CFD Simulation of the Flow Field Inside Screw Powder Feeder

A screw powder feeder is an important device for industrial applications. There are many parameters which affect the performance of the screw powder feeder, such as the shapes of the helical screw impeller, the number of screw pitches, etc. This paper presents an analysis of a gas-solid two-phase through screw powder feeder by using a commercial Computational Fluid Dynamics（CFD） code, Fluent. The K-ε model is used to simulate gas flow. Particle trajectory is obtained by the use of a discrete phase model. The results show the effects of gas velocity and panicle size on the transportation performance.

泄爆条件对管内气粉两相混合体系燃爆特性的影响

为探究气粉两相混合体系泄爆特性变化规律,以甲烷-硝酸铵为实验介质,利用自行搭建的不锈钢火焰加速管道开展了泄爆口不同静态动作压力(p_(st))的燃爆实验,着重研究了p_(st)对气粉两相燃爆压力、火焰传播速度和泄爆火焰形态的影响规律。p_(st)由泄爆口阻塞比(θ)和泄爆膜层数(n)决定,θ和n增大的共同作用使p_(st)升高。p_(st)升高将增强管道对气粉和反应产物冲出管外的约束,增大管内流体的黏滞效应,促进管内气粉两相反应,降低未燃气在管外二次爆炸的强度。对爆燃压力进行分析,发现p_(st)从2.97 kPa升高至14.64 kPa时,爆燃压力时程曲线呈含维稳平台的双峰结构。第一压力峰值从5.48 kPa增大至10.20 kPa,维稳时间从6 ms延长至25 ms,第二压力峰值从23.03 kPa减小至9.71 kPa;p_(st)为16.08和24.12 kPa时,破膜前压力多次叠加反射,致使泄爆膜压力时程曲线呈特殊振荡上升的三峰结构。对火焰传播速度进行分析,发现p_(st)升高使火焰的平均传播速度从161.33 m/s降低至67.99 m/s。对泄爆火焰进行分析,发现当n=2时,θ增大将使泄爆火焰结构由簇状转变为射流状;θ=88.9%时,泄爆火焰呈典型的射流状。θ增大和n增大均使火焰亮度逐渐降低,火焰发光区长度减小,破膜至火焰出现时间间隔和火焰持续时间延长。

无人机用气力式喷粉装置设计及作业效果分析

林业病虫害是危害森林健康及其生态系统作用的主要原因之一。目前,我国针对橡胶树这类高大乔木的施药方式多为传统的地面喷雾和喷粉机械,该类作业方式受地形限制、人力需求大、劳动效率低,且难以对高处冠层施药。当前用于无人机挂载的喷粉装置多为地面喷粉器械的简单搭载,这易造成粉剂堵塞,喷施均匀性难以保证。为改善当前喷粉作业的效果,本研究设计了一种搭载在无人机上的气力式喷粉装置,利用高速气流将粉剂沿管道吹出,并对关键部件进行模拟仿真。结果表明,对于本研究设计的气力喷粉管道,涵道风机风速达10 m/s可满足绝大多数粉剂的输送要求。以飞扬倾角和飞扬高度为评价指标,模拟了不同安装位置下无人机喷粉作业的效果,模拟分析表明,为更好地抑制粉剂飞扬,气力喷粉装置的喷粉出口应正处旋翼下方,并后置安装在无人机上,其飞扬倾角为84°,飞扬高度为0.6 m。为探究试验样机的作业参数对喷粉沉积覆盖率、均匀性与穿透性的影响,开展了喷粉流量、作业高度与飞行速度3因素3水平的正交试验,结果表明,沉积覆盖率最佳作业参数为:喷粉流量6.0 kg/min、作业高度2 m、飞行速度2 m/s。沉积均匀性最佳作业参数为:喷粉流量3.6 kg/min、作业高度2.5 m、飞行速度6 m/s。沉积穿透性最佳作业参数为:喷粉流量6.0 kg/min、作业高度2.5 m、飞行速度4 m/s。为获得最优的试验方案,采用模糊综合评分法进一步分析,结果表明,最佳作业参数为喷粉流量6.0 kg/min、作业高度2.5 m、飞行速度2 m/s,相应的喷粉覆盖率均值为14.06%,喷粉均匀性均值为34.81%,喷粉穿透性为5.61%。因此,本研究的气力式喷粉无人机进行植保作业时,需结合实际作业对象,对沉积覆盖率、均匀性、穿透性不同需求综合分析,合理选择无人机喷粉的作业参数。研究结果可为高大乔木病虫害关键防治设备的研发提供新思路,对实现林业精准病虫害防治具有重要价值。

颗粒注射速度对铝粉/空气两相旋转爆轰波的影响

为研究颗粒注射速度对非预混铝粉/空气旋转爆轰波传播特性的影响,通过采用离散相模型、具有有限速率动力学/扩散表面燃烧模型的一步表面反应、多步可逆气相分解反应以及考虑未完全燃烧颗粒的挥发,对注射温度为300 K的铝颗粒和来流总温为900 K的高温空气进行二维数值模拟研究。研究结果表明:由于入口附近颗粒注射速度低于空气的注射速度,空气三角区和颗粒三角区无法完全重合;当颗粒注射速度从1 m/s增加到100 m/s时,爆轰波的速度和温度先减小后增加;颗粒和空气在注入燃烧室时存在较大的温度差异,导致爆轰波不稳定传播;颗粒注射速度为70 m/s时,爆轰波的稳定性最好。

