热油管道停输过程土壤温度场PHOENICS数值模拟

埋地热油管道停输过程周围土壤温度场的计算是研究间歇输送过程中确定停输时间以及再启动等问题重要组成部分。通过分析埋地热油管道的几何特性建立有限区域内停输时热油管道土壤数学模型和确定边界条件。并使用PHOENICS软件对该数学模型进行求解。模拟结果与实测数据吻合较好,误差在2%以内。

罐区气体泄漏PHOENICS数值模拟研究

基于紊流模式理论,在考虑重力影响的基础上,建立储气罐区气体泄漏扩散数学模型,并采用计算流体力学软件PHOENICS(双曲性,抛物性或椭圆型数值求解综合编码)对该数学模型进行数值求解。在油气安全综合平台上,通过选用二氧化碳作为泄漏物,红外二氧化碳传感器采集来的实验数据与PHOENICS模拟数据进行比较,发现误差较小。同时表明,借用该软件模拟储气罐区气体泄漏的扩散问题是可行的。运用该法也能为气体泄漏、火灾方面的研究提供一条便利的捷径。研究结果还可以为液化气与毒气罐区气体泄漏事故应急处理提供参考依据,同时对罐区浓度探测点位置的安放也有重要指导意义。

顺序输送管道PHOENICS数值模拟

针对现有一些混油计算公式中存在的问题,在K-ε紊流模型和使用壁面函数法处理近壁区问题的理论基础上,通过引入一些合理的假设,提出了一个比较有效的顺序输送混油数学模型。并利用PHOENICS软件对它进行了模拟求解。首次以图形的形式直观地显示出管内截面上的浓度分布,最后通过浓度曲线的对比,对油品输送次序对混油的影响进行了分析。研究结果表明前行油品粘度小所形成的混油段长度比前行为油品粘度大时长,截面浓度分布也相对较均匀。从而验证了该紊流模型能真实反映顺序输送管内混油浓度分布情况和该紊流模型的正确性。同时也证明了使用计算机模拟能够为顺序输送混油机理的研究提供一个较为准确而便利的手段。

顺序输送管道混油浓度PHOENICS数值模拟

针对现有一些顺序输送混油计算公式中存在的问题，在k-ε占紊流模型和使用壁面函数法处理近壁区问题的理论基础上，提出了顺序输送混油新的模型，并利用PHOENICS软件成功地对该模型进行了数值求解。且首次以图像的形式直观地显示出管内的混油浓度分布，并通过浓度曲线的对比，对油品输送次序对混油的影响进行了分析。研究结果表明：计算机模拟能够为顺序输送混油机理的研究提供一个较为准确而便利的手段。同时也对影响混油的其他一些因素（高差、阀件、温度等）的研究提供了参考与帮助。

PHOENICS数值模拟顺序输送管道混油浓度

建立了顺序输送混油紊流模型,利用PHOENICS软件对它进行了模拟计算,通过算例分析了批次对混油浓度的影响。结果表明前行油品粘度小所形成的混油段长度比前行油品粘度大时长,截面浓度分布也相对较均匀的结论,与工程现象完全吻合。验证了顺序输送混油紊流模型能真实反映顺序输送管内混油浓度分布情况和该紊流模型的正确性。证明了使用一些较为成熟的流体力学软件进行计算机模拟能够为顺序输送混油机理的研究提供一个较为准确而便利的手段。

埋地热油管道土壤温度场PHOENICS数值模拟

在充分考虑大地恒温层、热油管道对大地温度场影响范围的基础上,建立了管道运行时的非稳态简化物理模型及相关的数学模型,并使用模拟计算软件PHOENICS对该数学模型进行了求解,能够求解出忽略轴向温降的平面的任意点在管道运行过程中任意时刻的温度变化情况和任意时刻的管道周围土壤温度场的分布。这些问题的求解对研究热油管道间歇输送过程中确定停输时间以及再启动等问题奠定了基础。同时PHOENICS软件的引入,也为此类问题的研究提供了捷径。

振动混合器内上浮颗粒悬浮特性数值模拟

对振动混合器内颗粒悬浮特性的深入了解,可为该类混合器的结构设计和优化提供依据.借助计算流体力学技术(computational fluid dynamics,CFD),应用欧拉-欧拉双流体模型对上浮颗粒在振动混合器内的悬浮特性进行了数值模拟研究.振动盘的往复运动采用动网格技术进行处理.通过模拟得到了混合器内的流场和颗粒的动态悬浮特性,并将模拟结果与文献试验数据对比验证模型准确性.结果表明,振动混合器内流场的典型特征为在振动盘的上方和下方各形成一循环涡流,涡流强弱随振动盘往复运动周期变化,但涡流方向保持不变,颗粒在混合器内悬浮分别经历均匀性快速变好、略微变好和动态稳定悬浮3个阶段.提高频率和增大振幅均可以使颗粒更快达到稳定悬浮,且悬浮的均匀性更好,但增大振幅会使悬浮的均匀波动性有所变大.增大固含量可使颗粒悬浮的均匀性增加,波动性减小.

