Numerical simulation of water-slag elbow erosion-inhibiting by regulating the slag injection position with a novel preceding rotating sheet structure

The elbow erosion seriously jeopardizes the safe and stable operation of water–slag discharge pipeline of the coal gasification system.This work simulated water–slag elbow characteristics with various slag injection positions by simulating five simplified and representative erosion categories,including A-type horizontal-vertical elbow with an upstream flow,B-type horizontal-vertical elbow with a downstream flow,C-type vertical-horizontal elbow with an upstream flow,D-type vertical-horizontal elbow with a downstream flow and E-type horizontal-horizontal elbow.Compared with the C/D-type elbow,where particles were injected uniformly,the A-type elbow and E-type elbow were found to increase erosion rate,while the B-type elbow decreases erosion rate.An interesting discovery is that the elbow erosion rate is relatively low for small particles when particles are injected from the middle and bottom positions of the inlet section of the elbow.Based on the observation,a novel preceding rotating sheet structure was developed to regulate the particle injection position.It shows an excellent anti-erosion performance by reducing the maximum erosion rate of particles with diameters of 50,100,and 200μm by 23%,35%,and 43%,respectively.

直角弯管结构改进及冲蚀磨损特性分析

为减小弯管的冲蚀磨损,改进普通弯管结构形成弧形、梯形和矩形弯管,利用Fluent中DPM模型、湍流模型和冲蚀磨损模型对4种弯管进行数值模拟计算。结果显示:弧形、梯形和矩形弯管的抗冲蚀性能较普通弯管分别提高14.54%、3.73%、12.38%,4种弯管的冲蚀分布均呈现椭圆形和V形形貌,冲蚀磨损相比于普通弯管明显减轻;4种弯管的最大冲蚀速率随流速、含砂量的增加而增加,但冲蚀区域不随流速、含砂量的变化而变化,不论流速、含砂量为何值,弧形弯管最大冲蚀速率<矩形弯管<梯形弯管<普通弯管;弧形底长、弧形高度、排列间隔三个因素对弧形弯管最大冲蚀速率的影响为弧形高度>排列间隔>弧形底长;弧形弯管抗冲蚀性能最佳组合为弧形底长3 mm、弧形高度2 mm、排列间隔3 mm,抗冲蚀性能较普通弯管提高22.60%。该结果可为弯管的冲蚀防护和结构设计提供新思路。

具有花瓣形结构的弯管抗冲蚀特性研究

冲蚀破坏是气固两相流弯管中的常见问题,其直接关系到管路系统的正常运行及管道寿命。针对此问题,提出一种内壁具有花瓣形的弯管结构,以提高弯管的抗冲蚀特性。采用CFD-DPM方法对该弯管结构气固流动特性进行了分析。分析结果表明:不同位置花瓣形结构具有与普通弯管相同的“V”形冲蚀分布;当位于颗粒壁面第一次碰撞之前,可以改变颗粒轨迹并在背部形成循环区,一定程度上抑制冲蚀;花瓣形结构最佳抗冲蚀位置为θ=20°且该位置不随流速和颗粒质量流量的变化而变化,相比于不具有花瓣结构的普通弯管,抗冲蚀性能提高17.27%。这种结构可提高弯管的抗冲蚀性能,延长管道寿命。

基于骨架提取的弯管类结构无支撑3D打印混合切片方法

弯管类结构存在丰富的悬空部位,采用传统熔融沉积3D打印技术制造需要消耗大量支撑,影响成本与成型表面质量。基于此,提出一种用于弯管类模型的骨架提取方法及相应的混合切片算法。与现有的简单沿骨架法面切片或分区多向切片技术不同,该方法充分利用弯管STL模型点云特点提取骨架和模型分层信息,引入干涉检查与切片路径检查,采用沿骨架法面切片与圆弧切片结合的混合切片方式,完成模型无支撑打印切片。最后,算法在4类模型上进行了切片仿真实验,验证其有效性和可行性。

Flow-induced Noise and Vibration Analysis of a Piping Elbow with/without a Guide Vane

The effect of a guide vane installed at the elbow on flow-induced noise and vibration is investigated in the range of Reynolds numbers from 1.70×10^5 to 6.81×10^5, and the position of guide vane is determined by publications. The turbulent flow in the piping elbow is simulated with large eddy simulation （LES）. Following this, a hybrid method of combining LES and Lighthill＇s acoustic analogy theory is used to simulate the hydrodynamic noise and sound sources are solved as volume sources in code Actran. In addition, the flow-induced vibration of the piping elbow is investigated based on a fluid-structure interaction （FSI） code. The LES results indicate that the range of vortex zone in the elbow without the guide vane is larger than the case with the guide vane, and the guide vane is effective in reducing flow-induced noise and vibration in the 90° piping elbow at different Reynolds numbers.

