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.

气动翼型涡流发生器与风力机翼型同步优化设计

针对目前风力机叶片翼型与涡流发生器相互独立的串行设计方法,导致不能最大限度的设计出气动性能最佳的风力机新叶片加装新型涡流发生器。这里提出带气动翼型的涡流发生器与风力机叶片翼型同步设计方法,利用B样条函数分别表达叶片翼型与涡流发生器气动形状,以最大升阻比及失速前最大升力系数为多目标函数建立优化数学模型,结合CFD技术与粒子群算法对原始叶片翼型DU97-W-300与CLARKY翼型涡流发生器进行同步优化,优化结果表明:相比原始叶片翼段加装CLARKY翼型涡流发生器,优化后的升力系数为2.378,提高了9.3%,升阻比为63.335,提高了7.5%;且对优化前后的流线图及涡量云图进行了对比分析,说明优化后叶片加装涡流发生器翼型可产生更大的诱导涡,能够有效抑制叶片表面流体分离。这里研究对于叶片与涡流发生器的设计及应用具有很好的参考与借鉴意义。

真空预载型多孔质空气静压轴承的静动态特性分析

为进一步提高轴承刚度,将真空预加载技术与多孔质空气静压轴承相结合,使轴承在没有额外预加载导轨的情况下获得双向刚度。探讨工作条件和结构参数对真空预载型多孔质空气静压轴承性能的影响,基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对其静动态特性进行了数值分析。深入研究了供气压力、真空度、渗透率、真空抽气口直径、扰动幅度和扰动频率等因素对轴承性能的影响。结果表明,相比于一般多孔质空气静压轴承,真空预载型多孔质空气静压轴承的刚度提高了22.34%;工作条件和结构参数对其静态和动态特性有显著影响。该研究结果对高刚度空气静压轴承的性能研究和优化设计具有一定的指导意义。

不同果径苹果差压预冷性能模拟与分析

目的:分析相同包装箱下不同果径苹果对差压预冷的影响。方法:基于球形类比模型和传热理论,使用CFD非稳态SST k-ω湍流模型,对不同送风风速、温度、包装箱开孔大小、果径苹果的差压预冷情况进行数值模拟,选取3种不同工况条件进行准确性验证。结果:送风温度越低、风速越快、苹果果径越小,冷却速度越快;送风温度越高、风速越快、开孔越大预冷均匀性越好。综合正交试验结果对比来看,果径大小对差压预冷的影响显著。结论:苹果果径对预冷的冷却速率和均匀度影响程度最大,需要针对不同果径苹果采取合理的包装方式和码放方式。

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。

热位差对隧道掌子面热空气蔓延特性影响研究

为解决深埋高铁隧道内热空气对作业人员造成的热害问题,根据能量守恒定律推导热空气在隧道内蔓延时其前锋温度随距离变化的理论模型,运用CFD软件模拟某深埋高铁隧道不同工况下沿程空气温度变化情况。研究结果表明:不通风时,热空气蔓延前锋的温度变化呈现2个明显阶段,即T>297 K时的下降极快阶段和T<297 K时的逐渐平稳阶段;及时通风能够快速降低隧道温度,推荐大小里程侧风管出口距掌子面均为45 m,通风风速分别取20,15 m/s。研究结果可为进一步优化高铁隧道通风降温方式提供参考。

透雕滤棒成型喷嘴装置仿真分析及改进设计

为解决传统拉丝成型滤棒截面成型受限问题,对透雕滤棒成型喷嘴装置进行仿真分析及改进设计研究。基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真软件,对3类典型的透雕滤棒成型喷嘴结构的蒸汽流速和温度进行模拟分析,得到透雕滤棒喷嘴成型过程的流体力学变化规律,试验结果表明:倾斜环状分布式喷嘴的综合性能最佳,改进透雕滤棒成型喷嘴装置的结构设计,使其成型效率得到有效提高,为工业成型装备领域的分析与改进提供参考。

