基于VOF模型的倾角对重力热管性能影响数值研究

随着热管技术的发展,对热管的研究越来越广泛。本文通过加载用户自定义函数(UDF),运用Fluent软件对铜-水重力热管进行了仿真数值模拟,并对不同倾角下的重力热管进行了模拟。结果表明:仿真数值模拟结果与实验结果吻合;重力热管的最佳倾角为57°;同时获得在倾角作用下的分层流动现象导致的上下壁面的温度分布,并对热管工作过程中蒸发段进行了可视化研究,很好地再现了热管运行时蒸发段的相变过程。

倾斜管内多相流流型研究

目前对集输管道多相流流型的划分还不明确,影响因素也很多,而流型的确定对管内参数的计算影响很大,因此对多相流流型进行研究具有重要的意义。使用VOF模型模拟了倾斜角分别为10°、20°和30°的上倾斜管,得到了不同流动时间的相分布云图。对云图进行分析的结果得知,随着流动时间的增加,流型先从气泡流转化为波状流,最后再由波状流转化为段塞流;倾斜角对多相流的流型有一定的影响,倾斜角越大流型越明显。

VOF模型界面传质与体积传质的转换方法

针对流体体积模型(volume of fluid,VOF)在模拟相间传质过程时需要将界面质量流密度转换为单位体积传质速率的问题,对VOF模型中的界面传质与体积传质转换方法进行了改进。提出一种既解决了网格无关性问题又可以反映局部界面传质特性的转换方法,并给出了理论推导证明。推导出相应的网格无关性条件,通过划分3组不同尺寸的网格模拟了汽泡冷凝问题,并在汽泡生长方面对该转换方法加以简单应用,模拟结果与理论分析及实验结果符合良好,合理可行,可广泛应用到多相流中界面传热传质模拟的过程。

基于VOF模型的自激振荡型喷嘴CFD仿真

普通喷嘴喷出的水柱是直线型的,在普通喷嘴中加入倒U型和三角形结构,就能够使得喷嘴喷出来的水柱呈现振荡形式。利用多相流VOF(Volume of Fluid)模型模拟内建振荡结构的喷嘴的喷射流动过程,CFD仿真结果显示,喷嘴喷射的水柱呈现上下摆动的状态,和真实情况相吻合。

液-液射流雾化的数值模拟与实验研究

建立了液-液雾化机理的数值模拟平台与实验研究平台,对水在非相溶溶液中的喷射雾化机理进行了研究。应用VOF-CSF多相流模型对雾化过程进行了数值模拟,并在相同工况下进行了实验验证和对比。研究表明,所建立的数学模型能成功地模拟连续射流雾化过程,与实验结果取得了非常好的一致性。通过数值模拟和实验相结合的方法,对雾化过程中的射锥高度、射流速度、非相溶介质流速等关键因素的影响进行了探讨,获得了相应的规律:在确定的雾化条件下,雾化液滴粒径呈现出离散性;液滴的运动方式随射流速度的增加由规则逐渐过渡为紊乱;射流速度为3.5 m/s与非相溶介质流速为0.18 m/s时,雾化射锥高度变化趋势发生转变。本文的研究结果对认识液-液射流雾化机理以及相应的工程应用,具有重要的指导意义和实用价值。

扭曲型挑坎挑流的数值模拟

采用RNGK-ε湍流模型与VOF多相模型对扭曲型挑坎挑流进行水气两相流三维数值模拟,模拟了挑坎里的自由水面与挑流的空中轨迹线,得到计算域的速度、压强、湍动能K与湍动能耗散率ε的分布、内外挑距与水舌宽度,并与物理模型的试验结果进行比较,两者吻合良好,验证了该数值模拟方法的可靠性、合理性。

微细通道中R32流动沸腾换热的数值模拟

利用VOF多相流模型对R32在1、2mm水平光管内流动沸腾换热进行了二维非稳态数值模拟。模拟的工况为:质量流速100kg·m2·s^(-1),热通量12kW·m^(-2),饱和温度15℃。模拟结果显示:2mm通道内工质的流动沸腾过程依次经历了液相单相流、泡状流、弹状流;1mm通道内工质的流动沸腾过程依次经历了液相单相流、泡状流、受限泡状流、弹状流。利用模拟所得气相体积分数分布、温度分布,分析了R32管内流动沸腾过程中的基本规律和气泡运动特点,以及管径对流动沸腾换热过程流型的影响。利用数值模拟结果与实验结果进行对比,显示较好的一致性。

离心喷嘴内部流动与液膜初级破碎的耦合模拟

为了更准确地预测喷射特性,揭示喷嘴结构对雾化过程的影响,采用VOF多相流模型和大涡模拟湍流模型对航空发动机离心喷嘴内部流动和液膜破碎过程进行了耦合的CFD模拟,捕获了清晰的气液相界面以及油膜的不稳定波和初级破碎现象.模拟结果表明:供油流量增大时油膜的破碎形态由波浪式破碎和轮缘破碎变成穿孔式破碎,这主要是由于喷嘴结构造成的周向扰动对液膜破碎过程产生了较大影响、使液膜破碎长度缩短的缘故.数值计算的喷雾锥角和油膜破碎长度分别与实验测量值和半经验公式计算值符合良好.

