IDDES方法模拟风切变下大型水平轴风力机流场特性

为研究风切变条件下大型水平轴风力机流场特性,以NH 1500 kW大型水平轴风力机为研究对象,运用计算流体力学中模拟流场精度较高的IDDES(改进延迟分离涡)方法,分析流场内瞬时速度分量、脉动速度和风力机输出功率。结果表明:风轮平面周围流场速度波动大,轴向速度在风轮旋转边界以外的区域会增大,在旋转边界以内的区域会亏损;脉动风速频谱特性在低频区与风轮转频的整数倍相关,风力机功率呈余弦形式输出并满足湍流谱特性。

双组分层撞击流反应器流场时空演化数值模拟

为了研究双组分层撞击流反应器流场时空演化规律,利用大涡模拟方法进行数值模拟。结合第三代涡识别方法在空间尺度上,对轴向面、周向环面和径向面的速度场、涡量场进行分析;在时间尺度上,揭示速度场、涡量场和涡当地旋转轴的演化规律。结果表明:轴向面和径向面的涡强度呈多峰分布,周向环面涡强度的变化分为增强-稳定-增强3阶段。以XOY面作为研究参考,在两层喷嘴间依据涡发生位置的变化和多尺度涡的碰撞、破碎情况,涡发生期分为6个阶段,涡演化周期分为12个阶段,可据此预测反应器内部流型变化和流场所处阶段。

水泵出口蝶阀流场数值模拟及水力参数计算分析

基于Fluent软件采用RNGκ-ε湍流模型对DN600中心蝶阀进行数值分析,分别模拟不同开度、不同流速下管道内压力、速度变化分布,计算得出水头损失、阻力系数、汽蚀系数等关键水力参数与入口流速、阀门开度之间的关系曲线,分析其分布规律。结果表明,泵站稳定运行时蝶阀开度应大于40°,泵站发生事故停泵时蝶阀快关角度应在55.6%以上,该结果可为泵站水力过渡过程分析提供技术支撑。

开口条件下高速离心机机室流场模拟及试验研究

为研究离心机机室开口条件下机室内流场特性及开口对风阻功率的影响,首先基于CFD(计算流体力学)方法建立了某离心机机室流场分析模型,针对机室开口状态进行了模拟,对比了风口竖直及倾斜对换热的影响;其次在某高速离心机上开展了流场测试试验,获得了机室内压力及风速的空间分布,及随离心机转速的变化规律,并对比了圆盘转子与转臂转子的风阻功率差异。研究表明滑移网格技术可用于计算离心机机室内旋转流场,倾斜通风口更有利于机室通风换热,并降低离心机运行的风阻功率;对旋转部件上凹坑等进行整流可有效降低风阻功率;圆盘转子的压差阻力远小于转臂转子。通过合理设计通风口可提高机室换热效率,研究可为高速离心机机室及温控设计提供参考。

基于物理模型分析与深度神经网 络融合的爆炸流场实时模拟方法

爆炸流场预测研究是爆炸安全性分析重要的组成部分,当前基于物理模型的CFD模拟已成为复杂空间环境下爆炸场景定量分析的首选工具,然而其计算效率较低,无法支持实时应急响应。借助基于机器学习(Machine Learning,ML)算法的代理模型可以有效缩短定量分析周期,但可供算法学习的数据量少是该项技术在化工事故后果分析中应用所面临的主要问题。因此,将物理模型分析与深度神经网络相融合,通过数据集构建、数据降维、数据回归和数据生成4个步骤,最终构建高效的卷积变分自编码器(Variational Autoencoder with Deep Convolutional Layers,VAEDC)与多层前馈神经网络(Multi-layer Forward Neural Network,MFNN)混合模型,用于实时预测区域爆炸压力场。基于特定区域,根据定义的算法输入与输出,利用CFD技术对各种爆炸过程进行模拟以获得大量的数据;基于CFD模拟数据,利用VAEDC将区域压力场的高维特征降维为隐空间变量,利用MFNN拟合爆炸相关参数、流场观测时刻与隐变量的映射关系,并以储罐区为例进行建模分析。结果表明,所建模型预测结果的平均误差为12.8%,单次预测平均耗时0.0142 s,VAEDC与MFNN混合模型可以快速准确地预测特定条件下任意时刻的爆炸压力场。

