管内充分发展流动与传热数值模拟的教学方法探讨

由于缺乏数值计算的基础理论知识,工科本科生在学习流体流动与传热过程的数值模拟方法并进行程序设计时,往往觉得难度较大。本文围绕圆管内不可压缩流体充分发展流动与传热,采用边界层积分法,推导出无量纲控制方程组;针对层流工况和湍流工况,开发出相应的数值方法。基于该方法的程序代码易于理解,且计算结果表明该方法具有预测精度高、收敛速度快的优点。本文的工作可以为计算流体力学、数值传热学及热工计算等系列课程的本科教学提供参考。

深冲钢炼钢区段专线化层流运行模式实践

鉴于某钢厂深冲钢炼钢区段运行效率较低、能量耗散较大、过程稳定性较差等问题,对炼钢区段各工序内时间-事件进行解析,协调优化各工序作业时间;并结合生产线特点,构建“一对一”层流专线化生产路径。生产实践表明:采用专线化层流运行模式生产深冲钢,可避免前、后工序间交叉运行时铁素流在空间、时间、能耗上的不确定性;工序间链接时间缩短,炼钢区段总作业时间从247.9 min缩短至193.5 min;过程能量耗散减少,转炉终点温度从1671.7℃降至1653.9℃。

冷轧板边部表面色差缺陷原因分析及改进措施

针对生产st13镀锌用冷轧板边部表面色差缺陷问题,对热轧板和酸洗板表面粗糙度进行了检测分析,结果表明,热轧板边部与中间部位的表面粗糙度差异大是边部表面产生色差的主要原因。结合热轧板横断面的铁皮厚度,分析了钢板表面粗糙度差异大的原因。根据实际生产情况,调整冷轧末机架轧机负荷和优化板形,改善钢板表面的色差缺陷,通过合理匹配热轧卷取温度和层流冷却模式,解决了st13钢板表面的边部色差问题。

Carreau-Extended非牛顿流体圆管层流流动的摄动解

非牛顿流体在工业生产中应用广泛。文中基于同时包含屈服应力、时间常数和幂律指数的Carreau-Extended(简称Carreau-E)复杂流变方程及剪切应力与压降平衡关系,建立了圆管内充分发展的稳定Carreau-E流体层流管流的运动方程,并采用摄动方法推导出相应运动方程的一阶渐近解,获得了不同类型流体管流的速度分布以及压力梯度、流核宽度、屈服应力和时间常数对Carreau-E流体管流流场分布的影响规律,该研究对Carreau-E流体及其他复杂非牛顿流体管流特性研究具有参考价值。

H_(2)与氨混燃增强火焰燃烧特性模拟研究

氢和氨作为清洁能源受到广泛关注,为深入探究氢-氨混燃的燃烧特性和影响因素,本文借助Chemkin仿真平台建立相关反应模型,以氢-氨混合气体为燃料,空气作为助燃剂,采用Otomo等人提出的一种氨氧化机理对其燃烧过程进行模拟计算,并模拟研究了混合气体的点火延迟时间、层流燃烧速度、绝热燃烧温度、NO排放等燃烧特性随当量比、初始压力以及燃料中H_(2)比例的具体变化规律,对不同工况下的层流火焰结构、H和OH自由基的产率(rate of production,ROP)、NO生成的敏感度进行了化学动力学分析。结果表明:纯氨气体的点火延迟时间长、层流燃烧速度慢,掺氢后燃烧特性均有所改善,且提高了火焰的绝热燃烧温度,但掺氢比例越大,NO排放越多。NO摩尔分数随当量比变化的趋势先增后减,在当量比为0.8左右达到峰值。综合考虑氢-氨混燃的一系列燃烧特性以及掺氢、加压的成本和收益情况,推荐H_(2)占比15%、当量比φ=1.1、压力P=0.2 MPa为氢-氨混合燃烧的最优条件。

