型导入CFD软件平台FLUENT划分网格,采用Realizable k-ε模型对流场进行三维数值模拟,流场分析结果与实际相吻合,能够准确地反映气体流动状态。通过对2种引气管结构与3种轴心引气结构流动特性进行对比分析,得到典型工况下封严引气结构的流阻及出口流速等性能参数,最终确定多种封严引气结构对流动特性的影响,从而对引气结构进行改进设计,优化了引气流动特性,为轴承腔封严引气结构设计提供了参考。

脉动流化床内青刀豆颗粒的混合特性数值模拟

青刀豆一般采用流化床装置进行速冻。为了解决其床层堵塞和聚集不良的问题,进一步提高青刀豆的混合效率,课题组建立了三维混合脉动流化床模型,将计算流体力学与离散单元法(computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM)相结合,探究1,2,4和8 Hz 4种不同频率的脉动进口风速下青刀豆颗粒的流化混合情况。仿真结果表明:脉动流化床对于青刀豆颗粒混合具有一定改善作用,青刀豆颗粒的轴向混合强于径向混合,4 Hz时颗粒混合标准偏差值最小;当进口风速的频率接近颗粒的自主振动频率时,床层膨胀最明显,出现类似“共振”的现象;2 Hz时颗粒径向、轴向混合效果最佳,频率过大或过小对于流态化增强效果不明显。

300MW等级S-CO_(2)系统透平设计

超临界二氧化碳(S-CO_(2))循环发电技术是未来发电市场极具前景的发展方向,透平是循环的核心部件,直接决定S-CO_(2)发电系统的动力性和经济性。借鉴蒸汽透平的设计理论和经验进行了300MW等级S-CO_(2)系统透平设计,利用哈汽公司高性能叶型数据库进行三维叶型设计。三维气动性能分析表明,S-CO_(2)透平气动性能优良,流量、效率、功率等指标满足设计要求。有限元分析表明,典型级动叶片应力、频率合格,设计方案可行。

某PHEV车型电池热管理系统的1D/3D耦合分析

采用1D/3D耦合仿真的手段对某PHEV车型电池包热管理系统进行了研究。1D建模方法用于建立电芯的等效电路模型,模型用试验数据标定,能预测电芯的发热量,并为3D仿真提供输入。3D仿真能够计算电芯内部的温度分布,而温度会影响1D等效电路的模型参数,进而影响发热量,以这种方式建立了仿真模型的1D/3D双向耦合。利用此模型,以一组高温恶劣工况下实测电池电流和电池包进口处冷却液温度为边界条件进行了瞬态分析,并将冷却液出口水温仿真结果与试验数据进行对比,结果显示两者平均偏差在1℃以内,体现出较好的预测效果。研究结果还显示,电池包外表面空气对流传递的热量在总散热量的5%以内,对结果影响不大。研究证明1D/3D耦合仿真是新能源车型电池包开发过程中的有力工具。

基于3D打印和CT三维重构数值模拟上呼吸道气流状态的研究方法

目的建立物理模型实验和数值模拟相结合的方法,用于研究上呼吸道气流状态。方法基于网上公开CT医学图像,重建人体上呼吸道三维模型。基于3D打印技术,建立上呼吸道实验模型,进行呼吸的流量过程测量实验;通过对上呼吸道三维模型进行网格划分,采用湍流Realizable k-ε数值模型进行计算。结果首先进行与实验工况对应的数值模拟对比研究,得到与实验吻合的结果。数值模拟结果表明,呼吸过程中的气流的流动轨迹呈抛物线形状,呼气和吸气阶段的流场、壁面压力和涡结构分布很大区别,呼吸交换过程中上下鼻道有空气残留。另外,通过脉线、压力分布和涡结构分布情况,初步分析气流对上呼吸道生理环境的影响。结论该方法具有针对性、快速性和准确性的特点,充分发挥了物理实验可靠和数值模拟精细的优点,适用于不同个案上呼吸道不同问题的研究,对临床个性化诊疗具有价值。

基于3D打印技术的内伸舌叶球形填料的结构设计与数值模拟

为改善目前化工单元操作中散装填料存在壁流、沟流、填料架桥及空穴等现象使填料塔整体传质效果受到影响的问题,将自分布填料的概念引入新型填料的研发过程中,对传统的球形填料结构进行优化改进,设计了一种功能复合化的新型内伸舌叶球形填料。并结合3D打印技术、CFD数值模拟技术对填料的综合性能进行合理评价。

低硫重油喷雾发展及热解反应特性分析

为揭示大型中低速柴油机气缸内喷雾发展和混合气分布特征以优化船舶推进主机动力性能与排放特性,开展了热解反应对低硫重油喷雾发展造成影响的研究。使用预混式定容燃烧弹系统对高温高压环境下低硫重油喷雾发展特性进行光学诊断测试分析,同时根据低硫重油热重分析测试结果计算出热解反应导致的质量损失率,从而发展出低硫重油热解反应模型,开展低硫重油喷雾三维计算流体动力学(3D Computational Fluid Dynamics,3D-CFD)仿真研究。结果表明:研究建立的3D-CFD仿真模型耦合低硫重油热解模型可以准确模拟低硫重油喷雾在高温高压条件下的发展特征;低硫重油喷雾在高温高压惰性环境中经历了破碎、蒸发与热解等复杂的物理化学过程,喷雾发展前期主要由易挥发的组分控制,而热解反应生成的气体与不透明物质主导喷雾后期的发展特征;低硫重油喷雾发展特性受环境密度影响大,环境密度增大时,喷雾贯穿距减小,喷雾锥角增大,环境温度对低硫重油喷雾发展特性影响较小,但影响喷雾下游不挥发成分质量,间接影响混合气形成。