基于非光滑表面的反循环钻井弯管抗磨实验

气体反循环钻井技术存在弯管刺漏问题,严重降低了钻孔时效。该文将仿生学中非光滑表面形态引用到弯管抗磨分析上,设计出具有一定分布特点的非光滑表面结构。搭建反循环钻井弯管非光滑表面抗磨实验系统,井底流场模拟器可还原携带岩屑的高速气流在井内的循环流场,对不同非光滑表面实验元件进行抗磨性分析。结果表明,圆形凹坑非光滑表面结构抗磨性最佳,并且凹坑直径越小、凹坑越密集,其抗磨性越好。改进弯管结构,在刺漏点增加可更换的盖板,并将弯管内壁面和盖板底面分别加工成凸C、沟C、凹C非光滑表面,相同钻井条件下,凹C弯管抗磨性最大。实践表明,改进后弯管抗磨性增加,钻孔时效显著提高。

弯管颗粒预分布结构对旋流器性能的影响

旋流器在进行延迟焦化废水焦粉脱除领域具有多重优越性,为保证旋流器结构不改变条件下提高旋流器脱除焦粉的能力,提出了在旋流器入口处设置弯管预分布结构以实现进口颗粒的预分布,即实现颗粒沿旋流器柱段的外壁面进入旋流器,提高旋流器的分离效率。通过试验验证了优化后旋流器在高进口流量条件下能有效提高旋流器分离效率,同时降低旋流器的压降;利用FLUENT软件对不同入口流量下旋流器内部流场进行分析,设置预分布结构后,旋流器内部切向速度增大且改善了切向速度的对称性,同时改善了轴向速度分布状态,降低了入口横截面的湍动能,分离效率最高提升至96%,结合多项流场参数分析结果显示,优化后旋流器具有更高的动态效率。

基于摇杆滑块机构的外骨骼肘关节优化设计

针对当前上肢外骨骼肘关节活动范围受限和助力效果不佳的问题,设计了一种基于摇杆滑块机构的上肢外骨骼。通过D-H参数建立上肢体外骨骼机构的运动学模型,对其工作空间进行了分析。基于摇杆滑块机构进行上肢体外骨骼的结构设计,并对其进行力学分析,为气缸选型提供依据。基于ADAMS软件建立的参数化模型进行上肢体外骨骼肘关节尺寸优化,优化后的肘关节运动范围提升显著。通过ANSYS软件对关键部件进行了强度校核,搭建物理样机采集上肢肌电信号进行助力性能评估,验证了上肢体外骨骼机构具有较好的助力效果。

大型尾矿浓密机沉降效率提升的改造研究

针对刚果(金)某铜钴矿山的浮选尾矿Ф66 m浓密机在生产过程中出现的“压耙”“跑浑”“电机过载”等问题,结合该矿山实际情况,将管道弯头处改为方箱结构,并采用复合高分子陶瓷耐磨材质;增加絮凝剂投加点,保证絮凝剂在给料井中能够分布均匀;加强耙架支撑条件,保证耙架水平稳定。经过改造,该厂浓密机的沉降效率得到了提升,浓密机底流质量分数由40%提高到60%,矿浆处理量由2579~3152 m^(3)/h提升至3500 m^(3)/h。

弯管冲蚀失效流固耦合机理及数值模拟

针对流体输送管道失效研究中存在的问题,主要研究腐蚀与流体流动的交互作用对管道冲蚀破坏的作用机理。建立流固耦合数理模型,推导出在任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrange-Euler,ALE)描述下的粘性流体N-S方程和腐蚀产物保护膜固体区域的控制方程,分析管壁边界层多相流介质流动与腐蚀产物保护膜破损之间的耦合作用。以弯管的冲蚀失效为例,结合弯管的结构特性、多相流的物性参数,运用ANSYS有限元分析软件,采用物理环境顺序耦合法进行流固耦合数值模拟,分析管壁腐蚀产物保护膜的变形程度和受力状态,判定弯管冲蚀破坏的危险区域和失效趋势;现场测厚数据与仿真计算结果基本吻合,验证仿真计算的可靠性和可行性,该方法可用于管道输送系统的风险预测、安全评估和工艺改造。

