Excel as an Educational Platform for Design Analyses of Fluid-Thermal Systems

Equipped with its Solver and-in and VBA, Microsoft Excel makes an ideal educational platform for design analyses of fluid-thermal systems. This paper illustrates this capability by considering a common type of these systems;which is the double-pipe heat exchanger. While Solver is used for the optimisation analysis, VBA is used for the development of a user-defined function (UDF) that determines the optimum standard-pipe size for the system.

Integrated Fluid-Thermal-Structural Numerical Analysis for the Quenching of Metallic Components

The quenching of a metal component with a channel section in a water tank is numerically simulated.Computational fluid dynamics (CFD) is used to model the multiphase flow and the heat transfer in film boiling,nucleate boiling and convective cooling processes to calculate the difference in heat transfer rate around the component and then combining with the thermal simulation and structure analysis of the component to study the effect of heat transfer rate on the distortion of the U-channel component.A model is also established to calculate the residual stress produced by quenching.The coupling fluid-thermal-structural simulation provides an insight into the deformation of the component and can be used to perform parameter analysis to reduce the distortion of the component.

CAP1400核主泵叶轮动应力计算及疲劳寿命预测

为实现核主泵叶轮疲劳寿命预测,考虑叶轮高温高压的恶劣运行工况建立流-热-固耦合计算模型,应用ANSYS CFX软件对核主泵叶轮内部流动的压力载荷和温度载荷进行非定常数值计算,在ANSYS Workbench中实现载荷向结构的传递,并对叶轮动力响应疲劳载荷开展研究.利用雨流计数法对叶片危险部位的载荷数据进行统计分析,进一步结合Palmgren-Miner理论对核主泵叶轮的最小疲劳寿命周期进行预测.研究结果表明:叶轮在旋转过程中承受周期性交变应力的作用;叶轮叶片进、出口边与前、后盖板交接处容易发生内部应力集中,最大应力出现在叶片出口边与前盖板交接处,为142.57 MPa;叶片各危险部位承受应力波峰和波谷的时间基本一致;叶轮产生的疲劳为应力疲劳,疲劳破坏首先发生在叶片进口边与后盖板交接处;计算得到叶轮的疲劳寿命为277.94 a.研究结果可为叶轮的动态强度优化和疲劳设计提供一定参考.

海上稠油油田多元热流体吞吐增产机理研究与实践

多元热流体为蒸汽、氮气、二氧化碳的高温高压混合气体,具有降低稠油黏度、提高地层压力、改善油藏剖面、提高稠油油藏开发效果等作用。多元热流体吞吐技术在海上稠油高效开发中应用广泛,随吞吐轮次增加,对多元热流体吞吐机理缺乏认知,开采效果降低。为有效提升稠油油田的开采效果,采用油藏模拟分析和多元热流体吞吐及驱替室内试验方法,探究了不同多元热流体组分对增产的贡献,进一步明晰多元热流体吞吐增产机理,为多元热流体热采方案优化设计和吞吐后开发调整提供理论指导和有效措施。试验结果表明:海上油田通过多元热流体热采示范应用,油田日产油由热采前218m^(3)·d^(-1)升至最高641m^(3)·d^(-1),增幅195%,热采效果明显。

基于EDEM-Fluent的玉米储藏立筒仓环流通风与纵向通风仿真分析

为解决立筒仓中纵向通风方式储粮效果不佳,在储粮机械通风过程中存在通风不均匀等问题,该研究结合纵向通风与横向通风的优点建立了环流通风仓模型,应用EDEM-Fluent流固热耦合方法,对相同工况下,储粮仓两种风道结构在机械通风时的速度场、温度场进行仿真对比分析。结果表明:环流通风速度均匀性指数为0.92,纵向通风速度均匀性指数为0.88,相同工况下环流通风气流在粮仓内分布更均匀。在温度场仿真分析中,纵向通风初期入风口附近区域粮堆温度呈梯度下降,明显低于初始温度,上层粮堆由纵向通风引起的热量传递不明显,受仓顶环境温度影响,粮面温度较粮堆内部低;环流通风初期,上层粮堆在环流通风影响下已经开始进行热量交换,产生温度梯度,通风结束后,纵向通风在粮层高度H=0.5 m处,温度维持26.85℃,H=0.8 m处温度降到27.85℃,整体平均温度降至24.77℃,环流通风仓在这两处温度分别为24.85和25.85℃,整体平均温度降至23.43℃,环流通风整体降温效果优于纵向通风;在颗粒温度场仿真分析中,相较于纵向通风,环流通风仓上下部颗粒温度相差较小,整体降温均匀。在不同通风形式下的粮仓各层温度变化规律分析中,不同高度的粮层,环流通风的粮堆温度均低于纵向通风,环流通风的粮堆温度下降更快,降温效果更好。整体结果表明,加装环流风道后立筒仓内粮堆降温效果明显优于纵向通风结构,研究结果为立筒仓风道优化,解决储粮通风不均问题提供重要依据。

