基于CFD与风洞试验的边主梁涡振气动措施

为能够快捷且经济地完成开口类钝体桥梁断面涡振制振气动措施的选型,以一座边主梁叠合梁斜拉桥为背景,采用“CFD(computation fluid dynamics)数值模拟选型+风洞试验验证”的思路对其涡振制振气动措施选型进行研究.该桥原设计主梁断面在常遇风速下存在显著涡激振动,为完成气动措施的初步选型,采用CFD数值计算对原设计断面的流场进行模拟,通过研究原设计断面的旋涡脱落状态确定主要旋涡抑制对象,进而有针对性地模拟了3种气动措施(下中央稳定板、导流板与风嘴)对主要脱落旋涡的抑制作用,通过将各断面旋涡脱落状态与三分力系数进行对比分析,得到各断面涡振性能的相对优劣关系,并最终选取风嘴与下中央稳定板结合而成的组合气动措施进行风洞验证试验.试验结果表明:该组合气动措施能够有效抑制梁体在各风攻角下的涡激振动,且在+5°风攻角下,通过风洞试验得到的导流板、下中央稳定板、风嘴组合气动3种措施对原设计断面涡振振幅的减小作用依此递增,分别为2.7%、27.7%与87.4%,制振能力高低关系与数值模拟结果相一致;本次数值模拟结果符合预期要求,未来可针对不同类型桥梁断面进一步扩展数值模拟与风洞试验结果对比的数据集,以期更为准确、快捷地完成气动措施的选型.

基于CFD的LNG储罐瞬时大风环境数值模拟研究

为分析不同大风风速下储罐迎风侧和背风侧压力分布情况和风场特点,采用k-ε湍流模型,建立液化天然气(LNG)储罐区瞬时大风环境模型。利用计算流体动力学(CFD)软件Fluent对LNG储罐风环境进行模拟,利用软件分析模块生成储罐压力云图和风速矢量图。研究结果表明:LNG储罐在迎风侧承受压力高于背风侧,压力呈现对称分布;储罐前端与两侧易产生气体漩涡,但总体速度曲线较为规律,无混乱复杂的速度曲线。研究结果可为LNG场站抗灾韧性增强、极端大风天气应急疏散路径规划等多方面提供理论参考,对LNG储罐区安全建设具有重要指导意义。

基于Fluent案例的工程流体力学课程教学研究

工程流体力学是大多数高等学校工程类专业必修的学科基础课程,典型特点是抽象、逻辑性强。为使学生深刻理解工程流体力学关键问题,该文基于Fluent软件在理论教学中同步阐述弯管、缩放型圆管、斜三通管路流体力学问题数值模拟,在课堂教学过程中穿插数值计算结果,并让学生理解流动问题发生本质,从而激发学生学习兴趣,提高教学效果,培养学生分析问题的实践能力。

变容积密集烤房的CFD分析与试验研究

为保障密集烤房装烟密度,降低烘烤的能源消耗,研发一套适用于密集烤房的变容积系统。在完成变容积装置的设计后,基于CFD方法模拟分析装置与烟叶的不同距离对烤房内部气体分布均匀性的影响。通过烘烤试验获取实际烘烤数据,对模拟值加以验证。试验结果表明:当隔板与烟叶距离为0 cm时,流速不均匀系数Kv为0.40,温度不均匀系数Kt为0.41,距离为10 cm时,Kv=0.41,Kt=0.43;距离为20 cm时,Kv=0.42,Kt=0.49。装烟区9个测量点的温度模拟值与实测值基本吻合,误差在6%以内。变容积烤房在装烟量为一半时,相比常规烤房的燃料消耗可节约13.4%。研究结果表明:当隔板与烟叶距离为0 cm时烤房内部的气体分布最均匀;CFD模型与数值模拟结果具有可靠性;变容积装置具有较好的保温效果,可保证装烟密度,降低烤烟能耗。

基于CFD和响应面法的引射器优化设计

针对质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)氢气引射器优化研究中优化精度低、忽视多结构耦合作用的问题,采用CFD和响应面法结合优化引射器结构参数。通过单因素仿真试验研究各结构对引射比的影响,在此基础上设计正交试验构建响应面分析多结构参数交互作用。研究结果表明:喷嘴距和等压混合室直径的响应p值小于0.05,存在耦合作用且对引射性能具有显著影响,通过响应面法优化后引射器最大引射比达到3.62,相比于单因素优化结果提升了25.69%并且预测模型误差仅为4.93%。

