Numerical Simulation and Experimental Study on the Performance of Gas/liquid Spiral Separator

The gas/liquid spiral separator, a key component in the compressed air system, was used to remove liquid and oil from gas stream by centrifugal and gravitational forces. To optimize the design of the separator,the relationship between the performance and structural parameters of separators is studied. Computational fluid dynamics (CFD) method is employed to simulate the flow fields and calculate the pressure drop and separation efficiency of air-liquid spiral separators with different structural parameters. The RSM (Reynolds stress model)turbulence model is used to analyze the highly swirling flow fields while the stochastic trajectory model is used to simulate the traces of liquid droplets in the flow field. A simplified calculation formula of pressure drop in spiral structures is obtained by modifying Darcy's equation and verified by experiment.

高超声速大动压下整流罩分离测力风洞试验

针对高超声速试验模型整体式整流罩的反推火箭拔罩分离问题,开展了反推火箭喷流模拟方法和风洞测力试验装置设计研究,试验模拟了马赫数5、动压33 kPa时整流罩反推喷流干扰效应和分离距离影响,获得了反推喷流和分离距离影响下的整流罩气动特性。试验研究表明:反推火箭拔罩分离过程中,喷流干扰作用主导了整流罩的气动特性,使得法向力系数、轴向力系数和俯仰力矩系数分别出现了44.5%、32.4%和198.6%的最大变化量;在负迎角下,整流罩压心前移显著,使得静稳定设计的整流罩呈现出静不稳定性,不利于整流罩安全分离;分离距离越大,分离距离变化对整流罩气动特性的影响越弱;将分离初始迎角限定为小的正迎角,整流罩在分离过程中容易保持姿态稳定,有利于整流罩安全分离。

喷水推进器进水流道格栅流固耦合特性研究

为了研究格栅部件对喷水推进船舶效率的影响,本文拟采用流固耦合的数值计算方法系统地对格栅表面受力及其强度特性进行计算,结合有限元方法和流固耦合理论,以STARCCM+和ABAQUS软件为工具,根据目前已知的格栅剖面设计方法,对目前格栅的剖面形式进行改进,形成新型对称剖面形式的格栅。基于上述计算流体力学与流固耦合计算方法对其进行周围流场、结构静力强度、结构动力强度进行计算与分析。结果表明:对称形式的格栅剖面对于降低格栅的变形与应力水平有一定的帮助,采用新型对称形式的剖面结构使格栅总体变形模式发生了变化,但是最大变形位置与最大应力出现在格栅的位置未发生明显变化,新型对称剖面形式格栅具有比较好的静强度与动强度特性,各栅条均匀承受流体载荷。

基于动态仿真系统的空分及高压氮气管路节能优化研究

针对国内首台整体煤气化联合循环电站,建立了关于该电站空分设备和全厂主要高压氮气使用设备及管路的实时动态仿真系统。在不同负荷下稳态运行的仿真测试表明,建立的实时动态仿真系统对于现场运行状态的仿真结果误差小于5%,表明该仿真系统具有较高的精度,能够用于对实际物理过程的仿真。利用该实时动态仿真系统对新增氮气储罐布置于原有空分至高压氮气缓冲储罐之间的管路来收集放空氮气同时平稳原有高压氮气管路压力波动的改造方案进行了研究,结果表明改造方案相比现有方案可以减少高压氮气管路系统压力波动范围,且串联布置方式优于并联布置方式。

