基于CFD-DPM模型研究絮状颗粒团在倒料管道内的流动特性

研究倒料管路内稠相液体经过射流搅拌后产生的絮状颗粒团在扬液器作用下的倒料过程,并利用CFD-DPM模型分析了在不同管路流速下絮状颗粒团的流动特性。结果表明:当流场流速大于2.0 m/s时颗粒的聚集和分离比较剧烈,有利于形成均匀连续的流动壁膜而不会产生局部堆积形成阻塞,为倒料泵的选型和优化提供理论依据。

基于CFD-DPM的风选设备参数仿真计算方法

为了给风选设备的设计提供参考依据,提出一种基于CFD-DPM的风选设备参数仿真计算方法,以残膜和棉秆为研究对象进行试验验证。分别对悬浮试验台气流场和验证试验台气流场中的残膜和秸秆进行运动分析,推导等效运动颗粒仿真参数计算公式并求其具体数值。构建CFD-DPM耦合模型,对等效颗粒在验证试验台中的运动进行数值模拟计算,求解验证实验台在不同参数下进行残膜和秸秆分离所需的离心风机临界转速。对仿真获得的离心风机转速进行相同条件台架试验验证,仿真值与实测值误差小于10%,仿真结果具有较高准确性,证明研究方法可行。

基于CFD-DPM的射流泵中90°弯曲流道冲蚀仿真分析

随着国内钻井深度的不断增大以及井内低产层的逐渐增多,使得井内油液的开采难度进一步增大。虽然现有的深井射流泵可利用高压流体(人工从地面打压进井内的高压流体)来实现对油液的举升,但是该方法的生产成本较高,并且当被举升的油液中混有细小砂粒时,油液中的砂粒将会对射流泵造成一定冲蚀影响。为了降低射流泵的冲蚀磨损程度,并且提高采油效率与减少生产成本,根据油田层系(高低压油层)较多的特点,设计一种射流泵,该射流泵可以转化现有层间矛盾,把高压油液作为动力液来实现对低压油层的开采。通过对射流泵的整体结构进行分析后,发现该射流泵中存在一处90°弯曲流道,该流道内壁面为吸入液入口处的正对迎流壁面,所受砂粒的冲蚀磨损较大。为了得出砂粒对壁面的冲蚀磨损程度与影响因素,利用CFD与DPM模型对该冲蚀过程进行精确仿真,通过改变网格尺寸大小验证了仿真模型的网格无关性与仿真结果的收敛性后,利用控制变量法与数值模拟进一步分析流体速度、砂粒直径等对该流道的冲蚀影响规律。最终发现流速大于4 m/s或者砂粒直径大于0.7 mm时,最大冲蚀速率与每天的最大冲蚀厚度的增大幅度变得更加明显。就冲蚀区域而言,流道上所形成的冲蚀磨损区域成椭圆状,该冲蚀区域的中心位置所受到的冲蚀磨损相对较少,并且该区域大小并没有随着流体速度等影响因素的变化而发生较大改变。

基于CFD-DPM耦合法新型差压密度计中水泥浆液流动特性分析

为了揭示水泥浆液密度检测过程中运动规律,基于欧拉-拉格朗日法建立连续-离散相模型,通过CFD连续模型和DPM离散模型分别求解液相速度分布和固相颗粒运动轨迹,对差压密度计中水泥浆液流速场和颗粒场进行模拟。研究结果表明:在差压密度计测量过程中,水灰比为5:1~3:1的低质量分数浆液沿测量筒中心线和横截面方向均匀分布,水灰比为3:1~0.5:1的高质量分数浆液沿测量筒中心线方向均匀分布,沿横截面方向呈一阶递减梯度分布,常规质量分数水泥浆液在核心测量区域内基本呈稳定流动状态;水灰比为0.5:1~5:1的浆液固相颗粒均匀分布于测量筒内,未出现局部聚集和真空区域。双耦合模型解决了水泥浆液传统模型模拟失真问题,为差压密度计研发过程中水泥浆液流动状态的分析提供了依据。

基于CFD-DPM耦合方法的多级串联弯管内液固两相流冲蚀特性研究

油气开采及输运过程中管道中的砂粒侵蚀会导致严重设备故障,并可能限制生产效率,增加生产成本。因此,准确预测油气生产管道尤其是弯管处的砂粒冲蚀情况是降低管道失效的关键保障。本文基于CFD-DPM方法,通过计算油气连续相流场、管壁侵蚀率和颗粒轨迹,实现复杂结构弯管中含砂颗粒的侵蚀速率的准确预报。研究发现,随着串联弯头之间的连接长度增加,弯管平均冲蚀率整体呈下降趋势,而最大冲蚀率先增大后减小又逐步增大。未来在含砂多相流体输运管道的设计中,为降低壁面冲蚀磨损,串联弯管连接长度建议可选在(9~15)D范围内。本文通过对比单个弯管与多级串联弯管内液固两相流冲蚀特性的差异,为未来含砂多相流体输运管道的设计及腐蚀防护提供理论指导。