采用T型喷口的喷水推进船模阻力数值模拟

T型喷口是一种附加在喷水推进装置后方,改变水流纵向喷射方向为横向的模型试验装置。该装置只在船体内部流道上产生力的作用,既可反映常规喷口推进船模自航状态下,推进装置的抽吸作用对船尾边界层的影响,又对船身浮态影响很小,仅通过船模阻力试验和获流区PIV测试试验,结合动量通量法换算,可将常规推进船模自航试验中,推进系统对船体阻力的影响分离出来。通过CFD手段,采用流量边界条件法,对某带有T型喷口推进装置的船模阻力性能进行数值模拟,并与模型试验结果进行比较分析。最后,对T型喷口装置的工作原理进行说明。

某核设施主控室流场优化数值模拟研究

对3种不同进、排风方式的主控室内的气体动力学工况进行了三维数值模拟,模型采用标准K-ε双方程模型。模拟得到了主控室内不同高度截面的速度矢量、温度分布,以及整个空间流体流线走向等结果。通过比对国家标准GB 50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》、EJ/T 938—95《核燃料后处理厂通风与空气净化设计规定》,综合速度、温度、湿度等影响因子最终认定送风口南北墙布置、回风口东西墙(各2个)对称布置、中心间距5.5 m时,气体分布均匀性最佳,气流速度0~0.3 m/s,满足控制室室内温度20~26℃、相对湿度30%~60%的要求,CFD用于某核设施主控室气流环境优化具有明显的指导意义。

大气总温传感器数值计算耦合分析技术

借助自研软件开发及现有的商业软件建立阻滞室大气总温传感器模型,用UG软件构建几何模型,以商用Fluent软件模拟传感器的三维CFD数值,采用共形网格划分实现大气总温传感器的流体与固体界面网格匹配。采用Realizable k-ε湍流模型以及数值仿真批处理脚本的方法,对大气总温传感器流、固耦合仿真进行计算,提高了仿真计算效率。利用该方法对常温常压风洞对大气总温传感器的校准进行仿真分析,得出常温常压条件下马赫数大于1时,恢复修正系数基本不随马赫数变化。在常温、马赫数为0.6条件下,在静压条件±0.1atm时或总温条件为-25~45℃时,恢复修正系数变化幅度很小,数值仿真结果具有一定的准确性。

风扇与辐射空调耦合系统的热舒适分析

针对顶板辐射供冷系统存在的噪声问题,提出了一种采用辐射供冷与吸音板耦合系统,同时,通过在辐射顶板和吸音板之间增加风扇(向下吹),来抵消由于吸音板导致的辐射热交换的减少。重点研究了顶板辐射供冷与风扇耦合系统的室内气流分布、热舒适以及传热系数变化,其影响因素包括:吸音板覆盖率、风扇转速、房间高度。结果表明:风扇的加入增强了顶板的对流换热和总换热;随着风扇转速的增加和吸音板覆盖率的降低,室内空气温度降低;与无风扇的顶板辐射系统相比,风扇在高转速工况下的PMV值降低了0.37~0.40,总传热系数增长了28.4%~45.4%,在吸音板覆盖率为16%时,总传热系数的增长率达到峰值;可以通过增加风扇从而强化室内空气流动的方式来补偿较高室温带来的不适感。研究结果为顶板辐射系统的实施提供了有前景和实用的设计方案。

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。

基于流固耦合算法的不同材料网板水动力试验

拖网网板的水动力模型试验结果会因加工工艺、加工方式、加工材料和试验条件等多种因素出现不同程度的试验偏差。为探究网板模型不同加工材料对水动力试验的影响机理,选取双开缝矩形曲面网板为研究对象,基于流固耦合算法结合动水槽模型试验,分析丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)3种3D打印材料网板模型与传统钢质网板模型的结构响应差异及其对水动力试验的影响规律。结果显示:采用传统金属材料(钢)与非金属材料(ABS)加工的网板模型在结构响应及水动力性能方面均具有显著差异,且随冲角和流速的增加,网板模型的最大变形量增加,进而导致升/阻力系数差异也进一步增加;PVC材料因其弹性模量较大、刚性较强,结构响应与金属材料较为接近,因而对水动力试验结果影响较小。基于上述结果,开展网板水动力模型试验时,可选用PVC作为3D打印材料,但需确保模型制作精度,避免模型材料对水动力试验结果精度的影响。