绕丝棒束组件过渡流摩擦阻力实验研究

绕丝棒束组件低流速下摩擦阻力是钠冷快堆堆芯热工水力研究的重点内容之一。通过对现有组件摩擦阻力系数公式应用于过渡流存在的问题、现有组件摩擦阻力实验在低流速时出现的不同摩擦阻力特性的分析讨论,以及对一个37棒组件低流速摩擦阻力的实验研究,提出了组件内流动的转捩特性和提高经验公式在低流速时计算准确性的有效策略。研究结果表明:绕丝棒束组件内流动转捩并不是同时发生,而是在部分子通道的局部先发生,随着流速的增加扩散到整个组件,只有当一定数量子通道都发生转捩时,棒束的平均摩擦阻力才会显著增加。绕丝棒束组件摩擦阻力系数公式应尽可能使用小的层流向过渡流转捩的临界Re和插值指数,使公式尽早开始转捩,并平滑向过渡流过渡。

环形间隙式层流元件设计及流量特性研究

为了解决传统层流流量计(LFM)线性度不佳、长径比较大、加工使用不便和结构易受流体影响等诸多问题,受双锥流量计的启发,提出了一种环形间隙式层流元件结构,介绍了测量原理和流道内非线性压力损失来源。保持该结构外套筒体和圆柱锥体同轴心,其流道截面为同心圆环,通过CFD仿真确定了锥形导流结构的合理锥形角度,确定了层流元件的尺寸参数。将取压孔设置在流道中充分发展的层流段,理论上消除了传统毛细管式LFM进出口处流动局部损失和层流发展段的动能损失。制作3种不同间隙大小的试件并进行试验,结果显示,当测量流量值小于53 mL/min时,层流元件的测量误差在3%以内;当测量流量值在(130~6189)mL/min时,测量误差在±2%以内;层流元件的压差和流量之间具有优秀的线性关系。说明环形间隙式层流元件结构可有效克服传统LFM的非线性影响,同时测量流量范围可随间隙大小变化而改变。

多元利益主体目标下的可重入层流手术绿色调度

针对考虑患者、医院、社会多方利益下的可重入层流手术绿色调度问题,提出了混合优化算法INSGAII-LS以同时最小化三个目标:平均患者术前等待感知时长、层流手术中心使用时长和层流手术中心碳排放。首先,算法创新设计了合作搜索策略、种群初始化策略、变尺度交叉与变异策略,LS深度搜索迭代策略,以增强解空间的搜索能力;然后,根据问题特点设计了数据驱动解码策略,并通过三种解码策略对比实验,验证了本文提出的解码策略的有效性;最后,通过不同规模数值实验和仿真案例测试了本文算法相比于其他有效算法(IMSSA,IMOGWO,NSGA-II)的优越性和稳定性。案例仿真发现,决定手术中心使用时长的关键因素是对患者的排序;而手术中心使用时长的缩短并不直接导致碳排放量的减少,还需关注手术室的累积碳排放量。因此,层流手术室的调度在层流手术规划中至关重要。研究结果可为层流手术绿色调度多目标优化提供方法借鉴和决策参考。

基于深紫外消毒的隔离层流床的研制

目的为满足临床上对隔离层流床的需求,设计并制造一款基于深紫外消毒的隔离层流床。方法利用深紫外消毒代替传统消毒方法,床帘选用磁吸开关,床帘和床顶连接选用带亚克力背胶的环保PVC材质的连接条达到床体全封闭,从整体上部进气、底部排气,利用ANSYS流体仿真,检测床体内部的层流效果。结果本设计实现床体全封闭隔离的效果。同时流体仿真结果表明床内层流效果良好。结论基于深紫外消毒的隔离层流床既满足隔离要求,又实现了良好的层流效果,具有一定的临床应用价值和意义。