基于动网格技术的CMT-WAAM熔池温度场与流场数值模拟

针对基于冷金属过渡(CMT)技术的镁合金摆动电弧增材制造(WAAM)过程,采用流体体积(VOF)法和动网格(DM)技术建立了分别考虑熔滴和熔池受力情况的三维瞬态数值模型,研究了熔滴过渡和熔池流动过程中的温度场和速度场变化.结果表明,相应试验结果验证了所建立数值模型的有效性,熔池和熔滴尺寸参数模拟的误差均在10%之内.在CMT-WAAM开始阶段,基板表面和焊丝在电弧热作用下熔化分别形成熔池和熔滴.在焊丝向熔池送进过程中,熔滴不断长大,并在表面张力作用下长成球形.熔滴金属的热量主要通过热传导的形式向熔池传递,熔池最高温度随着熔滴金属的过渡而升高,熔池最高温度可达2100.0K;随着焊丝的回抽,熔池最高温度降低至1763.6K.随着焊丝向熔池送进,熔滴的最大速度从1.87 m/s逐渐减小到1.07 m/s,而熔池的最大速度仅为0.87 m/s.当熔滴金属前端与熔池发生接触后,液态金属的最大速度可达到4.21 m/s;随着焊丝的机械回抽,液态金属的最大速度在1.69~4.90 m/s范围内波动.当熔滴与熔池接触发生短路时,熔滴金属从熔池表面流向熔池底部和熔池两侧,增强了对熔池底部和熔池两侧的搅拌作用,使得熔池体积增加;当熔滴从焊丝端部脱离后,熔池中液态金属从熔池底部流向熔池表面和熔池两侧,熔池温度和流体速度随之降低,从而减缓了熔池体积的增加.此外,熔池自由表面在摆动电弧作用下呈现波浪式变形.

风向对路堑周围风沙流场影响的数值模拟

为认识风沙环境下风向对路堑沙害的影响,利用计算流体力学中的欧拉双流体非稳态模型,分析不同风向角(风向与路堑走向的夹角)场景下风沙流对路堑的响应规律,并研究其响应机理。数值模拟结果与现场监测结果相吻合,但由于数值模型中存在阻塞效应致使前者略微高估了路堑周围的风速。路堑内部沉沙区面积、路堑对气流的扰动能力和路堑内部的积沙量与风向角呈正相关。风向角β≤30°,路堑内部未观察到循环泡,风向角β>30°,路堑内部可观察到明显的循环泡,且随着风向角的增大其面积呈递增趋势。本质上,风向角的减小相当于减缓路堑边坡坡率,进而减少其内部的积沙量。路堑内部沙害程度与风向角呈正相关,为减轻风积沙对线路的危害,路堑应以小风向角穿越风沙地区,有条件时风向角宜控制在30°以内。

旋流结构参数对压力旋流喷嘴雾化特性影响的数值模拟

应用Realizable k-ε湍流模型和VOF(Volume of Fraction)两相流模型对某压力旋流喷嘴进行数值研究,分析了旋流室锥角、旋流孔角度及喷嘴入口压力变化对雾化锥角、雾化粒径及分布、液滴速度分布等参数的影响。结果表明:雾化锥角受旋流室锥角的影响幅度随压力增大而减小,雾化粒径及分布受旋流室锥角影响不明显,当旋流室锥角为90°时雾化范围广且雾化稳定性好;雾化锥角随旋流孔角度增大先增后减,当角度为45°时雾化锥角最大,平均粒径及其分布更佳;当喷嘴入口压力逐渐增大时,雾化锥角与雾化粒径均逐渐减小,液滴速度区间逐渐缩小,当入口压力达到0.4 MPa时,Sauter粒径及液滴粒径分布趋于稳定,液滴速度分布最为集中。

新型多通道扭带强化传热性能的数值模拟

采用数值模拟的方法,研究了内插具有交替顺、逆时针扭转方向(C-CC)结构的多通道扭带的换热管在Re=6000~12000范围内的流动传热特性。模拟结果表明,插有C-CC结构多通道扭带的换热管的Nu与通道数量(N)和Re呈正相关,与扭转比(T_(R))负相关,相对于经典扭带(N=2)最高提升了30.7%;摩擦系数与N呈正相关,与Re和T_(R)负相关,相对于经典扭带最高增加了304%;综合换热因子与Re和N呈负相关,随T_(R)的增加先增加后减小,最高为0.887。较小T_(R)时,所研究的新型C-CC结构多通道扭带有着比常规多通道扭带更好的强化传热性能。