低压损管式动态旋流分离器分离性能数值模拟研究

为降低分离过程中压力损失,减少动态旋流分离器的能耗,从旋流和泵送相结合的理念出发,提出了一种低压损管式动态旋流分离器,并构建了低压损起旋叶栅设计模型。采用计算流体动力学数值模拟方法,探讨了不同转速下同向收油和逆向收油型低压损管式动态旋流分离器的分离性能,发现较同向收油型低压损管式动态旋流分离器,逆向收油型可及时排出汇聚在叶栅出口处的高浓度油相,当叶栅转速高于800 r/min时分离效率更高。进一步分析了含油浓度、入口流量等操作参数及分散相密度和分散相粒径等物性参数对逆向收油型低压损管式动态旋流分离器分离效率的影响,结果表明:对于分散油相密度为871 mg/m3、粒径为158μm的含油污水,保持叶栅转速不变(1400 r/min),当入口流体含油浓度小于200000 mg/L、流量小于设计流量的1.8倍时,其分离效率稳定在95.5%以上,当入口流体含油浓度大于200000 mg/L或流量大于设计流量的1.8倍时,随含油浓度和流量的增加,分离效率迅速降低;分散相密度增加、粒径减小,低压损管式动态旋流分离器分离效率均逐渐降低。在此基础上,提出了可分离无量纲数(Se)的概念,并用之定量分析了低压损管式动态旋流分离器在高分离效率下,分散油相密度、油滴粒径以及叶栅转速3个重要参数的耦合关系;通过将其与已有文献实验数据所推算的最佳分离区间进行对比,间接验证了数值模拟结果的可靠性。本研究成果为低压损管式动态旋流分离器的研发提供了参考。

新型动态旋流器流体仿真分析

该文构建一种新型复合式动态旋流器,通过电机控制使主轴带动4个动态旋流器单元同时工作,提高装置分离效率。应用Fluent软件,采用多相流中的VOF模型,对油水混合液分离进行数值模拟并对内部流场进行仿真分析。结果表明,当新型动态旋流器的入口流量为1.8 m3/h,滚筒的转速为750 r/min时,对油量占比49%的油-水混合液分离效率达到78%。动态旋流器中的油先由小颗粒逐步聚集成团状后和水形成明显的界限,切向速度对动态旋流器分离性能影响较大,转筒壁面附近的湍流强度较高。

基于CFD不同边界条件下气力输运装置内流场变化研究

采用计算流体动力学方法(CFD)对气力输送装置内的压力变化和流场变化进行研究。通过实验测得的压力值对数值计算结果的正确性进行验证,在此基础上,分别研究在不同边界条件下,重力式卸料器和旋风分离器中压力的变化和流场中的速度变化。结果表明,重力式卸料器和旋风分离器在不同进口边界条件下压降的比值是不变的。

航空动压式油气分离器流场特性分析

动压式油气分离器因为其结构简单、可以内置于航空发动机内部等优点,广泛应用于航空航天领域中。因为两相流动过程中气泡或液滴的碰撞、破碎、聚合等行为非常复杂,使用Fluent软件探究动压式油气分离器流场特性以及分离机理,采用容积法测量分离器分离效率,通过液体含气率和气体含气率的测定,表征了分离器性能的变化情况。借助物理模型的建立,考虑航空滑油粘度及马赫数影响,计算了动压式油气分离器内部流场,获得分离器内部流场各个截面的切向速度、轴向速度以及内部流场的分布规律,为后续其结构改进优化提供了支撑。

煤矿特大动力突水动力冲破带形成机理研究

由于地下开采活动,致使在整体块状结构坚硬岩层中产生弹性能积聚,当弹性能积聚到一定程度时,坚硬岩层产生动力失稳,瞬间释放巨大动能,致使在坚硬岩层附近的含水层中产生超高水压,并在含水层与采掘临空面之间,产生瞬间冲破导水通道,产生动力突水。以海孜煤矿为例,通过现场勘查和数值模拟分析了离层产生的地质条件和主要因素,测试了坚硬岩层的冲击倾向性指标(tD,WET,KE),并设计和实施了冲击动力作用下反应超静水压力大小的试验,在此基础上基于爆炸力学的理论初步研究了动力冲破带的形成机理。

脱硫吸收塔除雾器性能的实验研究和数值模拟

实验研究了不同操作条件、板片型式及板间距对除雾器除雾效率及压降的影响规律，并采用计算流体力学（CFD）方法对除雾器内流场进行了数值模拟与分析。研究结果表明，操作条件对压降和流场影响较小，而板片型式特别是迎风面的几何结构是影响流场与压降的关键因素；随着气速的增大，除雾效率增高，但当气速增到某一临界值（4～5m／s）后，除雾效率随着气速的增大而迅速减小；除雾器压降的数值模拟结果与实验值吻合良好；除雾器内存在2个回流区，回流区足产生除雾器临界气速的重要原因之一。研究结果可为除雾器优化设计提供指导。