火星超低雷诺数下螺旋桨气动性能研究

火星超低雷诺数环境导致螺旋桨系统气动特性相比于地球环境显著恶化,翼型表面层流分离现象影响了火星螺旋桨的气动特性.为设计出适应火星低雷诺数环境的螺旋桨,深入了解超低雷诺数对翼型气动特性的作用机理,采用Transition SST转捩模型求解非定常可压缩N-S方程的数值模拟技术,对几种适用于低雷诺数环境的翼型进行火星超低雷诺数环境下气动特性模拟计算,从而选取最适应火星大气环境的翼型.结果表明CLF5605翼型具有更好的气动性能.对选定的翼型进行不同超低雷诺数下气动特性模拟计算,揭示了超低雷诺数对翼型气动特性的影响,即在火星大气雷诺数范围内,更高的雷诺数对应更好的气动性能;对雷诺数从100~20000翼型表面边界层状态进行数值模拟,发现翼型层流分离结构发生显著变化,从低雷诺数下的层流边界层状态,随着雷诺数的增加开始发生层流分离,在翼型尾缘产生层流分离泡,并最终变成湍流边界层.采用最小能量损失的方法设计火星螺旋桨,对其气动性能进行了数值模拟仿真,并对轻量化制造的螺旋桨进行了地面台架实验验证,通过将地面实验结果与CFD数值模拟仿真结果对比,验证了螺旋桨轻量化设计合理性以及数值计算的准确性.

不同截面肋柱-软尾结构单相流动传热比较

基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法,利用动网格技术和重叠网格技术数值模拟研究了不同Reynolds数、截面形状以及长径比下的肋柱-软尾结构在通道中的双向流固耦合换热问题。模拟工况为:Reynolds数Re=200,275,351;肋柱截面形状:圆形和方形;长径比k=2,3,4。研究表明:Re=275时圆形截面肋柱-软尾结构的流动换热综合能力优于方形截面结构,k=3时圆形截面肋柱-软尾结构的流动换热综合能力最佳,肋柱周围的局部换热能力方形截面结构好于圆形截面结构;k=3时,随着Reynolds数的增大,不同截面形状的肋柱-软尾结构的流动换热综合能力逐渐升高,并且高Reynolds数、高长径比的圆形截面综合流动换热能力最佳;与不加软尾肋柱结构的流动换热能力进行对比发现,对于圆形截面形状的肋柱结构,增加软尾后综合换热能力增大了19.46%。

入住层流床的急性髓系白血病病人院内感染的发生情况及其与心理健康状况的相关性

目的:探讨入住层流床的白血病病人院内感染的发生情况及其与心理健康状况的相关性。方法:采用便利抽样法选取2021年5月—2022年12月中山大学肿瘤防治中心血液肿瘤科入住层流床的121例急性髓系白血病(AML)病人作为研究对象,所有病人均实施CAG方案化疗,化疗周期为14 d,统计病人化疗期间院内感染发生情况;所有病人均在入院时采用症状自评量表(SCL-90)评估心理健康状况。分析入住层流床的白血病病人院内感染发生情况及其与心理健康状况的相关性。结果:经统计,121例病人中发生院内感染68例,发生率为56.20%;感染组入住层流床时间在粒细胞缺乏后占比、营养状况、心理健康状况不良占比均高于未感染组,血清血小板计数及血红蛋白水平低于未感染组,差异有统计学意义(P<0.05);经点二列相关性证实,入住层流床AML病人院内感染与不良心理健康状况呈正相关(r=0.237,P=0.009);多因素Logistic回归分析结果显示,入住层流床时间在粒细胞缺乏后、存在营养不良风险或营养不良、心理健康状况不良是入住层流床AML病人院内感染的危险因素(OR>1,P<0.05);血小板计数及血红蛋白水平高是入住层流床AML病人院内感染的保护因素(OR<1,P<0.05)。结论:入住层流床的AML病人院内感染发生率较高,且其与病人心理健康状况具有一定的关联性;AML病人入住层流床时间、营养状况、血小板计数及血红蛋白水平是入住层流床院内感染的影响因素。

高压气井电缆作业密封失效解决措施

文章通过引入电缆运动增加密封脂消耗量和密封脂在注脂管线内的流动压降等影响密封的因素,分析了本次作业密封失效的主要原因。同时,提出通过控制影响密封理论参数等因素,如季节性温度变化、电缆结构和新旧程度及井内气体等,有效解决了本次作业密封失效的问题。