旅大特稠油储层新型完井液体系的构建与评价

旅大A油田是一个埋藏浅、油质稠、储量大的典型重质特超稠油油藏,热采开发是其有效的开发方式。稠油油藏在储层物性、流体性质及开采工艺方面与常规油藏存在较大差异,现有常规水基完井液体系无法满足需求。针对该油田稠油热采工艺,充分考虑稠油油藏储层特性、稠油预防乳化增稠和降黏促排的新需求,开展新型完井液体系的构建。通过抑制性、降黏助排性、配伍性及热采高温环境下储层保护效果的评价,建立起适用于稠油的新型有机胺完井液体系。该体系在提升稠油热采井开发储层保护效果的同时,降低完井液综合成本,为渤海油田稠油开发提质增效提供有力保障。

甘蔗收获机多路阀阀芯的温升及热变形仿真分析

多路阀是甘蔗收获机械液压系统的核心元件,用于控制多个工作装置的协同作业。针对其阀口压差变化大,节流温升明显,易造成阀芯变形卡滞的问题,对多路阀阀芯进行了流固热耦合仿真研究。利用Design Model软件抽取对应流道,并建立不同开度的多路阀流场仿真模型,导入ANSYS Workbench平台进行不同工况下的流固热耦合仿真,分析对比了双U形和三角形节流槽在不同开度、不同进出口压差工况下,多路阀内部流场的流体速度、阀芯温度及变形的情况。结果表明:双U形、三角形节流槽阀芯最高温度始终在节流槽处;随着阀进出口压差增加,油液的最大流速以及两种节流槽型阀芯的最高温度和最大形变量增大,但三角节流槽型阀芯变形相对较小;随着阀口开度的增加,三角节流槽型阀芯温度及最大形变量均小于双U形节流槽阀芯;三角节流槽型阀芯的最大形变量较双U节流槽型阀芯小25.1%。为农业机械多路阀阀芯节流槽设计提供了理论依据。

微通道内单一/混合流体强化传热研究进展

介绍了近年来微通道换热器内冷却介质强化换热的研究进展。阐述了纳米流体、液态金属以及潜热型功能热流体强化传热的机理;探讨了影响纳米流体传热性能的因素,包括纳米颗粒的种类、体积分数和温度等;讨论了增大液态金属传热系数的方法;分析了微胶囊壁材、相变材料和微胶囊的质量分数等对潜热型功能热流体热容的影响。指出了3种冷却介质目前尚存在的缺陷及相应的改善措施,对高热流密度设备散热问题中冷却介质的选取具有一定的指导意义。

稠油开采中多元热复合流体相态的研究进展

稠油的储量远超常规石油的储量,但因稠油黏度大和密度大的特点而难以开采,高效经济开发稠油已成为石油领域的研究重点。热复合开采技术是目前高效开发稠油油藏的关键技术,其中多元热复合流体的相态特征是稠油油藏开采流程设计与评价的关键。为此,从热复合开采技术中的混合气体系和稠油-气体系2个方面,系统地阐述了多元热复合流体相态的实验和理论研究现状。对于混合气体系相态,多采用静态法进行实验测试,使用状态方程结合混合规则进行理论预测,CO_(2),N_(2),H_(2)O和CH_(4)等常见气体分子组成的二元体系的相态测试趋于成熟,但缺少多元体系的测试数据与预测模型;对于稠油-气体系相态,总结了一般性实验流程与近年实验结果,提出一种加速油气相平衡的新型实验装置构想,指出目前理论预测在气体种类、注气量、气体扩散模型、二元相互作用系数等方面的不足。进而对多元热复合流体相态研究提出展望,以期促进热复合开采技术进一步的机理研究与参数优化。

