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.

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.

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。

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%。

随机纤维膜过滤器捕集浮游生物颗粒的DPM数值模拟

目前常用的深海浮游生物取样方法,是采用水泵抽取海水,并通过过滤技术捕捉其中的浮游生物。因此,以浮游生物过滤器为研究对象,通过随机算法建立三维纤维膜微观模型,并基于相似准则对纤维膜模型进行数值模拟研究,同时,采用拉格朗日离散相模型(DPM)追踪浮游生物颗粒在过滤器内的运动轨迹。研究结果表明:入口速度的变化对流场的压力和速度分布有显著影响,随着入口速度增加,流场内部速度差增大,流场中的压力分布出现明显的分层现象,且压力损失随入口速度增大而增大。其孔隙较小的纤维模型具有更好的过滤性能,对浮游生物颗粒的过滤效率基本稳定在80%。

注CO_(2)驱提高致密砂岩气藏采收率实验及数值模拟

针对致密砂岩气藏地层压力下降快、稳产难度大、采收率较低等问题,利用长岩心驱替实验、可视化实验和数值模拟方法,从提高气藏采收率方面对注CO_(2)的驱替特征和扩散特征进行了研究。结果表明:地层中的超临界CO_(2)不是与天然气大范围地互溶,而是“部分互溶”;由于重力分异作用,CO_(2)在沉降过程中驱替天然气向上运移并被采出;CO_(2)驱替天然气可提高采收率17.8百分点。研究成果可为下一步致密砂岩气藏CO_(2)驱矿场试验提供理论依据。

基于KCC模型-ALE算法的充填体动力响应数值模拟研究

胶结充填体作为人工矿柱常受到邻近矿房开采的爆破扰动,严重影响其稳定性。基于KCC(Karagozian and Case Concrete)本构模型和ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)流固耦合算法,采用LS-DYNA软件开展胶结充填体受邻近矿房爆破扰动的数值模拟研究,考虑不同边孔间距(0.6、1.2、1.8、2.4 m)及养护龄期(14、21、28 d)影响,揭示充填体中爆破波传播规律,探究爆破扰动对胶结充填体的动力响应及其失稳破坏情况。结果表明:邻近采场爆破对胶结充填体的破坏损伤主要集中在边界处,为提高矿石回收率并保证充填体安全,建议采用边孔间距1.2 m方案;矿山爆破开采中充填体至少需要养护21 d;低龄期充填体矿柱顶底部区域是整个矿柱中的薄弱部分,易发生失稳,应予以重点监测。

基于某复杂地层深基坑降水开挖数值模拟分析

本文以长春某深基坑项目为例,利用Midas GTS NX软件对施工过程进行模拟。研究降水开挖对地表沉降、坑底隆起、围护结构的变形影响以及分析不同桩径、降水对基坑开挖的影响。结果表明,围护结构最大变形与最大地表沉降随开挖深度不断增大,最大变形位置与开挖深度之比分别为0.72和0.63;富水砂层地区基坑降水开挖后地表沉降、围护结构变形降水关系占比较大;适当改变桩径可以减小围护结构的水平变形,此次建模也验证模型的准确性。

桃源枢纽河段通航水流条件数值模拟

针对桃源枢纽船闸存在的碍航问题,以沅水桃源枢纽二线船闸建设工程为项目依托,采用二维动力学数值模拟方法对桃源枢纽—周文庙水文站河段通航水流条件进行研究。基于对多工况水深、水位、流速等参数的分析,进而研究枢纽与坝下航道的通航水流条件和碍航滩段,并根据滩险问题提出挖槽疏浚等航道整治措施。结果表明:在现有地形条件下工况1(Q=217 m^(3)/s)和工况2(Q=380 m^(3)/s)在距桃源枢纽0~20 km河段和80~95 km河段碍航问题突出,当流量大于工况3(1 233 m^(3)/s)时满足Ⅲ级航道尺度要求。经数学模型验证,对碍航滩段进行拟定的挖槽疏浚等措施能够有效改善航道的通航水流条件。