纵向肋强化波纹螺旋通道流动与传热性能

螺旋通道换热器广泛应用于农业工程领域,为了进一步提升螺旋通道的传热性能,该研究提出了一种带纵向肋的矩形截面波纹螺旋通道,数值研究了波纹数和纵向肋几何参数对通道内流体流动与传热性能的影响。结果表明:增加波纹螺旋通道的波纹数,使得通道在层流状态下产生了多涡结构,增加了通道的综合换热性能。在雷诺数Re=750,波纹数n=18时,相比于光滑螺旋通道,波纹螺旋通道内综合换热评价指标最高增加了27.66%。在此基础上,在通道内增加纵向肋,通过数值模拟观察到纵向肋诱导产生了纵向涡。在纵向肋高度不变的情况下,随着纵向肋宽度的增加,通道的综合换热评价指标存在最大值。当Re=250,肋宽为1/3通道宽度,肋高为1/16通道高度时,相比于波纹螺旋通道,纵向肋波纹螺旋通道的综合换热评价指标最高为1.157。在纵向肋宽度一定的情况下,增加纵向肋高度使通道的综合换热评价指标呈现先增大后减小的趋势。研究结果可为纵向肋波纹螺旋通道的设计及优化提供参考。

洁净层流手术间开放性脊柱手术中无菌灯柄细菌检出情况及危险因素分析

目的探讨洁净层流手术间开放性脊柱手术使用的无菌灯柄不同时段的细菌污染状况及危险因素,为及时更换灯柄及实施干预措施提供依据。方法选取在洁净层流手术间行开放性脊柱手术使用的275个无菌灯柄为研究对象,使用无菌棉拭子对灯柄外表面进行取样,对不同时段灯柄的细菌检出情况及危险因素进行分析。结果开放性脊柱手术使用的275个无菌灯柄中从手术3 h开始共有41个(14.91%)灯柄检出细菌;培养出53株细菌,其中大肠埃希菌17株(32.08%),所占比例最高。单因素及多因素Logistic回归分析表明,合并开放性外伤、手术时间≥5 h、术中出血量≥400 mL、术中使用无菌灯柄对灯次数≥10次、灯柄有明显的血液污染及手术间人员数量≥8名是导致灯柄检出细菌的危险因素(OR>1,P<0.05)。结论洁净层流手术间开放性脊柱手术使用的无菌灯柄细菌污染主要由大肠埃希菌引起,灯柄的细菌污染与开放性外伤、手术时间、出血量、使用无菌灯柄对灯次数、灯柄有明显血液污染及手术间人员数量等多种因素有关,建议手术时间超过3 h时应更换灯柄。

基于物联网技术的血液内科层流室设备智能管理系统构建与价值评估研究

目的:构建基于物联网技术的血液内科层流室设备智能管理系统,评估其在血液内科层流室设备管理中的价值。方法:采用前端感知器、集中器、后台数据库及Web程序等构建基于物联网技术的血液内科层流室设备智能管理系统。选取2021年11月至2023年10月空军军医大学唐都医院血液内科层流室常用的58台医疗设备,以时间为节点,分别采用线下管理模式和智能管理模式进行管理,自制满意度调查问卷调查参与设备使用管理的工程师、医护人员和患者对设备使用管理的满意度评分,对比两种管理模式中的设备使用效率、设备故障情况和维修管理效果。结果:采用智能管理模式的设备平均利用率平均数和成本收益分别为67.37±6.02和(53.67±5.71)万元,高于线下管理模式,而设备月使用平均波动率平均数为3.63±1.14,低于线下管理模式,差异均有统计学意义(Z=13.955、11.124、2.861,P<0.05);在研究期间共发生的160次设备故障中,采用智能管理模式后的设备操作不当、久用不护、配件损坏和其他故障分别发生8、14、6、1次,发生率分别为5.00%、8.75%、3.75%、0.63%,均低于线下管理模式,差异有统计学意义(χ^(2)=5.482、7.661、9.397、11.582,P<0.05);采用智能管理模式的设备平均维修时间和维修费用分别为(5.37±2.07)h和(1.39±0.85)万元,均低于线下管理模式,差异有统计学意义(t=7.108、2.492,P<0.05);设备管理工程师、医护人员和患者对采用智能管理模式的设备管理满意度评分分别为(92.87±7.09)分、(97.72±6.38)分和(96.27±5.34)分,均高于线下管理模式,差异均有统计学意义(t=12.732、9.765、7.133,P<0.05)。结论:基于物联网技术的血液内科层流室设备智能管理系统应用于血液内科层流室设备管理,可有效提升设备使用效率,降低设备故障率,减少设备维修耗时和费用,提高设备操作和使用人员满意度。