基于大涡模拟方法的三维旋转爆轰流场结构研究

为研究环形燃烧室中边界层、黏性、湍流模拟方法对旋转爆轰流场结构的影响,采用开源计算流体动力学软件OpenFOAM,以氢气为燃料、空气为氧化剂,基于大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法、RANS方法、Euler方法,分别结合滑移和无滑移边界,对三维旋转爆轰发动机模型进行数值模拟,分析对比不同计算方法下旋转爆轰流场结构。着重讨论以LES方法得到的流场结构。研究结果表明:当采用滑移边界时内、中、外截面的流场温度无太大差异,当采用无滑移边界时内外壁面温度高于中间截面,边界层会影响近壁区域气体的流动速度,导致内外壁面爆轰波高度低于中间截面,还会影响燃烧产物的流动状态轴向截面上爆轰波波头产生变形;不同湍流计算方法得到的旋转爆轰流场结构存在相似性,黏性是影响旋转爆轰流场结构的主要原因。研究结果对于揭示边界层和黏性对旋转爆轰的影响机制具有一定的科学意义。

汽车在环境风洞内流场的数值模拟与实验研究

为研究汽车在环境风洞内的流场特性,建立了环境风洞和整车数值模型,考虑了风洞喷口和收缩段的阻塞效应、边界层抽吸以及实验设施等对汽车流场的干扰效应,对环境风洞内汽车前方、车身和车轮周围、冷却模块以及机舱内的流场进行了数值模拟。对车身表面的静压以及车身周围和车底部的风速等进行测试,通过数值模拟结果与实验结果的对比,表明数值风洞能准确预测汽车在环境风洞内的流场特性。研究结果显示:汽车前端气流的速度分布沿着气流方向发生显著变化,越接近前端冷却模块时风速的均匀性变得越差;汽车底部气流受地面、车底和轮胎旋转等的共同影响呈现规律性的变化,车底风速沿车身纵向先增大后减小。本方法对研究汽车在环境风洞内的热气动性能以及开发数值风洞提供了新的思路和参考。

激光内送粉变姿态熔覆非水平熔池流场的数值模拟

目的提高激光内送粉变姿态熔覆层成形质量,对变姿态熔覆时非水平熔池流场随基板倾斜角的演变规律进行研究。方法首先,利用FLUENT软件中离散相模型对喷嘴流场进行模拟,获取粉末频次的分布规律。其次,采用流体体积法耦合熔化/凝固模型对熔池流场进行计算。通过施加质量源项引入同步送粉,施加能量源项模拟激光热输入,选取姿态角为30°、60°、90°进行计算,对熔池流场及熔覆层界面进行追踪分析。最后,基于激光内送粉熔覆工艺进行实验测定。结果粉斑内粉末量呈“中间均匀,两端密集”的分布规律。熔池流动为“双环流”分布特征,但流动方向受重力影响,产生偏转。取3种姿态角计算时间同为0.3 s时,熔池中心处流体的偏转角分别为2°、4°、6°,并且随着倾斜角的增大,熔覆层高度分别增加了0.28%、0.83%、1.45%,熔覆层宽度减小了1.19%、1.28%、1.73%,熔覆层顶点偏移量增大到48.08、86.54、105.76μm。最后结合实验测定,数值计算与实验结果一致。结论Marangoni应力使得激光内送粉熔覆熔池流体产生由中心向边界流动的“双环流”分布特征,非水平熔池流动方向受重力影响产生偏转。随着基板倾斜角增大,熔覆层截面高度增加、宽度降低、顶点偏移量增加。为提高不便摆平非水平基面的激光内送粉变姿态熔覆再制造成形质量提供了指导。