基于CFD的惰性密封箱室内气溶胶运动规律的数值模拟研究

目前,最有前景的快堆乏燃料后处理方法是干法后处理技术,利用该技术操作物料时,整个工艺过程必然会伴随有放射性气溶胶的产生,为了有效的安全性评估、安全性分析、事故溯源等,需要掌握气溶胶颗粒在惰性密封箱室内的运动规律。本文利用CFD技术对惰性密封箱体内气溶胶颗粒进行运动规律的分析与研究。结果表明:绝大多数颗粒沿着流场方向运动,在出口壁面有部分颗粒残留;壁面粗糙度数值为0.4μm,可以有效地降低颗粒在壁面的沉降。本文的研究结果为惰性密封的手套箱及热室的设计提供相关的理论依据及数据支撑。

基于CFD的干法手套箱内气体流场的数值模拟研究

在乏燃料干法后处理中,将氧化物制备成金属时,可采用熔盐电解工艺技术,由于核燃料具有较高的毒性和放射性,为了确保操作过程的安全,整个工艺过程必须在干法手套箱内进行,干法手套箱是干法后处理熔盐电解工艺研究的必要保障。在以往的实际使用过程中,气量的设计理念是加大通风量,这就造成需要处理的废气量增加,能耗增多,运行成本提高。本文基于CFD以及统计学标准差的概念,研究了箱体内气体流场受到出入口位置、流速等因素的影响,建立了风机流量与箱体体积的函数关系式,为干法手套箱和热室的设计提供了重要的参数。

基于CFD的辐射冷顶板与风扇耦合系统性能优化

吸音板用来解决辐射式天花板供冷系统的噪声问题,但其阻碍了辐射换热。本文提出通过风扇的调风作用来优化辐射冷顶板与风扇耦合系统,基于CFD模拟讨论了耦合系统的室内气流分布、热舒适及换热系数变化,研究了吸音板安装方式、风扇转速和风扇转向对辐射天花板性能的影响。结果表明:风扇的加入增大了顶板的对流换热系数和总换热系数;随着风扇转速的增大,室内的空气温度和人体热舒适性评价指标(PMV)降低;风扇向上吹风的效果优于向下吹风,吸音板竖直安装优于水平安装。

基于CFD-DEM的物料转运过程诱导风流场与产尘因素分析

为了揭示颗粒物料在皮带机转运过程中的粉尘运移规律问题,推导了含有水平初速度的颗粒物料转运过程中的诱导气流方程,并采用CFD-DEM耦合方法对转运过程中的颗粒分布与诱导风流场特性进行了研究,分析了颗粒物料的落料高度、质量流量和初速度对颗粒逸散与诱导气流的影响。结果表明:颗粒在弧形下落阶段速度逐渐提高,挤压碰撞阶段颗粒速度先降低后提高,最后趋于稳定,部分颗粒出现逸散现象;含尘气流在颗粒物料弧形下落阶段和挤压碰撞阶段扩散较为明显;诱导气流速度与颗粒物料质量流量和初始速度呈正比关系,颗粒物料质量流量与诱导气流速度呈幂函数关系,拟合曲线幂指数为0.6~0.74。

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。

基于“一维系统+三维CFD”耦合方法的快堆非能动余热排出系统自然循环特性的数值模拟

池式快堆采用了新型非能动堆内直接余热排出(DRACS)方式,提升了快堆的安全性。目前针对池式快堆自然循环开展的数值模拟研究中,系统程序难以准确预测池内复杂自然循环路径,难以准确模拟池内三维热工水力现象,如果采用三维CFD计算建模及网格划分难度较高,且所需计算资源较大。为此本文开发了“一维系统+三维CFD”耦合方法,用于快堆非能动余热排出系统自然循环特性计算分析。利用日本大型钠回路实验台架(PLANDTL)DRACS自然循环模式对该耦合方法进行验证,稳态工况关键位置参数相对误差小于3%,瞬态工况关键位置参数与实验值变化趋势吻合较好,相对误差小于10%,验证了该耦合方法的适用性和准确性。利用该耦合方法,开展了中国实验快堆(CEFR)自然循环及余热排出特性计算分析,识别了池内自然循环流动路径,揭示了池内温度分层以及盒间流现象。本文方法可为大型钠冷快堆自然循环三维瞬态特性分析提供重要数值方法。