洁净手术室空调系统改善措施研究

为了减少手术过程中因空气细菌污染物引起的感染,提高手术成功率,要求通风空调系统要满足合适的手术室温度、湿度,并维持室内外合理的气流流向,从而减少室内细菌的浓度。按目前的研究情况,层流通风系统对降低室内悬浮菌和手术部位感染率是有效的;略高于50%的湿度可抑制细菌的滋生;手术室温度需同时满足医护和患者的需求,各国标准温度范围在19~26℃之间;采用循环风紫外线空气消毒方式显著减少空气中的总颗粒数和活颗粒数,进而降低手术患者的感染率。

层流床护理在化疗后中性粒细胞减少患者中的应用效果观察

目的:观察层流床护理在化疗后中性粒细胞减少患者中的应用效果。方法:选取2019年5月—2020年5月南方医科大学第十附属医院收治的接受阿糖胞苷化疗后中性粒细胞减少患者60例作为研究对象,根据随机数字表法分为对照组与观察组,各30例。对照组接受常规护理,观察组在对照组基础上接受层流床护理。比较两组感染情况、抗生素使用时间、发热时间、护理满意度、心理状况、睡眠质量。结果:观察组感染率低于对照组,差异有统计学意义(P=0.030);观察组抗生素使用时间、发热时间短于对照组,护理满意度评分高于对照组,差异有统计学意义(P<0.001);护理后,两组焦虑自评量表、抑郁自评量表、匹兹堡睡眠质量指数量表评分降低,观察组低于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。结论:层流床护理在化疗后中性粒细胞减少患者中的应用效果显著,可降低感染率,缩短抗生素使用时间及发热时间,提高护理满意度,改善心理状况及睡眠质量。

伺服驱动双活塞气体流量标准装置控制特性的研究

伺服驱动双活塞气体流量标准装置是通过伺服电机控制的活塞往复运动,实现连续气体流量输出。该装置是将流量计、压力和温度传感器及编码器等进行整合,通过计算机计算检定参数并显示结果。其中,控制系统是基于PID控制,可确保活塞运动速度的快速、准确、稳定跟踪。实验表明:该装置具有较好地控制精度和稳定性,可实现高精度层流流量计的量值溯源,满足应用需求。

层流搅拌槽内柱状单颗粒运动特性的研究

为了完善固液搅拌槽内非球形颗粒运动特性的基础数据,利用摄像法对带有圆盘桨的层流搅拌槽内柱状单颗粒的运动过程进行可视化实验,使用图像处理方法量化颗粒运动,分析了颗粒的尺寸对颗粒运动特性的影响,并采用基于格子玻尔兹曼方法的直接数值模拟解析颗粒运动和槽内流场。研究结果表明:颗粒净重力和颗粒周围流场分布共同影响颗粒临界悬浮所需的搅拌雷诺数和黏性Shields数;颗粒偏离槽底中心运动是颗粒悬浮前的必要步骤;由颗粒周围压力梯度引起的悬浮力是颗粒上升的重要原因;颗粒在桨盘底部区域的运动轨迹、颗粒-桨盘间距和运动跟随性受颗粒长径比的影响。