基于多孔介质理论的35kV油浸式变压器热点简化计算

低电压等级的油浸式变压器绕组往往由漆包圆线绕制而成,其温升及热点的准确计算需要考虑漆包圆线间的缝隙对油流及温升的影响,而精细建模时建模工作量和数值计算量都非常大。针对这一问题,提出将多孔介质理论应用于油浸式变压器简化建模的思路。首先验证了多孔介质理论应用于油浸式变压器热点计算的有效性。其次,基于多孔介质理论建立35 kV油浸式变压器绕组的简化模型,采用Fluent软件计算出其温升热点分布。最后将变压器的多孔介质理论简化模型所得的仿真结果与光纤测量结果进行对比。结果表明仿真与实验的热点温度误差在4℃以内,热点位置与实验结果保持一致,验证了多孔介质理论简化模型计算方法的准确性。多孔介质理论的应用为大规模变压器3维流-热耦合提供了新的计算思路,有助于工程实际中变压器热点温度的简化计算。

鄂尔多斯盆地南缘泾河油田长7段烃源岩生、排烃期与油气成藏期对比

泾河油田位于鄂尔多斯盆地西南部,目前已发现的油气主要位于研究区东北部,前人研究表明原油主要来自延长组长7段油页岩,然而原油到底来自研究区还是其东北部盆地中心的烃源岩还未有定论,从而制约了泾河油田的下一步勘探。利用盆地模拟方法,模拟了研究区和盆地中心长7段烃源岩生、排烃史,确定了泾河油田不同构造部位长7段烃源岩的生、排烃时间,并结合流体包裹体技术厘定了延长组储层原油成藏期次。烃源岩生、排烃时间和储层原油成藏时间以及生、排烃量的计算结果显示,泾河油田长7段烃源岩对本区油气成藏贡献有限,而盆地中心烃源岩生、排烃时间与研究区油气成藏时间具有很好的对应关系,并且本区油气明显具有由东北部向西南部运移的特点。因此与普遍认为的延长组储层以近源短距离垂向运移为主的成藏特征不同,本区已发现油藏可能主要来源于其东北部盆地中心优势生、排烃区,沿走滑断裂带经历了一定距离的侧向运移后聚集成藏。研究结果可为下一步研究区有利运聚方向及成藏区带预测提供重要参考。

基于电磁-流热双向耦合的变压器绕组温升计算及结构参数优化

变压器温升是影响其运行状态和使用寿命的关键因素。为了更准确地得到油浸式变压器绕组区域的温度场分布,采用有限元法对绕组的电磁-流热耦合过程进行了数值研究。根据电磁场及流体-温度场分布的特点,建立了变压器及绕组区域的计算模型。基于异构网格节点数据映射方法,将电磁场分析得到的绕组非平均损耗作为热源边界条件加载到流体-温度场计算网格中,并根据每次迭代时的温度对该热源进行修正,实现电磁-流热的双向耦合。在此基础上,建立热点温度与绕组结构参数之间的响应面,开展了对绕组热点温度及导体材料用量最小化的多目标优化研究。采用非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA-Ⅱ)获得了Pareto最优解,并对Pareto前沿面上的4种优化方案进行了分析。结果表明,优化后的绕组热点温度及导体用量明显降低。该文研究为变压器结构的优化设计提供了一种可行方法。

多元热流体不同组成介质耦合作用机理微观实验

多元热流体吞吐是蒸汽吞吐的重要接替方式之一,而现有的研究尚不能清晰解释不同介质之间的耦合作用机理,难以为海上多元热流体开发提供有效措施。利用微观可视化模拟系统,通过非凝析气(CO_(2)、N_(2))和热水的不同组合驱油实验,研究微观条件下多相流动特点,揭示热水、CO_(2)和N_(2)三者之间两两相互影响的耦合作用机理,并定量分析耦合作用机理对波及系数、洗油效率和采收率的影响。研究结果表明:热水与N_(2)相互协同,提高波及系数,在驱替中期,热水加热稠油,降低流动阻力,N_(2)气泡变形膨胀,补充压力,在驱替后期,在主流道形成贾敏效应,驱替范围从主流道向边缘扩展;热水与CO_(2)相互协同,提高洗油效率,热水冲刷CO_(2)驱替过后的膜状剩余油,同时二者降低油气表面张力,将油气段塞式流动变为念珠式流动,消除附加表面张力,动用簇状剩余油,增大体系毛管数;CO_(2)和N_(2)之间相互竞争,N_(2)与CO_(2)分压,阻碍CO_(2)溶解,CO_(2)和N_(2)混合后,补能作用减弱;三种介质耦合作用时,采收率整体提高29%,协同作用效果比竞争作用效果更为显著。利用微观实验厘清多元热流体两两介质之间的耦合作用机理,为后期多元热流体开发稠油油藏提供理论指导。