顺向正弦来流条件下圆柱气动力和绕流流场数值模拟研究

为深入了解顺向阵风来流对圆柱气动力和流场特性的影响,开展了雷诺数(Re)为1000的圆柱绕流三维大涡模拟,研究了不同频率顺向正弦来流对圆柱气动力和流场结构的影响规律,详细分析了升阻力系数、斯特劳哈尔数(St)、回流长度、分离角和尾流结构等参数的变化规律。顺向正弦来流速度为U=U_(0)+Asin(2πft),其中来流频率f的变化范围为0~0.3 Hz,U_(0)为平均速度,A为竖向正弦来流的振幅,设为0.15U_(0)。研究结果表明:圆柱阻力系数卓越频率(即主导频率)与正弦来流频率基本一致,升力系数存在3个明显的频率峰值,分别对应涡脱频率与来流频率之差、涡脱频率、涡脱频率与来流频率之和。随着正弦来流频率f增大,St先减小后增大,在f=0.25 Hz时达到最小值,而回流长度先增大后减小,且在f=0.15 Hz时达到最大值。当f≤St时,分离角不变,而顺流向最小速度逐渐增大;当f>St时,分离角逐渐增大.

热泵干燥室的流场模拟及结构优化

为解决陈皮在热泵干燥过程中干燥不均匀、效率低等问题,运用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)对陈皮热泵干燥室的内部气流分布进行模拟仿真,并对导风板的排布方式进行优化模拟仿真分析。研究结果表明:有导风板时,干燥室的内部气流分布较均匀;当倾斜角度为30°、侧边间距为80mm、垂直间距为260mm时,能够有效提高陈皮热泵干燥室的气流分布均匀性和干燥效率。

新型双层笼套式节流阀流场数值模拟分析

笼套式节流阀是高压气井开采常用的关键装置之一。高压气体通过节流阀进行调压和调产,在低温高压的环境下,由于焦耳-汤姆逊效应的影响,流体流经节流孔处时温度较低,极易产生天然气水合物,影响天然气生产的正常运行。因此,节流阀的性能将直接影响生产的质量、成本和安全。传统的笼套式节流阀降压效果较差、节流效率较低、使用寿命较短。基于此,以新型双层笼套式节流阀为基本模型,采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟方法对节流阀中天然气节流特性进行研究,并与传统笼套式节流阀的节流性能进行对比,在本文设置工况下,相比于传统笼套式节流阀,新型笼套式节流阀在节流孔局部的最低压力降低9.5%,最低温度提高7.8%,最大速度降低12.0%,更不易形成低温高压的水合物生成环境,且流体对结构的冲蚀作用更小,其总体性能优于传统式结构;同时研究得出了流体流动参数和节流孔结构参数的改变对新型笼套式节流阀节流性能的影响规律,对实际生产应用具有一定的指导作用。

径向进气式涡流空气分级机的流场特性与颗粒分级性能数值模拟

设计了一种径向进气式涡流空气分级机,采用Fluent软件对分级机内流场进行了数值模拟,探讨了转笼转速、进气速度和进气位置对流场的影响。结果表明:气流在分级腔体内并不是垂直上升,而是以一定倾斜角度在腔体内形成环形气流,环形气流方向与转笼转向相同;分级腔内气流为两个方向的双流层,主气流方向与转笼转向保持一致;随着转笼转速的增加,气流主体的方向不变,腔体左侧的对冲气流消失,腔体内形成的环形气流增强,但转笼下侧的二次涡流增大;不同进气速度对分级腔及转笼不同区域的切向速度具有不同的影响;进气位置的不同,分级腔内气流的流动相差较大,进气口位于转笼轴线同侧时的气流较进气口位于转笼轴线两侧时的气流更容易受到转笼的影响,进气位置对转笼周围流场分布的影响较小。采用响应面法对空气分级机的操作参数进行了优化,各参数对分割粒径影响的大小顺序为:转笼转速>进料速度>进气速度,优化的参数为转笼转速4483 r/min、进气速度15.6 m/s、进料速度9.71 kg/h,在该条件下分割粒径的预测值为40.5μm。