半封闭海湾三维数值模拟及水质时空分布特征研究

掌握典型半封闭海湾的水质时空变化对环境维护至关重要。文章建立了深圳湾三维水动力水质模型,对其进行了验证,并分析了水质的时空变化。结果表明,盐度从深圳河口至湾口递增,落潮时盐度最低,涨潮时最高;湾顶及浅滩水体交换能力弱,污染物易沉积,导致水体污染;深圳河和大沙河入海口的污染浓度高于其他区域,深圳河口磷含量最高,大沙河口氮含量最高。研究成果丰富了对半封闭海湾水质变化的认识,为环境管理提供了科学依据。

铁水包脱硫吹气赶渣工艺多相流数值模拟研究

近年来吹气加机械扒渣的涌动式扒渣工艺在生产中以除渣效率高、铁损少、成本低等优点得到应用。但对于该工艺的研究大都停留在基于实验室的简单研究和企业的经验积累,缺少理论上的支撑。以125 t铁水包为研究对象,采用数值模拟的方法对扒渣过程进行了研究,建立了铁水-渣-空气流动的三维数学模型,探究了喷枪吹气流量、插入深度、插入位置、渣层厚度等工艺参数对无渣层区域面积、长度、宽度和液面波动高度的影响,结果表明:喷枪吹气流量为300 m^(3)/h左右时,能达到较好的驱渣效果;喷枪插入深度在800~1000 mm时满足涌而不喷溅的条件,此时最有利于扒渣;喷枪插入位置为0.4P左右时,驱渣效果最好,最有利于扒渣。经过修正换算后,确定工业生产中最佳的喷吹气体流量约为100 m^(3)/h,最佳的喷枪插入深度范围为800~1000 mm,喷枪插入位置在距离后包壁600~700 mm处时能达到最佳的驱渣效果,提高扒渣效率,为铁水扒渣的实际工业生产提供理论依据,保证钢铁公司低硫钢的稳定生产。

基于COMSOL+PHREEQC耦合数值模拟的浸出试验--以内蒙古某铀矿浸出工艺试验为例

室内浸出工艺试验是联系科研和工业生产的必要环节,针对可地浸砂岩型铀矿浸出工艺室内试验条件与工业生产条件不同、物理试验组数多、矿岩采取困难等问题,提出了一套基于COMSOL+PHREEQC耦合的地浸采铀柱浸数值模拟模型构建方法,并以内蒙古某铀矿浸出室内试验(物理试验)为例,开展了物理试验与数值模拟试验对比研究。结果表明:采用基于COMSOL+PHREEQC耦合的数值模拟法,在酸法浸出室内柱浸试验模拟方面,具有良好的可行性;相同压力条件下,pH、U、Fe^(3+)、Ca^(2+)、SO_(4)^(2-)等溶出组分的浸出规律基本一致,峰值出现的时间相对较吻合;不同压力条件下,数值模拟模型的结果符合压力调节情况下的一般规律;所建数值模拟模型在U、Ca^(2+)浓度峰值大小方面尚存在差异,需要进一步完善模拟模型。

非均匀电场中水颗粒介电泳运动规律的数值模拟

针对管式电场破乳设备中常用的环形电极结构,在采用理论分析、微观观测实验验证计算流体动力学(CFD)数值模型准确性的基础上,开展了非均匀电场中水颗粒介电泳运动特性的数值模拟研究,考察了电场参数、水颗粒尺寸参数、物性参数等对其运动的影响规律。结果表明,随着施加电压占空比的增大,水颗粒瞬时速度波动幅度先增大后减小,在占空比为50%时波动幅度最大,总体呈现波动式增大;随着电场频率增加,水颗粒平均速度呈现先上升后下降的趋势,在电场频率为1000 Hz时水颗粒平均速度达到峰值,但总体来看电场频率对水颗粒平均速度的影响不大。水颗粒与环形电极中心距离减小时,水颗粒所处位置的电场强度和电场梯度增加,造成水颗粒平均速度迅速增大;水颗粒直径为0.3~1.0 mm时,随着水颗粒直径增大,介电泳力与阻力同时增大,但介电泳力作用更强,导致水颗粒平均速度增大。随着油相黏度增大,水颗粒速度快速减小,当油相黏度增大到大于50 mPa·s后趋于平缓。在介电泳力作用下,水颗粒向环形电极中心运动,促进了偶极聚结。该研究结果可为管式电场破乳设备的设计研制和优化提供理论依据。