天然气水合物实验模拟装置和数值模拟器的研究进展

中国的天然气水合物资源丰富,若实现商业化开采,有助于中国的能源结构调整。天然气水合物开采的实验模拟和数值模拟是指导其安全高效开采的重要手段。首先简要介绍了天然气水合物的开采方法、国内外野外试验性开采案例,然后系统总结了天然气水合物实验模拟装置及全球具有代表性的天然气水合物数值模拟器的开发和应用,最后对未来天然气水合物实验模拟和数值模拟的研究方向进行了展望。未来,在实验模拟装置方面,应重点研发适用于开采过程中测量和监测热学、渗流、力学和相变参数的实验模拟装置;在数值模拟器方面,应实现天然气水合物数值模拟过程的精确化,并不断优化数值模拟器算法,从而建立可服务于中国天然气水合物产业化开发的高精度数值模拟器。

多级燃爆压裂及复合压裂数值模拟

为提高页岩气的开发效果,针对页岩气储层燃爆压裂裂缝扩展规律,基于连续-非连续方法,引入裂隙渗流模型与爆源模型构建燃爆压裂裂缝扩展模型,建立以裂缝范围和破裂度为评价指标的燃爆压裂效果评价体系.基于建立的燃爆压裂裂缝扩展模型,进行单级和多级燃爆压裂裂缝扩展模拟,并探究复合压裂作用下的改造效果.研究发现,燃爆压裂能够突破井底的应力集中,在应力冲击作用下沿井周形成初始径向裂缝,而后在高压爆生气体的驱动下裂缝长度增加.相较于单级脉冲,3级燃爆脉冲下的破裂度提高14.5%,裂缝长度增加10.7%以上;采用复合压裂工艺在地应力差为10 MPa时仍可形成多条裂缝.研究结果可为页岩气储层的开发提供指导.

基于重叠网格技术柔性旗帜与流体耦合运动数值模拟

为研究分析自然界与风能采集领域中柔性旗帜与空气流固耦合运动特性,基于空气动力学原理和二维柔性板轴向不可拉伸假设推导旗帜颤振非线性理论模型,研究了旗帜与空气之间的耦合运动,分析长度、质量比和风速对其运动特性影响。利用双向流固耦合方法及重叠网格技术对旗帜随风摆动过程进行数值模拟,得出流场中旗帜运动行为及周围流场特性。结果表明:临界颤振风速随旗长增加而减小,摆动位移随风速增加先增大后减小;质量比越大,颤振频率越小,斯特劳哈尔数受其影响较小;旗帜尺寸一定时,风速较小,摆动位移、频率较小,风速超过临界颤振风速发生大幅度颤振现象;旗帜周围漩涡会经历产生、脱落和消失过程,周围压力及速度会随漩涡运动过程发生变化。可见采用基于重叠网格技术的数值模拟方法可有效解决柔性旗帜大变形问题,实现理论与数值仿真验证分析。

旋流排沙装置排沙效率的数值模拟与试验研究

为提高水库中排沙洞的排沙效率,研发了一种新型旋流排沙装置。利用数值模拟试验和水工模型试验两种方法,研究了旋流排沙装置中叶轮组合、旋流场的流速分布特征、旋流排沙装置对排沙洞口泥沙的冲淤特性和排沙效率的影响。数值模拟结果表明,旋流排沙装置中单叶轮的流场范围随转速的增大而扩大,但当叶轮转速增加至20r/s时流场范围不再增加;旋流排沙装置中组合旋流场范围取决于叶轮的转速及其布置方式,当以三角形方式布置时,组合流场范围也随叶轮转速的增加而扩大,但叶轮间距布置过小会导致能量耗散过高,叶轮间距布置过大则不能形成有效的组合流场,旋流排沙装置的最优运行状态为叶轮距离为70mm、转速为20r/s。数值模拟和模型试验结果表明,旋流排沙装置可有效增大排沙洞的排沙效率和冲淤范围,当库区水位较深形成冲沙漏斗时,旋流排沙装置可使排沙洞的排沙效率提高71.5%;当库区水位较浅形成冲沙廊道时,旋流排沙装置能使排沙洞的排沙量增加4.02kg,说明该装置对库区水深较浅的淤积泥沙具有较好的排出效果,对解决甘肃河西水少沙多型水库内的泥沙淤积问题具有重要意义。