基于复杂流场的烟气流量测量技术数值模拟研究

烟气流量是影响碳监测精度的关键因素之一,而分布不均、随机组负荷变化而改变的复杂流场环境是阻碍烟气流量精准计量的主要因素。以某电厂660 MW机组烟囱入口烟道为研究对象,基于烟气流场数值模拟结果对比分析了4种不同测量原理的流量计测量精度随点位数量、工艺布置形式等因素的影响变化规律。结果表明:与矩阵流量计相比,多点皮托管流量计对复杂流场环境的适应性更好;在测点数量同为28的情况下,矩阵流量计偏差是多点皮托管流量计的1.54倍;光闪烁流量计测量精度受安装位置标高影响较大,最大偏差是最小偏差的23.3倍,表明光闪烁流量计对复杂流场环境的适应性较差;超声波流量计可倾斜安装和多声道安装,工艺布置形式灵活多变,对复杂流场的适应性显著提高,双声道布置时可将偏差控制在±1.5%以内。研究成果为流量计设备选型及工艺设计提供了重要的理论依据和数据支撑,具有重要的理论研究及工程应用价值。

立方对角面开孔人工鱼礁流场效应的数值模拟

人工鱼礁是建设现代化海洋牧场的基础设施,为了研究在不同海域流速下,迎流角度对人工鱼礁的影响,实验基于Ansys-Fluent平台,采用RNG k-ε的湍流模型,进行数值水槽模拟,对结构边长为3 m的立方对角面开孔鱼礁在3种来流速度(0.5、1.0和1.5 m/s)、4种迎流角度(0°、15°、30°和45°)下的上升流体积、背涡流体积、阻力、倾覆力矩等水动力特性进行比较分析。结果显示,人工鱼礁内部和周围存在具有显著特征的上升流区域和背涡流区域;流场规模的大小基本不受来流速度的影响;流速是影响立方对角面开孔人工稳定性的主要因素,流速越大,作用在礁体上的阻力和倾覆力矩相应变大,礁体的稳定性越差;迎流角度是影响人工鱼礁流场效应的主要因素,鱼礁的流场效应规模在迎流角度为30°~45°时达到最优,礁体为45°迎流时上升流体积和背涡流体积都达到最大值。利用权重赋值法,引入人工鱼礁建设效果综合评价模型,通过综合评价分析,在不考虑海底底质淤积、风浪等条件下,投放人工鱼礁时宜选取最大流速不超过1 m/s的海域,且迎流角在30°至45°范围内,鱼礁的建设效果最佳。

某专业南极磷虾船货舱流场的数值模拟及挡风板布置与姿态的优化设计

为设计合理的专业南极磷虾船货舱冷空气流场,利用Fluent仿真软件对某新建专业南极磷虾船货舱处于空舱状态下的流场、温度场进行模拟计算,根据计算结果优化通风地板下方低速区挡风板的姿态和设计参数,并在送风死角处增设引流板;对优化后货舱处于空舱状态下舱内各关键剖面的速度、压力、温度场进行模拟计算,比较优化后的货舱温度场的仿真数据与实验数据,吻合较好;对货舱在满舱状态下的流场进行数值模拟和分析,模拟最不利工况下冻虾货包的冷却过程,发现货包能达到-35℃,表明该优化方案有助于解决专业南极磷虾船货舱流场分布合理性问题。

脱硫废水旋转雾化蒸发塔的流场特性模拟研究

为分析脱硫废水旋转雾化蒸发塔内部的流场特性,基于CFD仿真软件建立了数值模型,并通过热态实验验证了数值模型的可靠性。在此基础上,以某600 MW燃煤机组旋转雾化蒸发塔为研究对象,模拟研究了塔径、塔高、导向锥等结构对塔内流场的影响。结果表明,随着轴向距离的增大,雾滴的蒸发速率会逐渐降低,径向上的分布范围会逐渐变广,最大粒径和中值粒径会逐步减小;塔体直筒中下部碰壁概率大于上部,且靠近灰斗的区域增幅明显,是相对易结垢区域;设计范围内,塔径和塔高对雾滴的蒸发过程影响较小,适当降低塔径和塔高可以降低产物碰壁概率;无导向锥时,导流装置易出现结垢,导向锥体的存在对烟气起到聚拢作用,但过高的导向锥会增加较大的阻力。