涡轮自增压轴向柱塞泵全流域流场特性分析

为了探究离心涡轮自增压装置对高速轴向柱塞泵内液流流动特性的影响,建立了轴向柱塞泵的仿真模型,通过CFD仿真技术研究了离心涡轮与柱塞泵耦合运行时泵内部全流域流场的压力特性、速度特性以及空化特性。研究表明:装配有离心涡轮的轴向柱塞泵吸油能力显著提升,且对射流空化、吸空空化均有抑制作用,其中对吸空空化的抑制效果最显著。应用涡轮增压系统后,单个柱塞腔旋转一周过程中的时均气相体积从59.54 mm^(3)降至1.66 mm^(3),最大气相体积分数由0.155降至0.029,阻尼槽区域的射流速度由100 m/s降至75 m/s,而涡轮所消耗功率仅占柱塞泵轴功率的9.7%。

多翼离心风机蜗壳气动性能与出风均匀性优化设计

以某型号风暖浴霸吹风系统的多翼离心风机为研究对象,利用ANSYS Fluent 2020 R2对原型风机的出口风量与均匀度进行仿真分析,结果显示仿真与实测误差在5%以内,验证了用CFD数值模拟方法来优化浴霸多翼离心风机的可靠性.将蜗壳型线参数化,通过正交试验设计,针对蜗舌放置角α、蜗舌半径R、等角螺线常数A(蜗壳周向面积)与风轮移动距离L(蜗舌与叶轮间隙)4个因素,制定了16组参数组合方案并进行了CFD数值模拟,得到各方案的出口风量与均匀度,并由均值与极差分析确定了最优参数组合.通过数值计算结果可知,优化后的风机在蜗舌附近区域湍流强度减小,内部流动改善.测试结果显示,优化后的风机出口风量提升7.3%,均匀度提升4.5%,全压效率提升5.9%.显著提升了风暖浴霸离心风机的出风性能和出口风速分布均匀性,对提高风暖浴霸取暖效率和增强人体舒适性有重要意义.

基于能量守恒定律对涡轮流量计的脉动误差上限的估算

在管道输运当中,非稳态流会使涡轮流量计的计量结果产生偏差。为了指导脉动流工况下的涡轮流量计选型和修正,需估算脉动工况对涡轮流量计产生的最大脉动误差。忽略流体压力和温度变化影响,基于涡轮流量计的动态特性和能量守恒定律,在一个脉动周期内计算脉动流和定常流对叶轮的做功比值,推导得出正弦脉动流误差上限公式。基于6DOF模型和UDF建立了涡轮流量计CFD仿真模型,搭建了空气流实验平台,以工作级流量标准装置作为标准表,被校表和标准表间采用内置整流器的管段相连。对比定常流下的流量值,计算各脉动工况下的误差限值。综合各脉动工况点,上限公式与CFD仿真所得脉动误差上限的最大差值为0.281%,与空气流实验所得脉动误差上限的最大差值为0.224%。经CFD仿真和空气流实验结果对比验证,脉动误差上限公式较为准确,可以直接用于脉动频率大于10 Hz的工况下误差值的估计和修正。

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。

轮式高速两栖车辆水上航行阻力成分占比分析

对某轮式高速两栖车辆水上航行工况全航速范围的阻力成分占比开展分析,为其水动力构型的优化设计提供方向性指导。采用CFD软件FINETM/Marine开展带自由面的模型阻力数值计算,通过与模型试验结果对比验证了数值计算方法。通过叠模数值计算确定了对应各航速的水粘压阻力,其中针对高速时的“干方尾”现象,提出以动态吃水平面切割尾波谷自由面形成尾部导流体的叠模计算几何模型构建方法。结合带自由面阻力计算得到的空气阻力和其他水阻力成分,分析了不同阻力成分的占比及其随航速变化的规律。结果表明,该轮式两栖车全速度范围内的水阻力在总阻力中的占比都高于90%;排水航行阶段,水粘压阻力占比最高,约为45%~70%;过渡航行阶段,兴波和飞溅阻力占比最高,约为45%~70%;滑行阶段,水摩擦阻力占比随航速增大迅速提高,设计航速时在总阻力中占比约为36%。