多级变径孔板螺旋流的水力特性及数值模拟研究

针对多级变径孔板水力特性的数值模拟研究较少的现状,引入收缩角与扭转角概念,构建新型多级变径孔板,基于前期物理试验,通过数值模拟定雷诺数、变收缩角、变扭转角的多种组合工况,对该装置内各监测断面的三相速度、装置内空化数的沿程变化规律及装置的消能率进行分析。结果表明,定收缩角时,随着扭转角的增大,轴向速度的波动程度逐渐减弱,切向速度和径向速度虽有逐渐增大的趋势,但整体波动相对较小;定雷诺数时,同一断面处的空化数随收缩角或扭转角的增大而减小;该装置的消能率随扭转角增大而增大,随收缩角增大而减小。在研究的8种组合工况中,收缩角为15°、扭转角为12°时该装置的消能率最优。

固井界面封隔能力的数值模拟与实验研究

为解决油井返封堵过程中固井第二胶结面处胶结破坏所引发的窜流问题,采用自制的固井界面封隔实验装置及数值模拟方法,研究引发固井界面窜流的关键因素及作用机理。结果表明:固井第二胶结面的剪切破坏是诱发固井界面封隔失效的主要原因;界面胶结指数(BI)越高、层间压差越小、水平主应力越大、固井第二胶结面损伤越小,则固井界面的封堵能力越强。通过对影响因素进行权重分析发现,水泥环胶结强度和层间压差是影响固井界面封隔能力的关键因素。

锈蚀Q345C钢材疲劳性能试验研究及数值模拟

为了研究桥梁常用Q345C结构钢锈蚀损伤后的疲劳性能,开展了Q345C钢材电化学加速锈蚀试验和拉伸疲劳试验,得到了不同锈蚀损伤程度下Q345C钢材的蚀坑深度分布特征和疲劳寿命,给出了50%和97.7%存活率下的S-N曲线,并对不同锈蚀率试件的疲劳断口特征进行了对比分析,通过3D扫描逆向建模并结合ABAQUS/FE-SAFE进行疲劳寿命仿真分析。结果表明:随着锈蚀率的增大,锈蚀区域由点蚀为主向均匀锈蚀为主转变;锈蚀对疲劳性能降低与应力水平有关,低应力水平下锈蚀对疲劳性能的降低尤为显著;未锈蚀试件97.7%存活率的S-N曲线与BS 7608规范接近且略大于钢结构设计规范GB 50017-2003,而锈蚀损伤试件97.7%存活率S-N曲线均低于常用疲劳规范曲线,且200万次等效疲劳强度明显降低;锈蚀试件断口存在明显的疲劳台阶且断裂后塑性变形小,试件的断口裂纹扩展面积比与应力水平和锈蚀率均呈反比;锈蚀试件疲劳寿命仿真结果与试验相比误差最大仅为6.32%。

天然气汇管噪声数值模拟及降噪分析

针对天然气汇管在高压气流作用下产生的气动噪声问题,采用计算流体动力学CFD软件与声学软件耦合的方法进行数值模拟,研究天然气汇管的噪声特性,并评估多孔材料包裹的降噪效果。通过对流场进行计算,导入流体数据作为激励在Virtual.Lab Acoustics中进行声场计算,模拟噪声场分布。引入多孔材料模型,通过改变流阻、厚度和密度等参数,分析了多孔材料对降噪性能的影响。结果表明,在200~2000 Hz的频率范围内,多孔材料包裹具有良好的降噪效果。通过对不同参数的分析比较,为实际工程中多孔材料的选择提供借鉴。

基于数值模拟的等跨连续梁桥冲击系数研究

本文为确定等跨连续梁桥的冲击系数,根据结构静力分析,求取边跨及中跨跨中挠度静力响应;基于结构动力学原理,分别建立车辆与桥梁的动力方程,采用五轴十三自由度平面车辆模型,三跨连续梁桥模型,建立车桥耦合振动方程,采用ANSYS和MATLAB软件编译等跨连续梁桥车桥耦合分析模块,迭代求解边跨及中跨跨中挠度动力响应;再依据冲击系数计算公式求出边跨及中跨冲击系数,确定桥面不平整度、速度、基频和载重这4个因素为影响因素,利用SPSS (statistical package for the social sciences)数值分析软件进行逐步回归,得到了各参数对冲击系数的显著程度,给出等跨连续梁桥挠度冲击系数计算公式。结果表明:桥面不平整度与挠度冲击系数的相关性较好,而速度、基频和载重对挠度冲击系数的线性相关较为不显著;回归分析结果显示,桥面不平整度与冲击系数之间的标准化相关系数Beta达到0.908,表明桥面不平整度对连续梁桥的冲击系数具有重要影响。然而,现行规范未考虑到这一因素,因此建议在后续规范修订中纳入桥面不平整度的影响。