基于CFD-DPM模型的浮选机内固相颗粒行动行为研究

矿物颗粒在浮选机内部的运动状态是优化研究浮选机性能的基础。采用计算流体力学仿真技术,使用欧拉-拉格朗日方法(CFD-DPM)模拟研究了浮选机内部固相颗粒的运动行为:采用单一粒径的石英固体颗粒,在单向耦合条件下研究颗粒运动轨迹随时间的变化,揭示流场对固体颗粒的影响;在完全耦合条件下研究颗粒运动轨迹随时间的变化,揭示颗粒与流场的相互作用。

井下巷道喷浆过程产尘的运移及分布特性

煤矿井下全气动喷浆技术的喷射过程涉及浆体基料、喷雾作用与周围空气等,是典型的气、液、固三相流。基于CFD-DPM方法,采用欧拉双流体模型模拟气相和水相,采用拉格朗日模型追踪喷浆过程产生的粉尘,研究了多种工况喷雾作用下粉尘的扩散过程,分析了粉尘运移及分布特性,获得了喷雾角度与流量对粉尘分布的影响规律。喷射角度的变化对粉尘扩散的影响主要集中在中下部区域,控制喷雾流量可有效降低区域粉尘,为合理降尘、提高喷射效率提供了理论支持。

接尘工人个体周围流场与粉尘分布特征研究

为了发掘接尘工人的粉尘暴露特征,建立了人体及其周围巷道的三维物理模型,利用CFD-DPM方法,研究了接尘工人周围粉尘与气流的扩散过程。通过分析人体周围及其呼吸半球区内气相场、粉尘场、全尘和呼吸性粉尘的浓度变化等,得到了粉尘在人体周围的分布特征:吸气、呼气过程对人体周围流场影响相对较小,粉尘在巷道中的分布较为规律,主要表现为不同粒径的粉尘分层;人体呼吸半球区内的粉尘主要为粒径较小的呼吸性粉尘;相关模拟结果与现场监测的全尘浓度较为相近;在周期性呼吸作用下,与呼气过程相比,吸气过程时呼吸半球区内全尘和呼吸性粉尘的浓度均较高。所得结果为制定个体呼吸防护方案提供了理论指导。

小气旋除尘过程的气固两相流研究

气旋装置作为一种重要的气固分离设备,被广泛应用于矿山、环保等领域的工业除尘。气旋装置结构设计直接影响其除尘效率。设计了一种小型气旋装置旨在为矿工个体防护提供帮助,基于CFD-DPM方法,对气旋装置的旋风分离过程进行了系列模拟与相关实验研究,考察了气旋装置中气相场的时空分布与粉尘在气旋装置内的分布特征,研究结果表明:含尘气流在气旋装置中形成了主流方向不同的内外旋流流场结构;排气管下口处存在“短路流”,圆锥形筒体部分出现了明显的“摆尾”现象;径向上的动压分布曲线呈明显的“驼峰”形分布,不同粒径的粉尘在气旋装置中的时空分布和运动轨迹存在明显的差异;该气旋装置对粉尘的捕集率随颗粒粒径的增大而增加;排气管高度对捕集率影响显著。

喷雾降尘对旋式轴流风机结构参数设计优化

随着中国城市化和工业化的快速发展,粉尘污染问题日益突出。通过对喷雾降尘对旋式轴流风机的结构参数即一级叶轮叶片数、二级叶轮叶片数和导流叶个数进行单因素实验,将风机射程、流量及全压效率等作为评价指标,获得优化方案并仿真验证。研究表明:通过单因素分析,确定各结构参数的优选数值分别为一级叶轮叶片数为9,11,13,二级叶轮叶片数为8,10,12,导流叶个数为4,5,6;通过单因素实验及优化选定,确定优化方案为一二级叶轮叶片数分别为13,12,导流叶个数为6,优化方案较初始模型在射程提高了5.90%,流量提高了69.64%,全压效率提高到70.88%。