基于Narrow Band FLIP方法的流体模拟

为了改进fluid implicit particle(FLIP)方法中大量粒子对界面重构没有作用的问题,提出采用narrow-band FLIP(NBFLIP)方法与体积分数方法进行多相流模拟的方法,通过粒子重采样减少内部粒子数量,以提升整体计算效率;体积分数采用总变差不增的高精度数值格式进行追踪.与相关文献实验对比表明,文中方法可以实现丰富的单相流和多相流模拟效果.

气体流量对底吹炼铜炉吹炼过程的影响

首先利用Fluent软件对底吹炉用的氧枪内气体流动过程进行模拟研究,分析了三种工况下进口参数与气体流量的对应关系,给现场进行流量调节提供了理论依据。然后以氧枪出口气体的流动参数作为边界条件,利用VOF模型对底吹炉渣、铜锍、粗铜、空气四相流动过程进行模拟研究。研究了不同流量下的熔体流动规律,包括熔池内的密度分布、熔池平均速度、液面波动状况以及喷溅量等。当气体流量为0.43kg/s时,熔池内的平均速度较高,混合强度大,但是也会造成液面波动和喷溅量过大的现象,严重时会导致下料口堵塞,影响正常生产过程。

喷吹方式对大型铜熔炼底吹炉流动特性影响研究

基于计算流体力学方法,采用VOF多相流模型和Realizable k⁃ε湍流模型,对不同喷吹方式的大型底吹炉流动特性进行模拟,分析了预稳过程、喷吹气体运动特征、气⁃锍⁃渣相互作用特征以及熔池混合效果。结果表明,大型底吹炉的双枪喷吹由枪座上的两支氧枪共同形成一个叠加的气动搅拌区,其内部存在显著的气⁃锍⁃渣相互作用,为大型底吹炉提供良好动力学条件。9°双枪喷吹混合效果较佳,熔池气含率达到2.70%,平均速度为0.20 m/s,平均湍动能为0.059 m^(2)/s^(2),熔池内部扰动剧烈并且熔体喷溅较少,有利于提高熔炼效率。

基于CFD的潜射导弹筒口压力场预测

基于无相变VOF模型和动网格技术,采用二维轴对称模型,对潜射导弹筒口压力场特性进行了仿真分析,获取了筒口气泡脉动规律及作用在筒盖上的压强变化特性数据,采用简化算法计算了筒盖上的总受载.对比表明,仿真结果与实测数据的处理结果比较接近,且具有更大的安全裕度,该方法可用于筒盖系统的受载预测和设计参考.

潜射模拟弹筒盖系统柔性支撑受载特性仿真

基于无相变VOF模型和动网格技术并采用三维对称模型对潜射模拟弹筒口压力场及其对筒盖系统的影响特性进行了建模仿真,对比分析了筒盖系统的刚性支撑、柔性支撑以及自由铰支等支撑状态的仿真数据,获取了筒口压力场的气泡脉动特性、筒盖及其支撑环节的受载特性和筒盖的运动规律;结果表明柔性支撑只对正压峰期间的筒盖及其支撑环节具有明显的降载效果,而在负压峰期间反而会恶化筒盖及其支撑环节的受载,这与实验结果吻合;自由铰支状态则具有极佳的降载效果。该结果对于指导筒盖系统降载方案的设计和实施具有重要指导意义。

潜射模拟弹筒口压力场仿真

基于含相变VOF模型和动网格技术并采用三维对称模型对潜射模拟弹筒口压力场特性进行了仿真分析,获取了3种不同出口速度条件下的筒口气泡脉动规律、作用在筒盖上的压强变化特性以及筒盖上的受载力矩时程,对比分析了水的可压缩性和工质气体初温对筒盖受载以及受载脉动脉宽的影响。结果表明,仿真与测试数据吻合较好,工质气体的初始温度对筒盖受载脉宽影响较大,水的可压缩性对仿真结果也有不容忽视的影响。可为筒盖系统受载分析以及筒盖系统设计提供参考。