网球肘的成因及其与解剖结构的关系

目的从解剖学的角度来分析、探讨“网球肘”运动损伤的机制,最大限度的预防“网球肘”的发生。方法选择新乡医学院2003级、2004级、2005级本科学生和职工共计1 168人进行问卷调查和访问。结果1 168人中,432人患有不同程度的“网球肘”,高达36.98%,其中尺侧副韧带损伤63.42%,桡侧副韧带损伤31.25%,多部位损伤5.32%。结论在“网球肘”运动损伤中,尺侧副韧带损伤发生率较高,根据肘部解剖结构分析,“网球肘”是可以预防的。

基于肘体结构的载荷标定试验研究

根据坦克车辆平衡肘体的空间力受载分析 ,直接采用其结构部件作为测量传感器 ,通过应变片布置、桥路设计和载荷标定 ,建立实测载荷的输入与输出关系方程 ,以此来获得坦克车辆行走部件在实际工作中的随机载荷—时间历程 ,为其肘体结构可靠性设计和全尺寸结构模拟试验提供科学依据。

基于数值模拟的输气弯管抗冲蚀结构优化

从气井中开采出来的天然气不可避免地会携带固体杂质。这些固体杂质会对集气管线产生冲蚀损伤,弯管处尤甚。在现有弯管冲蚀规律基础上,为了更直观地找出冲蚀形貌,有针对性地提高弯管抗冲蚀性能,对常规输气弯管进行冲蚀规律的数值模拟研究,采用离散相(DPM)模拟离散颗粒的运动并选用Tulsa大学(E/CRC)提出的冲蚀磨损预测模型,通过试验对比验证了模型的可靠性。根据冲蚀磨损主要发生在弯管45°~55°处的特征,设计了3种优化弯管结构(渐扩弯管、突扩弯管、加导流片弯管)来减缓弯管处的冲蚀磨损。结果表明:与等直径弯管相比,在相同运行工况下,渐扩弯管和加导流片弯管的最大冲蚀率分别减少了64%和34%,而使用突扩弯管反而会加剧弯管处的冲蚀。该结论可为弯管的抗冲蚀结构优化提供理论依据。

助力油管自动脱模机构及注塑模具设计

针对三维助力油管塑件的形状特点,设计了一种两板式单次开模两次顶出结构注塑模具,以实现塑件的自动化注塑生产。塑件模腔的浇注采用单侧端两点潜伏式冷浇口进浇。针对塑件脱模困难的问题,设置了3个脱模机构以实施塑件的脱模,第一个机构为哈夫滑块机构,实施既定分型设置下塑件局部区域的双侧分型脱模;第二个机构为油缸驱动的第一段弯管抽芯机构,实施塑件第一段弯管的旋转抽芯脱模;第三个机构为两次顶出驱动下的两步顶出机构,实施塑件第二段弯管的顶出抽芯脱模。第三个机构中,先利用第一次顶出将塑件从型芯上顶出,将塑件留于弯管型芯上,而后在第二次顶出中,通过一个外设的斜顶杆将塑件从第二段弯管型芯上顶出,从而实现塑件的完全脱模。脱模机构设置合理,有利于简化模具结构及降低模具的加工制造难度,有较好的工程设计参考意义。

基于CFD的排屑管路弯头局部冲蚀磨损研究

排屑管路弯头磨损失效是气体钻井中的常见问题,严重影响钻进效率.为深入研究弯头磨损机理,采用计算流体动力学CFD软件对弯头内气固两相流场进行了数值模拟研究.研究结果表明,高速气流携带岩屑经过弯头时,受惯性力作用,岩屑颗粒在外壁面一侧汇聚,造成管壁冲蚀磨损,磨损区域位于弯头30° ～ 60°转角位置,弯管磨损速率的最大值远高于其平均值,说明弯管局部刺漏要远早于弯管的整体磨损失效.根据弯头磨损分布特点,对排屑管路弯头进行结构改进,在壁面主要磨损位置设置挡板.现场试验结果表明,连续钻进80 m,弯管没有刺漏,钻进效果显著提高.