连铸机拉速对钢水温降影响的数值模拟研究

在多流连铸生产中,各流钢水温度的一致性对生产稳定性和铸坯质量至关重要。文章通过跟踪测温及数值模拟,分析了调整拉坯速度引起的中间包水口流量变化对钢包至中间包过程的钢水温降和温度分布的影响。结果表明,随着总体积流量的减小、不同流体积流量梯度的增大、流量的变化程度的减小,钢水温降逐渐减小,中间包水口每一流钢液的温降逐渐稳定。

生物质致密成型模孔受力与数值模拟分析

分析了生物质致密成型单孔试验装置的受力状况,推导了成型模具内壁法向应力与外壁周向应变的关系式。结合有限元法对成型过程进行了数值模拟,以木屑为对象分析了压制速度和含水率对模孔内壁法向应力的影响,并进行了试验验证。结果表明,压缩速度和含水率都对模孔受力影响显著,压缩速度为80mm/min,含水率为10%时,模孔内壁法向应力最小。通过测量模具外壁周向应变来获得对应内壁法向应力这一方法是可行的,增大压缩速度、减小含水率均能使模孔内压减小。提出的方法对研究成型过程中物料与模具的接触、模具的应力场分布有重要价值。

渤海海冰漂移及其动力影响因子数值模拟研究

渤海作为中国重要的海上枢纽,每年冬季均会发生不同程度水位的海冰灾害,严重威胁区域经济健康发展。为研究渤海海域海冰的生长消融与动态分布过程,本文综合考虑潮流、风场、气温等影响因素,建立渤海海冰三维数学模型,对比分析潮流和风场协同作用,不考虑海冰运动,仅风场作用以及仅潮流作用工况下渤海海冰的运动过程。模拟结果表明:潮流的不对称性会造成海冰漂移,仅潮流作用下的海冰漂移具有明显周期性;渤海三个海湾海冰面积在1月25日—3月3日、1月12日—2月20日与1月16日—2月13日呈现明显周期性变化,对应周期为16、17和18 d;三个海湾仅有风作用时与潮流和风协同作用时的海冰面积变化趋势一致;风对海冰分布有重要影响,海冰所受主要风会对其造成同向输送;渤海海域冬季盛行偏北风,促进渤海海冰从近岸向海漂移,当风向一定时,风速变化引起不同厚度海冰的面积变化及质心位置改变;随着风速增大的加剧,东北风向对辽东湾海冰漂移影响最大,西北风向对渤海湾与莱州湾海冰漂移影响最大。本研究丰富了对渤海海冰演变机理与运动过程的科学认知,可为区域灾害防范与应对提供科技支撑。

锰基金属氧化物高温化学储热装置的设计与数值模拟

金属氧化物储热可与太阳能空气布雷顿发电系统结合,实现高质量发电和快速调峰调频。为满足空气布雷顿发电系统对储热装置的运行调节需求,构建了储热装置耦合流动换热和化学反应的数值计算模型,模拟与实验结果最大相对误差不超过6.2%。基于数值模型对一台锰基金属氧化物储热装置进行数值模拟,结果表明,储热装置等温线和等反应速率线均呈抛物线型,不同位置的温度曲线在还原和氧化反应温区分别出现“平台”区域,区域高度和长度受升降温速率影响。相较于纯显热储热部分,热化学储热装置的总储热容量提升了61.4%。研究结果可为太阳能空气布雷顿发电系统中金属氧化物储热装置设计和运行调控提供参考。

组合-填充药型罩成型及侵彻靶板数值模拟

针对聚能射流侵彻披挂爆炸反应装甲坦克顶部装甲的高效毁伤问题,提出了一种新型的组合-填充药型罩结构。采用非线性动力学分析软件AUTODYN-2D对射流形成和侵彻靶板过程进行了数值模拟,并分析了填充物材料和起爆方式对射流成型的影响以及炸高对侵彻性能的影响。研究结果表明:所提出的组合-填充药型罩可以形成首尾相连的两级串联射流,填充物采用铝和特氟龙时射流成型效果较好,但铝成型更加稳定;点环起爆形成的射流动能比单独点起爆形成的前级射流动能提高67.06%,后级射流动能提高29.51%;在炸高区间为2~6 CD(装药直径)时,成型射流均可以侵彻披挂爆炸反应装甲的坦克顶甲,并保持一定的剩余头部速度,且最佳炸高为5 CD。本研究对反披挂爆炸反应装甲坦克顶甲的新结构药型罩设计具有参考意义。