基于流固耦合的牵引电机流动特性分析

为了研究电机轴向通风冷却系统的电动机内部情况,本文以某大型矿用电动车轮牵引电机为例,对其轴向通风冷却与传热进行了研究。基于流体力学以及传热学理论,结合电机轴向通风性能以及结构特点,建立了电机三维流动与传热耦合求解的有限元模型,并给出基本假设与相应的边界条件。通过计算电机内部的电磁场和温度场,采用有限体积法对三维流体场和温度场控制方程进行耦合,避免了利用经验公式计算模型间的换热系数带来的误差,能够获得更加精确的温升及冷却结果。在此基础上,通过对电机进行流固耦合计算,研究流量分配对通风冷却效果的影响,进而在原有模型上分析不同流量、不同定子流道、不同流道宽度对电机温度场及流阻的影响,并提供优化流道从而有效降低电机最热温度区域。通过对实际运行车辆电机温度场及冷却阻力监控验证了仿真计算的准确性。通过流固耦合分析方法将有助于电机的散热优化设计,为更大功率的电机综合物理场的准确计算提供了理论依据。

深部热流体活动背景下氦气的成因来源与运聚机制——以莺歌海盆地乐东底辟区为例

基于地球化学参数及分析数据,应用热守恒方程、质量平衡定律及瑞利分馏模型等方法,通过对莺歌海盆地乐东底辟区的壳源氦气原位产率和外部通量、幔源初始氦浓度及热驱动机制等定量分析,探讨深部热流体活动背景下氦气的成因来源及运聚机制。研究结果表明:(1)乐东底辟区氦气的来源以壳源氦为主,幔源为辅。其中,研究区幔源^(3)He/^(4)He值为(0.002~2.190)×10^(-6),R/R_(a)值为0.01~1.52,测算幔源He贡献占比为0.09%~19.84%,占比较小;而壳源贡献占比则高达80%以上。(2)壳源氦的原位^(4)He产量仅为(4.10~4.25)×10^(-4)cm^(3)/g,外部^(4)He通量则显著高值,为(5.84~9.06)×10^(-2)cm^(3)/g,表明壳源氦气以外部输入为主,推测与地层流体受大气补给以及深部岩石-水相互作用有关。(3)底辟区深部热流体活动显著影响地温场,^(3)He初始质量体积与对应焓的比值(W)为(0.004~0.018)×10^(-11) cm^(3)/J,来自深部地幔的热贡献(XM)为7.63%~36.18%,揭示底辟热流体对幔源^(3)He迁移具有一定的热驱动作用。(4)研究区氦气的初次运移方式以平流为主,二次运移受控于水热脱气和气液分离过程;氦气从深部至浅部的运移过程中,CO_(2)/^(3)He值由1.34×10^(9)升至486×10^(9),指示受到壳幔混合和脱气效应影响,存在CO_(2)规模性析出和^(3)He的明显逸散。在深部热流体影响下,氦气运移聚集机制包括:深部热驱动扩散、平流释放、垂向水热脱气,浅部横向迁移、远离断裂的圈闭聚集,分压平衡、完整密闭的盖层封存等方面。

基于流固热多场耦合的高速旋转唇形密封性能研究

针对一种橡胶材料高速旋转唇形密封,结合其自身结构及应用工况,通过方程离散化计算等方法,建立定量分析密封系统密封性能的数值仿真模型。基于所建立的模型对密封实际服役状态下界面流体力学、宏观固体力学、表面粗糙峰微观接触力学、唇口摩擦生热等多物理过程之间的耦合关系进行分析,借助实验验证并完善数值仿真模型的准确性。通过所建立的数值仿真分析模型研究油封唇口接触压力分布、唇口温度、摩擦力矩及泄漏率等衡量密封性能的关键参数随转速的变化规律。结果表明:在高转速条件下考虑摩擦生热时油封径向力减小,接触宽度增加,摩擦力矩减小,说明摩擦热对油封密封性能产生较大影响。