基于CFD-DPM的大规模颗粒-流体系统数值仿真与分析

大规模复杂颗粒-流体系统主要运行参数与多物理场形态的关联机制不清晰,试验研究方法难以对这些运行参数和质量特性之间的耦合关系进行精准描述。为了探究大型立磨运行过程中多物理场耦合工作机理,通过构建粗粒非解析CFD-DPM耦合模型进行数值模拟,分析主要运行参数对立磨流场、颗粒分级、粒度分布以及成品质量的影响,模拟结果与实际工况运行结果吻合度较好,验证了所建数值计算模型能够有效地模拟出大规模颗粒-流体系统的动态选粉过程。结果表明,系统风量与选粉机转速直接影响着立磨离心分级的切割粒径与成品细度,当其它参数不变,随着系统风量增大切割粒径值变大、成品比表面积越小;当只改变选粉装置转速,切割粒径随着转速增大而减小、成品比表面积越大。

杂交水稻花粉收集装置气力输送系统仿真优化

为解决杂交水稻父、母本分田种植下父本花粉机械化高效收集的问题,对杂交水稻花粉收集装置的关键部件气力输送系统进行了仿真优化研究。首先对系统建立了流体力学模型,进一步利用CFD-DPM(computational fluid dynamics-discrete phase model)结合响应面法以进粉管内径、吸粉口长度、吸粉口宽度为因素,系统内气流均匀性及全压差为指标,优化系统结构参数并加以验证。结果表明,进粉管内径、吸粉口长度、吸粉口宽度及内径和长度的交互作用、长度与宽度的交互作用对气力输送系统内气流均匀性及全压差影响显著;两指标均随内径的增加而增加,吸粉均匀性随长度和宽度的增加先增加后减小,全压差随长度和宽度的增加而增加。气力输送系统较优的参数组合为内径200.00 mm、长度564.40 mm、宽度192.48 mm,对优化后结构进行仿真,得到气流速度变异速度和全压差分别为16.03%、238.37 Pa,与预测结果的相对误差分别为4.91%、3.39%,较初始结构下两指标分别减少了56.29%、31.57%,说明优化效果明显。研究结果提供了杂交水稻花粉收集装置气力输送系统快速优化设计的方法,可为装置气力输送系统的优化设计提供参考。

具有仿生内表面结构的弯管抗冲蚀特性数值分析

目的 管道冲蚀是气固两相流动中不可忽视的重要问题,直接影响管路系统的安全运行及管道的使用寿命。针对这一问题,从仿生学角度,参照沙漠红柳、沙漠蝎子等的体表形态,设计三角形槽、矩形槽、等腰梯形槽3种抗冲蚀特性的弯管仿生表面结构。方法 运用CFD-DPM方法,采用Finnie冲蚀模型,考虑颗粒与流体的双向耦合作用,对所设计的具有仿生表面结构的弯管抗冲蚀特性进行模拟,并考虑不同流速、颗粒质量流量对冲蚀的影响。在数值模拟基础上,采用正交试验法分析三角形槽仿生结构的3个主要参数对抗冲蚀特性的影响。结果 数值模拟结果表明,具有仿生表面结构的弯管冲蚀主要出现在弯头35°~60°区域槽的底部。3种槽表面仿生结构均可提高弯管的耐磨性,三角形槽的抗冲蚀特性最佳,提高了约38.33%,矩形槽次之,提高了约28%,等腰梯形槽最差,仅提高了约8.33%,且3种仿生表面结构的抗冲蚀性能优劣次序不随流速和颗粒质量流量的变化而变化;正交试验结果表明,在三角形槽中影响冲蚀的因素依次为槽间距、槽宽、槽深,最佳组合结构的抗冲蚀性能相较于普通弯管提升了约41.5%。结论 槽形仿生表面结构减小了颗粒与壁面的碰撞,降低了碰撞速度,从而减小了冲蚀。抗冲蚀性能最优的表面仿生结构为三角形槽,矩形槽次之,等腰梯形槽最差。在三角形槽中影响冲蚀的因素依次为槽间距、槽宽、槽深。该研究可对弯管的抗冲蚀特性设计提供新的思路。

水沙环境对海流能机组水动性能的影响

为了探究水沙环境下海流能机组的水动特性,首先采用CFD-DPM模型仿真沙粒对120 kW海流能叶片翼型升阻力系数的影响,再基于叶素动量理论(BEM,blade element momentum)计算水沙环境下120 kW海流能机组的捕获功率,最后从叶片设计的角度出发,提出了为能充分利用沙粒对海流能机组功率的促进作用以及尽量减小沙粒对海流能机组功率的削弱的方法。研究结果表明:当颗粒直径为20μm时,随着沙粒质量浓度的增加,沙粒能够促使海流能机组功率提升,当颗粒直径为2 500μm时,海流能机组功率因沙粒的存在而被削弱;随着翼型攻角增大,翼型升力系数增大,颗粒对翼型升阻力系数的影响程度增强,升阻力系数的变化量增加;小升力系数的翼型可以充分利用小直径颗粒对机组的功率提升,也可以降低大直径颗粒造成的机组功率削弱。