六级预热器优化的数值模拟

采用雷诺应力模型(RSM)及离散相模型(DPM)对水泥窑六级预热器及其优化改进的预热器系统内流场、换热效果及物料分离效率进行了模拟计算及研究分析.结果表明:优化改进后的六级预热器系统压力损失较原系统降低约13.8%,而预热器出口温度仅上升1.7%,系统分离效率降低1.4%,说明优化后的预热器系统性能明显优于原系统.流场模拟计算的结果表明:优化改进后的旋风筒下锥体内的局部涡流减弱,有助于减小其底部飞灰的二次飞散问题,从而可有效防止其分离效率的降低;切向速度减小,旋风筒的压力损失减小,颗粒受到的离心力也减小,但准自由涡的区域有轻微的增大,因此其分离效率变化不大.

利用ASPEN-ADSIM模拟变压吸附分离过程

参照变压吸附气固相平衡图,利用ASPEN ADSIM流程模拟软件建立一个虚拟的三组分体系单塔变压吸附分离模拟模型。模型模拟得到了塔内气相组成、出口浓度、塔的压力状态等的动态结果,揭示了在升压、吸附、降压、冲洗等步骤中吸附塔内气相的变化过程,很好的描述了变压吸附分离过程。该模型通过结合具体物性参数,能够为实际工程分离方案选择、步骤设计提供模拟和预测。

真空压力对油水分离的影响研究

为了获取真空压力对油水分离动态特性的影响规律,考虑了油水汽三相流、水滴蒸发相变等因素,建立了滤油机的油水分离流场的数学物理模型以及水滴运动蒸发的相变方程;分析了不同真空压力对油水分离过程中的油水汽三相体积分数分布以及轴向脱水率的影响规律,表明了不同真空压力情况下油水汽三相流的动态特性,且真空压力会显著影响油水分离的脱水效率,对深入研究滤油机的油水分离机理奠定前期基础.

动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性

深部岩体工程中,锚杆在围岩变形后处于高承载应力状态,受到爆破振动、矿震等动载荷作用后极易失效,因此,亟待研究动力扰动下锚杆的力学响应机制。基于SHPB试验平台,自行研发了一套研究锚杆动力响应的试验装置,开展动力扰动下全长黏结锚杆的力学响应特性研究。结果表明:初始动载荷作用下锚杆滑移量随着入射能的增加而增加,锚杆中应力波的波峰值随着传播距离的增加而逐渐减小,当应力波传播至锚杆最里端时,应力波峰值衰减较大;第2次动载荷后锚杆SG1处与SG2处应力波峰值差明显比第1次减小,表明动载荷下锚固界面从锚杆外端开始损伤;锚杆失效与锚固界面损伤有关,锚杆承载后初次受到动载荷的影响导致锚固界面产生损伤,损伤锚固段又受到外部载荷(如二次冲击、岩体挤压)作用时会进一步劣化,其不能抵抗围岩的变形而失效。研究结果为揭示锚杆支护失效行为,采取合理的设计与施工提供新的思路。

被动围压下层理角度对页岩动态强度及耗能的影响

页岩在围压条件下的动力学特性,对页岩的高效致裂至关重要。采用分离式霍普金森压杆(SHPB)系统对页岩进行冲击试验,分析被动围压条件下页岩试件的强度特征、损伤特性和能量耗散规律。试验结果表明:在不同应变率下,页岩的损伤程度随冲击速度的提高显著提高,试件承载能力降低;在被动围压条件下,岩石材料的延性和抗破坏能力均得到提高,页岩从无围压条件下的脆性破坏向延性破坏过渡,页岩试件的屈服强度提高2.25~3.06倍,轴向应力峰值为无围压条件下的1.8~2.5倍;在被动围压条件下,页岩试件的能量耗散随平均应变率增大呈线性增长,在试验应变率范围内(ε=97~520)具有显著应变率相关性;页岩具有显著的横观各向同性特征,层理角度对页岩试件的强度特征、能量耗散和损伤特性均有显著影响。