AA-AM-SBMA三元共聚物增稠剂合成及性能

采用水溶液聚合法,以丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)和两性单体甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱(SBMA)为主要原料,过硫酸铵-亚硫酸氢钠为引发剂体系,合成出压裂用低伤害三元共聚物增稠剂AA-AM-SBMA。采用红外光谱、核磁共振氢谱、扫描电镜等对AA-AM-SBMA的结构进行了表征。结果表明,在35℃下采用注入水配制时,AA-AM-SBMA的增黏、悬砂性能与部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)相当;当配液水的氯化钠浓度大于3 000 mg/L时,AA-AM-SBMA能表现出较强的耐盐性能;配液水的氯化钠浓度为6 000 mg/L时,3 000 mg/L的AA-AM-SBMA溶液的表观黏度比相同条件下的HPAM溶液高58.4%。AA-AM-SBMA在120℃下放置2 h的降解率高达95.13%,比相同条件下HPAM的降解率高3.19%。岩心渗透率恢复率测定实验结果表明,AA-AM-SBMA对应的渗透率恢复率为95.27%,比相同条件下HPAM的高4.52%,表明SBMA的引入有利于降低增稠剂对岩心渗透率的伤害。

基于耦合分析的热流系统协同设计

作为综合能源系统的一部分,热流系统通常在稳态假设下设计其物理系统,在此基础上设计控制器.这种方法忽略了系统与控制器设计间的耦合关系,导致系统暂态性能不佳.为此,本文提出一种协同设计方法,以系统总质量、熵产率以及控制效果为设计度量,基于热流系统数学模型及其熵产率模型,结合嵌套设计方法和同步设计方法完成系统设计.考虑到设计过程中设计参数多、变量范围大的问题,引入时间序列模式距离,构造相关度度量函数来分析物理系统与控制器之间的耦合关系,从而减少非耦合参数.同时,利用数据分析方法进一步缩小了待设计参数范围.为验证方法的有效性,以一个理想热流系统为设计实例,仿真结果表明,通过相关度度量函数及其数据分析,可以将设计参数个数减少66%,选取范围缩小26%.相比于传统顺序设计方法,经过协同设计方法设计的系统控制误差可减少29%,且设计控制器抗扰能力也优于频域方法和SIMC方法.

新能源汽车浸没式锂离子电池冷却技术研究进展

浸没式电池冷却是将电池直接浸泡于冷却液中,相比常规间接式液冷、风冷和相变冷却,具有结构简单、降温迅速、均温性能好等优势。对目前浸没式电池冷却的相关技术进行了统计、归纳和总结,包括浸没液采选、冷却系统结构设计、热安全等,并结合上述工作对浸没式电池冷却系统的技术应用进行分析。结果表明:浸没式冷却可快速降低电池温度,能够有效提升电池组的温度均一性;但该技术对电池模组的密封性要求较高,漏液以及腐蚀等难题有待解决。

超临界二氧化碳螺旋槽干气密封热流耦合润滑临界阻塞特性研究

在密封稳定运行的前提下,促成密封端面出口形成阻塞流动以提升气膜开启力、降低端面泄漏不失为干气密封性能优化的有效途径。以超临界二氧化碳(CO_(2))螺旋槽干气密封为研究对象,综合考虑实际气体、离心惯性、湍流和阻塞流效应,采用有限差分法耦合求解压力和温度控制方程,定性研究了热流耦合润滑下的临界阻塞特性(临界阻塞进口压力po_(cir)、临界阻塞转速N_cir、临界阻塞膜厚h0_cir和阻塞临界失稳膜厚hsc)。结果表明:等温流动和绝热流动模型下超临界CO_(2)干气密封端面间隙出口均存在阻塞发生工况区间,进口压力、膜厚、转速对应的阻塞发生区间分别为po>po_(cir)、h0_cir<h0<hsc和N<N_cir;转速升高可以对临界阻塞进口压力和临界阻塞膜厚产生持续增强作用,增大膜厚则会导致临界阻塞压力降低、临界阻塞转速上升,高压进口将使阻塞零刚度对应的膜厚(阻塞临界失稳膜厚hsc)下行;相较于等温流动假设,气膜热效应对超临界CO_(2)干气密封临界阻塞特性参数的影响程度较为显著,且影响规律各有不同。