潜射模拟弹筒盖系统柔性支撑降载技术

提出了筒盖系统带空行程的柔性支撑降载方案,基于含相变VOF模型和动网格技术并采用三维对称模型对潜射模拟弹筒口压力场及其对筒盖系统的影响特性进行了建模仿真,对比分析了9种不同空行程组合的仿真数据,获取了筒口压力场的气泡脉动特性、筒盖及其支撑环节的受载特性和筒盖的运动规律,验证了带空行程柔性支撑方案的可行性,同时也得到了便于工程实施的行程组合参数。该结果对于指导筒盖系统降载方案的设计和实施具有重要指导意义。

铜顶吹炉内多相流数值模拟与单因素影响分析

采用VOF模型模拟铜顶吹炉内多相流动,以气含率、熔体平均速度为铜顶吹炉熔炼效果/效率的评价指标,通过单因素分析法研究了喷枪外径、空气流量及浸没深度对熔炼过程的影响,并结合经验生产参数提出了各参数的适宜值.结果表明,适当增大喷枪空气流量或浸没深度可明显提升气含率和熔体平均速度,获得更高的熔炼效率;适当减小喷枪外径可提升评价指标并获得更佳熔炼效果;各参数适宜值为喷枪外径403~428 mm、喷枪空气流量12000~14000 Nm^3/h、喷枪浸没深度225~275 mm.

钠水反应试验系统中小泄漏钠水反应氢气分布特性

蒸汽发生器是钠冷快堆的关键设备之一,其传热管破裂引发的钠水反应会产生大量氢气及热量,危害钠冷快堆的安全运行。本文基于VOF多相流模型,在钠水反应试验系统内开展中小泄漏钠水反应工况的数值分析,获得了高压反应釜内氢气在钠水反应下的三维空间分布特性和迁移特性。结果表明:高压反应釜内氢气的迁移特性受钠液流速影响,氢气在整个循环环路的迁移特性主要受水泄漏量控制。通过设置灵敏度为0.005 ppm的氢计,获得了环路不同区域检测到氢气的最快特征时间。

用于环形正负电子对撞机探测器超导磁体的小型氦虹吸回路实验与数值模拟研究

在探测器超导磁体的低温系统预研中,搭建了小型的氦虹吸冷却回路实验系统,进行了气-液两相沸腾和传热特性实验研究,并利用VOF多相流模型模拟计算了氦的热虹吸自然冷却循环过程和过热烧干过程。在相同条件下,模拟计算结果与实验数据进行了比较,模拟计算得到的的温度分布、璧面过热度与实验测量数据符合度较好。

多相介质诱发柱塞泵内部磨损

为了突破油水煤浆作为替代燃料发展的瓶颈,解决油水煤浆替代柴油应用于柴油机和固体煤颗粒的存在加剧柱塞泵磨损问题,通过数值模拟和实验测试方法找出多相介质下诱发柱塞泵内部磨损的机制。采用VOF多相流动模型,对颗粒运动轨迹、颗粒与过流表面的相互碰撞过程、固液(煤、油)磨损进行了数值模拟,并试验测试分析。研究结果表明:离散相颗粒的性质(密度、粒径)、混合比例及柱塞运动速度对颗粒运动轨迹及壁面碰撞过程有重要的影响;大粒径、大密度的颗粒运动轨迹向柱塞泵壳体内侧偏移,与其撞击并反弹,易发生多次撞击,对柱塞泵壳体内侧磨损程度大;小颗粒易与柱塞偶件发生撞击,因柱塞偶件表面油膜颗粒一般与其发生一次撞击,冲蚀磨损相对弱些;凸轮速度直接影响柱塞运动速度,速度加剧内部磨损;混合燃料中固体颗粒的体积比增大,对柱塞偶件的磨损加剧,模拟结果与试验结果吻合。

内螺纹管流动沸腾气泡行为及换热特性研究

为探究内螺纹管流动沸腾过程中的气泡行为及其对换热的影响机理,采用VOF模型(Volume of Fluid Model)及相变模型对工质在小尺寸水平内螺纹管中的流动沸腾过程进行二维非稳态数值模拟。获得了不同质量流速下工质在管道内的气相分布以及管壁不同位置处的温度、换热系数。分析了内螺纹管流动沸腾过程中的气泡行为特点以及不同气泡行为对换热性能的影响。研究表明:在内螺纹管中随着质量流速的增加,管内含气率降低,平均换热系数增大。管壁面上气泡的滑移、长大行为会削弱对流换热,而近壁面气泡的聚并行为会增强对流换热。