渣浆泵水力性能试验对比与磨损计算研究

借助CFD软件,采用标准k-ε模型对N-S方程进行封闭运算,求解泵输送清水时水力性能,并进行测试试验分析;采用DPM模型求解并分析输送不同砂粒直径的含砂水时,砂粒对渣浆泵流道内各过流件的磨损程度及位置。试验及计算分析表明:针对渣浆泵内部复杂三维流动及水力性能进行预测的数值模拟分析可靠;输送小粒径砂粒时,砂粒对前盖板磨损程度较后盖板轻,随砂粒增大,后盖板磨损加剧;流量相同时,砂粒越小,叶片背面越易磨损,随砂粒增大,背面磨损削弱,工作面磨损加剧;输送小粒径砂粒时,蜗壳内流道磨损呈散点分布,流量增大,蜗壳磨损加剧;随砂粒直径增大,砂粒磨损蜗壳主要呈散点状、带状及片状形式,蜗壳靠近前盖板一侧较后盖板磨损程度低。

基于CFD的钠基干法脱硫反应器的研究优化

本文采用CFD技术并结合DPM模型计算了钠基干法脱硫反应器(SDS)运行时小苏打颗粒的扩散状态。通过在不同场景下拾取反应器中4个截面的颗粒分布形态判断其均匀程度,研究出扰流板的合理布置方式,以确保反应器的脱硫效率。研究结果显示,在反应器前端布置3级扰流板对颗粒流进行扰流,可使其在反应器内尽早地均匀扩散。该场景下小苏打颗粒从开始喷射至反应器出口,停留时间约2.5 s,烟气与小苏打粉末在反应器内均匀混合且有足够的反应时间,有效的保证了该反应器的脱硫效率。

调流剂颗粒在裂缝中的输送实验与数值模拟

通过实验和数值模拟方法,研究了低密度调流剂颗粒在碳酸盐岩缝洞型油藏裂缝中的运移沉降规律。在平板裂缝模型中开展不同携带液黏度和密度的调流剂颗粒输送实验,利用高清摄像机观测颗粒在裂缝进口和远端流场中的流动特征,以及砂堤的堆积位置和高度。为了能够量化颗粒输送过程中的运动参数,建立了基于CFD-DPM的颗粒输送模型,并进行流体和颗粒相的双向耦合模拟,量化了在注入速度、携带液密度和黏度、颗粒直径等因素作用下调流剂颗粒的速度和沉降距离,进而得到了各因素与颗粒流的沉降剖面和颗粒沉降百分比之间的关系。

基于Fluent对某型号除尘设备进行除尘仿真的二次开发

锂电池极片分割机一般需要配备相应的除尘装置来清除分切过程中产生的粉尘颗粒,以确保极片生产过程中的洁净度以及电池质量。目前,市场上常见的除尘装置有毛刷除尘装置及负压除尘装置。在设备设计阶段,可以通过耦合计算流体动力学和离散粒子法对设备性能进行预测,从而降低试错成本。Fluent现有的颗粒壁面条件模型忽略了壁面对颗粒吸附的影响,导致小粒径颗粒在除尘设备中的除尘率一直过于理想(除尘率接近99.9%),与实际生产过程中极片表面会附着细小粉尘的现象不符。因此,该文运用用户自定义接口对Fluent中的颗粒的壁面边界条件进行重新定义,使壁面对颗粒产生吸附作用。在加入壁面吸附条件后,设备对小于10μm颗粒的除尘率降至68.5%左右,使得仿真结果更具有可靠性,与实际生产过程中观察的现象相符。

S32205不锈钢弯管在气固两相流下的冲蚀模拟研究

页岩气开发时,其高压气流携带颗粒对传输管线弯头的冲蚀给页岩气的安全集输带来严重威胁。为了页岩气管道安全,使用CFD-DPM模型,选取砂配比、流速及压力等因素进行正交实验,研究了S32205双相不锈钢材质的90°弯管在气固两相流环境中的冲蚀情况,分析了弯头部分的流场变化。结果表明:S32205不锈钢的最大冲蚀率为5.30×10^(-3) mm/a,最小冲蚀率为3.87×10^(-4) mm/a;在多项参数中,流速对弯管的冲蚀影响较大,砂配比次之,压力对弯管的冲蚀影响最小;流场分析结果可知,气流在弯头外侧压力较高、流速较低,在弯头内侧流速较高、压力较低。

高含硫天然气净化旋流管结构优化设计

本文提出了无量纲参数Y作为优化目标参数,该参数综合考虑了分离效率及压降的影响,可以有效帮助获得在压降允许范围内最高分离效率的型号及结构参数。