造纸用三叶凸轮转子泵的内部流场数值模拟研究

三叶凸轮转子泵内部流场的特性对其性能和可靠性具有重要影响,因此进行内部流场分析是十分有必要的。为此,进行造纸用三叶凸轮转子泵的内部流场数值模拟研究,建立三叶凸轮转子泵的三维实体模型并对其划分网格,设置边界条件和流体属性;在此基础上,建立四个流体运动控制方程,利用CFX软件中压力求解器对流体运动控制方程进行求解。结果表明:在0.20 s、0.22 s、0.24 s时,上转子基元内的流场压力逐渐增大,下转子基元逐渐向转子泵的出口方向移动;在0.26 s到0.28 s时,下转子基元逐渐与出口连通,泵内流场压力重新趋于稳定。在0.20 s、0.22 s时,由于转子基元还未完全与出口段相连通,因此高速区域中心位于靠出口段下方,之后随着转子的转动,在0.24 s、0.26 s、0.28 s时,转子基元与出口段连通,内部流体流量开始逐渐减少,高速区域中心也开始向上方移动。

基于LOD四叉树算法的中尺度云团三维流场可视化模拟分析

中尺度环流在复杂的天气环境下时常被大尺度环流掩盖,不能及时获取中尺度云团的时空密度,影响了中尺度云团三维流场可视化模拟效果,为了提升可视化模拟性能,提出基于四叉树算法(levels of detail,LOD)的中尺度云团三维流场可视化模拟分析方法。分析了中尺度云团三维相对流场,从中获取了中尺度云团三维流场运动规律,并基于二维直方图取得中尺度云团三维流场特征;将粒子源与四叉树结构相结合,构成四叉树粒子系统,把取得的特征映射到系统内,利用该系统中的粒子完成中尺度云团三维流场的渲染绘制,从而实现中尺度云团三维流场的可视化模拟。实验结果表明,绘制帧率对比测试、可视化模拟速率对比测试和可视化模拟效果对比测试结果清晰度较高,可视化程度较高,实用性强、可靠性高。

八机八流中间包流场温度场模拟研究及优化

以八机八流中间包为研究对象,利用Fluent软件对不同内部结构的中间包流场、温度场进行数值模拟。结果表明原型中间包存在钢液出口速度不稳定,温度差值大等问题。通过在中间包内部设置挡坝、挡墙+导流孔等措施可以使中间包生产状态得到改善,钢液运动轨迹线有序合理,各流出口钢液速度曲线平缓。同时,钢液温差降低,温度场较为均匀。最佳方案下中间包第1流出口与第4流出口温差降低至2.48 K,与流入口温差降低至7.1 K,达到了提升后续生产质量与生产效率的优化效果,为八机八流中间包内部结构的优化研究提供理论指导。

截止阀在不同工况下内部流场仿真模拟分析与研究

截止阀是一种常见的阀门类型,具有结构相对简单、密封性能好、调节性能优良、可靠性高、使用寿命长等优势,但由于截止阀的阀体内流道比较曲折,流体在流动过程中会产生较大的阻力,导致能量损失。本文对DN80截止阀进行仿真模拟分析,通过Ansys软件,探索截止阀在半开启、完全开启等不同工况下,截止阀内部流体的运动分布和压力状态,进行仿真模拟流场研究。研究发现随着流速增大,阀门内部流场的紊动程度明显增加,且由于流速和流向的改变,容易产生漩涡和二次回流现象。当阀门逐渐关闭时,流道截面积减小,流体通过阀门时的流速随之增大,使得阀门两端产生压差,即阀门下游的压力会降低,而上游压力则会相应上升。反之,当阀门开度增大时,流道截面积增加,流体流速减小,阀门的阻尼效果减弱,阀门的压差就会减小。