无导叶离心泵蜗壳内低频压力脉动分析

为探究无导叶离心泵蜗壳内低频脉动的产生机理及该低频脉动对蜗壳内各监测点压力脉动的影响,采用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术,在与试验结果对比分析验证模型计算精度的基础上,进行3个不同工况下的非定常压力脉动计算,其中湍流模型选用剪切应力输运(Shear stress transport,SST)模型,分析结果表明,蜗壳出口段因流线扭曲会产生一个低频脉动,出口段测点的主频等于该脉动的频率,且该低频脉动会对蜗壳内其余测点产生近乎一致的影响,使各点在该频率下具有相近的压力系数,其值与出口段的流动分离直接相关;各点脉动存在两个明显频率:低频与叶频;蜗壳隔舌附近的横截面上存在因流线扭曲产生的漩涡,其频率即为蜗壳出口段低频脉动的主频,从而证明因流线扭曲产生的漩涡为低频脉动产生的根本原因。

动压巷道离层变形特征及支护技术研究

为了对比分析不同支护方式下围岩离层变形过程的差异,以铜川矿区复合顶板动压巷道为例,在同一回采巷道内分别设置工字钢棚试验段和锚杆支护试验段,采用巷道矿压在线监测系统实测两种支护方式下围岩离层变形的动态过程,探究不同支护方式下的围岩变形机理,为确定合理的巷道支护方式提供依据。实测结果表明:主动支护和被动支护时动压巷道离层变形过程有本质区别,在锚杆支护地段深部与浅部围岩以同步变形为主;而在工字钢架棚支护段,深部与浅部围岩的位移量差别较大,出现了较大的离层空间,棚式支护不能满足围岩变形要求。根据试验巷道围岩支护体的信息反馈结果,动压巷道应该采用主动支护方式,据此采用高预应力强力一次支护理论进行了动压巷道支护方案优化设计,改进后的支护方案能够满足动压巷道的支护要求。

超声速飞行器头罩分离风洞投放模型试验

采用风洞投放模型试验方法对稠密大气层内超声速飞行器两瓣罩旋转分离的运动特性进行研究,试验复现了飞行器两瓣罩旋转分离的整个动态运动过程,并得到飞行器头罩分离后两瓣罩运动轨迹和姿态角的变化规律,试验马赫数Ma=1.5。研究表明:飞行器两瓣罩在预置弹簧力作用下张开一定角度,气流进入两瓣罩腔内后压力迅速升高,高动压气流会对两瓣罩在分离过程中的受力情况产生重要影响,当两瓣罩根部与弹体间的铰链在临界解锁角η0分离进入"自由飞行"阶段后,两瓣罩的运动轨迹和姿态角主要由气动力控制;弹体飞行迎角α=0°时,上下两瓣罩的运动轨迹和姿态角基本对称,弹体飞行迎角α=-5°时,上下瓣罩的运动轨迹和姿态角明显不对称性,弹体迎角α对两瓣罩分离特性影响比较显著。

航空动压式油气分离器分离性能的实验研究

为了研究航空发动机动压式油气分离器的分离性能,采用容积法判别分离效率,并以此为据对结构形式、筒体直径及长度、入口管倾斜角和出气管长度等因素对分离性能的影响进行了研究.结果表明：采用内置式出气管与切向出油管相结合的形式,可使分离性能达到最佳;实验工况范围内,大的筒体直径更易于油气分离;入口管倾斜角存在最佳值,其值在10°~15°;当出气管长度取0.2~0.22倍分离器长度时,分离性能最佳;分离器长度过长会降低分离性能,实验条件下选5倍筒体直径为宜.

动压式油气分离器特性的量纲分析

为了研究动压式油气分离器的分离与阻力性能,本文基于航空发动机滑油系统实验台,采用量纲分析方法建立了适用于工程应用的4种动压式油气分离器分离特性和2种阻力特性预测模型。误差检验分析和实验结果表明:4种分离特性预测模型的最大误差均小于5%,平均误差小于3%,最小二乘法得到的模型精度更高,逐步选择法则更简洁;2种阻力特性预测模型的最大误差均小于5%,平均误差小于2%,前向选择法建立的模型更优;模型适用工况为:滑油流量4.5~7.0 L/min,气液掺混比1∶1。