基于CFD与TRNSYS的圆形猪舍内环境控制研究

为了给寒冷地区密闭圆形猪舍提供内环境控制策略,试验以地处寒冷地区的张家口市某在建密闭圆形猪舍为研究对象,通过ANSYS FLUENT软件搭建计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)仿真模型,利用CFD模型计算猪舍在最低通风量标准条件下舍内污染气体质量浓度与风速分布,研究通风量对舍内污染气体质量浓度的影响;利用TRNSYS 17软件搭建猪舍温控仿真模型,以月舍温、月舒适时间占比和月暖通不保证率为评价指标,研究非供热策略、供热策略和调整养殖密度策略下猪舍全年通风量对舍内环境温度与舒适性的影响,筛选较为合适的猪舍全年温控策略,并对最适温控策略进行优化研究。结果表明:在圆形猪舍内每60°布置一组送、排风侧立管的“上送侧排”通风方案中,污染气体浓度随通风量增大而降低;在全年最低通风量[0.35 m~3/(h·kg)]标准条件下,养殖区域猪只背部高度平面的平均风速为0.3 m/s,猪只呼吸高度平面NH_(3)、H_(2)S、CO_(2)质量浓度最大值分别为1.02,0.021,525 mg/m~3,上述参数均满足猪舍养殖环境要求,即通风量、污染物浓度、猪只吹风感之间得到较好平衡。调整养殖密度策略比供热策略的全年平均月舒适时间占比高1.5百分点,全年平均月暖通不保证率低0.2百分点;调整养殖密度策略在夏季的平均月舒适时间占比比非供热策略高4.3百分点,月平均舍温低0.3℃,因此育肥猪舍采用调整养殖密度策略调节猪舍温度更为合适。猪舍采用调整养殖密度策略调节猪舍温度时,将5,9月份的通风量从0.50 m~3/(h·kg)提升至0.68 m~3/(h·kg),使这两个月份的月平均舍温均下降2.3℃,月暖通不保证率分别从1.6%和7.2%下降至0.9%和3.6%,月舒适时间占比分别从35.9%和26.1%提升至70.4%和59.4%;夏季采用遮光板辅助降温措施可使午间猪舍温度降低0.3~1.2℃,使猪舍温度更加舒适。说明应用新风全热交换器和湿帘-风机系统并适当调整通风量或养殖密度可以达到密闭圆形猪舍的环境控制要求。

机身气动特性CFD计算与风洞试验结果相关性分析

机身气动特性结果是直升机研制过程中重要的设计输入,目前主要通过风洞试验和CFD计算两种方法来获得,两种方法得到的机身气动特性结果存在一定的差异。首先对三种直升机机身模型的CFD计算与风洞试验结果进行了对比;之后分别采用增量法和比例法两种方法分析了两者的相关性。结果表明,在小角度时两者的差值基本不变,大角度时两者的比值基本一致。研究结果对提高CFD计算的可靠性和改进CFD计算结果修正方法有一定的作用。

核电厂除盐水箱氧浓度CFD数值分析

压水堆核电厂除盐水箱中的氧含量受到严格的控制,本文采用CFD方法分析核电厂运行中除盐水箱的氧浓度。通过引入并求解用户自定义标量方程,分析了充水和排水工况氧浓度分布,结果表明:充水和排水操作仅对水箱与平衡管接口附近的氧含量分布有影响,对充/排水接管及水箱大部分区域的氧含量分布影响较小。

流场涡旋中颗粒碰撞黏附机制的CFD-DEM(XDLVO)模拟

混凝装备中流场的涡旋特征是影响煤泥水等微细颗粒絮凝效果的关键因素之一。为解析流场涡旋影响颗粒混凝碰撞与黏附机制,以圆柱绕流产生的涡街为代表性涡旋流场,采用CFD方法模拟了流速和圆柱直径对流场涡旋强度和尺度的影响;引入XDLVO理论辅助描述离散元方法中颗粒间的相互作用力,对粒径为25~100μm颗粒在上述流场中的碰撞与黏附过程进行CFD-DEM模拟,并试验验证。结果表明,在流速0.06~0.12 m/s、圆柱直径2~6 mm、雷诺数为120~720条件下,圆柱绕流场中的涡旋半径(r)与圆柱直径(D)的关系近似为r=0.133 3D+0.421 4,与流速无显著相关性;涡旋中心的最大涡量与流速成正比,涡旋强度与圆柱直径的2次方正相关。CFD-DEM(XDLVO)模拟方法获得的黏附聚集体的特征参数与试验结果吻合较好,说明其可较准确地描述圆柱绕流场中颗粒的碰撞与黏附过程。对流场涡旋分布特征和聚集体在流场分区中分布特征的分析表明,流场中的涡旋通过惯性离心力使颗粒远离涡旋中心向涡旋周边的黏性剪切区富集,在改变颗粒运动方向的同时,增加了颗粒在黏性区的局部浓度,从而提高了颗粒的碰撞概率,有效促进了颗粒的黏附并大。当涡旋尺度为物料粒径的10倍左右时最有利于颗粒的碰撞黏附,因此可根据应用场景的物料粒度来优化设计绕流圆柱直径,使其达到最好的黏附效果。