输液管路弯头固-液耦合动力学研究

研究一种新型输液管路弯头,对其固-液耦合动力特性进行了数值计算,分析了导流器不同结构参数对其导流特性的影响,并校准了输液管路弯头的强度与刚度要求。研究结果表明:原始弯头的内部总压差为29 506.27 Pa,最大变形量为2.068 9×10-5m,其变形方式是两侧拉长,中间向里凹,呈双椭圆形,对弯头具有"拉直"效应;当导流器按黄金比例排列,片数N为2,横截面弯曲半径R为200 mm,出口延长度L为40 mm设计时,其内部总压差为10 707 Pa,比原始弯头减小了63.71%,该优化结构的最大变形量为3.303 9×10-4m,亦能满足强度与刚度要求,由于导流器弧度的存在使得导流器向外侧偏移而变形。

管道结构对氢/空预混气体爆炸特性影响研究

为研究管道结构对氢-空预混气体爆炸特性影响,采用实验与数值模拟相结合的方法,分析不同管道结构内氢-空预混气体燃爆时火焰传播进程、爆炸压力、湍流动能变化及流场分布。结果表明:90°弯管对氢-空预混气体爆炸强度增强作用明显高于T型分岔管和直管。火焰阵面在结构突变处褶皱变形较明显,并出现大尺度强湍流和涡团,气团脉动速度与湍流燃烧速率不断增大,氢-空预混气体质量扩散速率与热量扩散速率增大,湍流动能呈迅速上升趋势。

半球形突起弯管冲蚀特性数值研究

目的设计一种带有半球形突起的表面结构,以减轻弯管在气固两相流中受到的冲蚀,并对其冲蚀分布和内部的流场结构进行分析。方法采用CFD-DPM方法,将气相作为连续相,颗粒作为离散相,结合双向耦合、RNG k-ε湍流模型、Finnie冲蚀预测模型、Grant颗粒反弹模型和粗糙度模型进行计算,将试验数据与计算结果进行对比,以此验证计算的精确性。结果标准弯管中,冲蚀主要发生的部位为外壁θ=50°至θ=65°,最大冲蚀速率为4.40×10^(-4)kg/(m^(2)·s)。对于表面突起的弯管,当突起位置θ=30°时,最大冲蚀速率达到最低,为2.82×10^(-4)kg/(m^(2)·s);当突起位置θ=75°时,最大冲蚀速率达到最大值,为6.61×10^(-4)kg/(m^(2)·s);突起上的最大冲蚀速率在θ=60°时达到最大,为4.99×10^(-4)kg/(m^(2)·s),其他位置突起的最大冲蚀速率均低于3.5×10^(-4)kg/(m^(2)·s),但平均冲蚀速率较高。结论在弯管表面的特定位置设置半球形突起,可以改变颗粒轨迹,降低二次流影响,并在其下游形成缓冲涡,从而对壁面起到保护作用。尤其是当突起位置θ=30°、半径r=D/7时最为明显,最大冲蚀速率相较标准弯管降低了37.05%。但随着突起位置的靠后,其保护作用也逐渐衰弱。

脉动内流作用下L型弯管应力&振动特性实验研究

为探究脉动内流对输流弯管流固耦合的影响,对不输送压力的脉动内流作用下,"L型"弯管的应力&振动特性进行了实验研究。实验结果表明:开泵阶段弯管弯折段上端面和外侧面的ε_(max)值(应变最大值)、a_(pp)值(径向振动加速度峰峰值)、S_(pp)值(径向振动位移峰峰值)均比平稳阶段的大,说明开泵时的"水锤效应"对弯管的影响程度大且不容忽视;开泵阶段和平稳阶段弯管弯折段上端面所受应力的波动幅度、a_(pp)值、S_(pp)值均比外侧面的大,说明上端面更容易出现应力疲劳破坏,且上端面径向振动更易造成管道系统的失稳;平稳阶段,随着P_(max)(最大输送压力)的增大,弯管弯折段上端面和外侧面的ε_(max)值增大,但增幅降低,a_(pp)值减小,S_(pp)值减小且减幅增大,说明随着P_(max)的增大,管道输流愈平稳,脉动内流与弯管的耦合振动强度逐渐减小。

单弯管系统直管段振动特性实验研究

单弯管作为管路系统的基本结构,其振动会影响管路系统的使用寿命。为了研究单弯管系统的直管段振动特性,针对管路系统的实用性,参考Davidson单弯管模型采用实验的方法建立单弯管测实验台架。通过改变压力、流量和弯管角度,获得单弯管系统直管段关键部位的应变和振幅变化规律,总结单弯管系统直管段的振动特性。由实验可知:同一工况下,90°单弯管系统直管段中点振幅分别比45°和60°的增大了约22.9%和92.3%;单弯管系统直管段最大应变发生在直管两端固定支撑处,同时直管中点应变也较大;60°单弯管系统直管段关键部位的应变及振幅相对45°、90°的更小,且波动性小,比较稳定,压强变化对其的影响也最小。