基于3D打印的消音器快速设计技术研究

本文开展消音器快速设计研究。首先,开展某型枪用消音器膛口流场的仿真分析与计算,经后处理分析,获得膛口流场速度与膛口压力分布云图,通过分析获得膛口噪音分贝值;其次,进行3D打印工艺适应性研究,采用TC4粉末完成消音器快速激光成型;最后,功能性试验验证结果表明,3D打印消音器降噪仿真与实弹射击试验结果是一致的。

Assessment of Turbulence Models on Bridge-Pier Scour Using Flow-3D

The main purpose of this paper is to analyze the influence of different turbulence flow models on scouring pit of bridge-pier. Flow-3D software is applied in line with the purpose. The key motivation for this study is to contribute to the Flow-3D software by means of some modification and adjustment in the sediment scour model and shallow water model. An assessment of turbulence model adopted with the parameters of the Melville experiment to estimate the maximum scour-depth was performed. In the simulation results, the alternate eddy formation and shedding were repeated while the Karman vortex street formed behind the pier for the large eddy simulation LES turbulence model is more realistic in the flow phenomenon. The results of the scour development of large eddy simulation (LES) turbulence model were found to be more satisfied than the Renormalized group (RNG) turbulence model and close to the prior experiment results. The simulated scour results were significantly different with the observed data collected from previous literature in the reason of some unsuitability of meshing method in Flow-3D software.

预燃室通道直径和形状对低速天然气双燃料发动机爆震的影响

基于三维数值仿真模拟研究了预燃室与主燃室之间通道直径及扩口型和缩口型等通道形状对发动机爆震的影响。研究结果表明:在爆震工况下,预燃室的通道直径越小则火焰射流冲击所引起的压力差越小,从而降低火焰面放热进一步产生的压力差增强效果,最终降低爆震强度。扩口型预燃室通道会减小初始压力差的强度,但是会产生火焰射流持续喷向主燃室的现象,该现象会持续增加压力差的强度,最终提高爆震强度。相反,缩口型预燃室通道可以减少这一现象的发生从而减轻爆震强度。

三维CFD仿真软件GASFLOW气溶胶分析模块研发与应用

反应堆严重事故下,放射性裂变产物以气溶胶的形式随水蒸气、氢气等一起大量释放至安全壳中。安全壳内气溶胶迁移与沉降受安全壳内热工水力深度影响。本文阐述了三维CFD仿真软件GASFLOW气溶胶分析模块研发方法,利用该方法实现了安全壳内气体相和气溶胶颗粒相的三维耦合仿真与并行计算,验证后的程序能准确评估气溶胶迁移、沉降及其在安全壳内的三维分布。大型先进压水堆典型事故序列下安全壳内气溶胶行为三维CFD分析表明:CFD计算时间可接受,具有较好工程实用性;气溶胶的沉积和积悬浮总量与系统程序结果吻合较好;气溶胶三维分布受气流场、浓度场、温度场影响;气溶胶吸湿增长是气溶胶自然去除的关键因素等。该软件模块可拓展至安全壳喷淋去除气溶胶、氢爆下气溶胶再悬浮等其他复杂热工水力工况下气溶胶行为研究。

水泵水轮机抽水断电飞逸过渡过程中转轮受力分析

为防止水泵水轮机空化和尾水管水柱分离,高水头抽水蓄能电站吸出高下降至-100m量级,使得尾水管压强升高。在抽水断电导叶关闭过渡过程,尾水系统的正水锤波冲击在转轮低压侧,水锤波叠加尾水管初始压强可能导致机组旋转部件轴向力失衡;但导叶拒动情况下轴向力如何变化,尚待研究。本文以国内某600 m级水头抽水蓄能电站为研究对象,应用一维三维耦合过渡过程数值模拟技术,模拟了双机同时抽水断电导叶拒动飞逸工况,分析了转轮受力波动规律及机理。结果表明,尾水系统正水锤波对轴向力的冲击明显小于水泵水轮机进入水轮机区时的轴向力冲击,最大轴向力的冲击幅值增量约为200t,值得关注;径向力在水轮机制动区达到最大值,波动剧烈。

二冲程自由活塞发动机扫气与排放仿真研究

利用CONVERGE软件建立二冲程自由活塞发动机的三维计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真模型,研究扫气压力、点火时刻对缸内扫气、燃烧和CO_(2)、NO_(x)、CO废气排放的影响。仿真研究结果表明:随着扫气压力增大,缸内扫气效果变好,更多新鲜气体进入缸内,CO_(2)和NO_(x)的生成和排放增加,CO减少;点火时刻影响缸内燃烧,随着点火时刻推迟,缸压峰值和缸内平均温度降低,CO的生成及排放增加,NO_(x)的生成及排放减少。自由活塞发动机试验过程时,应当综合选取工况条件,使得燃烧、扫气、排放等达到综合最优效果。

不同网格尺度对浮体水动力学性能的影响

鉴于网格尺度的选择对水力模型数值模拟的精确性和稳定性具有重要影响,应用FLOW-3D软件,采用RNGκ-ε紊流模型,利用VOF法追踪自由表面,对不同网格尺度下浮体结构的水动力学特性进行分析,重点对比网格尺度的选择对流体与浮体结构交界面的影响,同时给出了流速、流线、流量及自由表面的变化,并与试验结果进行对比,得到最优网格尺度。结果表明,当选用最小结构尺寸0.1倍的网格尺度模拟浮体结构时,不仅可以满足网格的独立性要求,而且与试验测量的各水力学要素精度误差都小于1.50%,从而为类似的数值模拟提供了一定的参考依据。