基于CFD流场模拟的大型卧式反应釜结构研究

近年来,加压浸出湿法冶金工程在向更大规模的发展道路受到了配套装备大型化带来的技术制约。为了适应加压浸出工艺关键核心设备-卧式反应釜的规模大型化发展,更好地保证该设备在使用过程中的可靠性与高效性。本文采用CFD流体模拟软件,针对某项目使用的300立卧式反应釜,研究其在不同长径比下的流场分布情况以及搅拌器功率消耗大小与长径比的关系。研究表明适当增加长径比有利于改善水平方向的流场特性,减小长径比有利于改善垂直方向的流场特性,减小长径比有利于搅拌功率的降低。当长径比取1.08或1.13,能够有效提高卧式反应釜内的反应效率,降低成本和系统能耗。

混凝土搅拌筒CFD-DEM多相流数值模拟与分析

为研究混凝土运输车搅拌筒内的混凝土与骨料颗粒的真实运动情况,采用CFD-DEM耦合的方法,考虑混凝土的非牛顿流体特性及骨料颗粒间的相互作用,对混凝土进料、搅拌、出料过程的混凝土及颗粒运动规律进行数值模拟。通过将出料时间和出料速率数值仿真结果与实验对比,验证了CFD-DEM耦合方法的可行性。将计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)和离散元(Discrete Element Method,DEM)仿真结果导入ABAQUS中对叶片结构强度进行了分析,结果表明:叶片所受应力远小于材料的许用应力,最大节点位移满足刚度设计要求。最后对叶片的磨损情况进行了分析。

基于Fluent的重载植保无人机雾滴沉积特性的研究

以有效载荷为135kg的FBH-300T纵列式重载油动双旋翼无人机为研究对象,测量了飞机旋翼风场和喷头数据,并使用Fluent建立喷头在外流场中的仿真模型。采用计算流体力学(Computer Fluid Dynamic,CFD)的方法,对FBH-300T无人机飞行速度、侧风和载荷对飞机施药过程中雾滴沉积的影响进行了仿真计算和试验验证。结果表明:植保无人机的飞行速度、侧风和载荷都会影响雾滴的沉积分布,雾滴沉积受侧风的影响最大,其次为飞行速度,受载荷的影响最小;在0~2m/s的侧风和0~5m/s的飞行速度范围内,雾滴的穿透性和漂移变化不大;飞机从满载到空载的施药过程中,雾滴沉积特性基本不发生变化,符合田间试验结果。由此证明:使用Flu-ent开展植保无人机雾滴沉积特性的相关研究是可行的,能够为植保无人机雾滴漂移、运动及沉积研究提供参考。

印刷车间甲苯扩散及控制CFD模拟分析

为探究印刷车间挥发性有机物(VOCs)气体中甲苯的扩散及控制因素,选择组分运输模型(species model)、湍流模型中的k-ε(2-eqn)模型和能量方程(energy),采用CFD-POST和正交实验设计验证,结合模拟结果对甲苯的扩散进行研究。结果表明:(1)印刷车间采用侧通侧回的方式时,改变通风口的各个因素,得出最佳组合为通风口的高度0.7 m,通风量为13000 m3/h,与北墙间距为3.2 m;(2)由单因素进行正交试验,得出该车间通风参数最佳组合为通风口高度0.8 m,通风量为13000 m3/h以及进风口与北墙间距为3.2 m。研究结果对印刷车间降低甲苯浓度、提高通风效率、增强对劳动者的保护具有重要意义。

CFD技术在环境工程专业教学及能力拓展中的应用及实践

本文对CFD技术在环境工程专业教学中的应用和实践进行了总结,介绍了其与环境工程专业的共性基础以及案例授课分析过程。基于教学实践中的问题,总结了相应的教学方法改进措施,强化了教师学生互动环节,加深了学生对环境专业中的流体流动知识点的理解。通过教学内容改进及考核形式的不断创新,教学效果得到有效提升,促进了CFD技术在环境工程专业教学中的良性发展。