乙烯对煤粉-氧气爆轰波起爆特性影响机制的实验研究

为实现煤粉连续旋转爆轰发动机的可靠点火,开展乙烯对煤粉-氧气起爆特性的影响机制研究。在初始压力p 0=100 kPa下,采用高能电点火对有无0.5当量比乙烯氛围下的煤粉-氧气混合物开展直接起爆实验研究。点火能量通过测定在空气中高能电火花产生的爆炸波压强进行计算。计算后发现:采用6.3 J的有效点火能量,煤粉-氧气在不含乙烯的氛围下无法起爆;在此能量下,煤粉-氧气在0.5当量比的乙烯氛围条件下可实现直接起爆;将能量降低为3.6 J,使其低于乙烯-氧气(0.5当量比)混合物的临界起爆能量,虽然乙烯-氧气无法直接起爆,但是在加入煤粉后却可以形成稳定的自持爆轰波。研究结果表明:若要实现煤粉-氧气的直接起爆,则需要添加一定量的助爆气体(如乙烯);煤粉的加入还可以拓宽乙烯-氧气混合物的起爆极限。所得结果可以为煤粉连续旋转爆轰发动机的点火起爆提供理论依据并提供技术支撑。

容弹内片状无烟煤粉喷射掺混特性实验研究

粉末在容弹以及发动机燃烧室内的掺混状态对粉末爆轰特性有较大的影响,因此亟须对粉末在有限空间内的喷射掺混特性展开研究。搭建了一套透明的容弹系统,通过高速摄影监测系统,对片状煤粉在容弹内的喷射掺混过程进行观测,并对高速摄影拍摄图片进行后处理,分析煤粉在容弹内的喷射掺混变化规律。针对煤粉喷射掺混图像建立了一种灰度值标准差曲率分析方法,研究发现标准差曲率趋于0的初始时刻为煤粉掺混均匀最佳时刻,可以选取为最佳点火时间点,且该方法所选取的时刻与逐帧分析高速摄影图像所选取的时刻吻合。在煤粉浓度为120 g/m^(3),210 g/m^(3),300 g/m^(3)下,依次展开煤粉喷射掺混实验,并应用此灰度图像标准差曲率分析方法进行分析。实验结果表明:保持煤粉浓度一致时,掺混均匀性最佳时间随喷粉时长的增长而逐渐缩短,点火时刻提前;保持喷粉时长一致时,掺混均匀性最佳时间随供粉浓度的增长而延长,点火时刻延后。

粉末燃料典型流化装置流量调节对流化的影响

粉末燃料供应系统是实现粉末冲压发动机流量调节的最关键技术,供应系统的优劣直接影响发动机性能,也是需要解决的主要问题之一。本文运用欧拉连续介质方法对粉末燃料典型流化装置流量调节对流化的影响进行研究,探究流量调节过程中等固气比调节对流化的影响,分析粉末在存储罐、流化区域、出口管路上的分布规律。通过分析等固气比调节的输出粉末质量流量变化规律、粉末分布、罐体气相压降判断粉末流化效果的优劣,进而完成粉末燃料典型流化装置流量调节对流化影响的研究。结果表明,随着输入粉末质量流量的增大,粉末供应到达稳定供应状态的时长逐渐减小;输入粉末平均质量流通量在12732.4~16976.5 kg/(m2·s)的设计工况,到达稳定供应状态需要的时间短,是较为理想的输入粉末质量流量的设计工况;粉末燃料供应系统为欠阻尼系统,供应系统开机后推力增加的过程中,阻尼振荡频率随着输出粉末质量流量的增大而增大;在到达稳定前,流化区域形成的旋流影响范围先增大再变小后保持稳定(或者消失),旋流具有稳定粉末供应的作用。

煤热解高温粉焦气力输送特性

针对煤热解高温粉焦的输送问题搭建了高温粉焦气力输送可视化试验平台。利用高速摄像机拍摄图像获取信息的方法,建立粉焦体积分数与图像灰度之间的关系式,研究以空气和CO_(2)作为输送载气,在不同表观气速、粉焦质量及粉焦温度工况下气力输送特性。结果表明:输送相同温度的粉焦,二氧化碳比空气具有更强的输送能力,CO_(2)表观气速为8.9 m/s输送500℃粉焦,与空气表观气速为14.2 m/s时的输送能力相当;以CO_(2)作为载气输送高温粉焦时,随粉焦温度升高输送能力增强。粉焦温度27~120℃时表观气速需大于10.6 m/s才可保证输送流型稳定,而粉焦温度高于300℃时表观气速达到8.9 m/s即可形成稳定流型。

激光快速成形过程中粉末与熔池交互作用的数值模拟

建立了描述激光快速成形过程中气／粉两相流送粉、粉末与熔池交互作用及激光熔覆成形温度场的联合模型．采用有限单元生死技术模拟了熔池形成和自由界面形状演化及熔覆层的沉积过程．根据界面温度与粉末粒子动量损失状况模拟了熔池对粒子的捕捉以及工件对粉末的反射,并采用Lagrangian粒子追踪模型实现了对粉末颗粒的跟踪．在此基础上,模拟了激光快速成形过程中316L不锈钢粉末,激光与熔池的交互作用过程．计算结果与实验结果吻合．

粉末对混粉电火花液固混合工作液的作用机制

在计算混粉电火花加工环境中三种粉末分布及粉末间互相作用对电场的影响的基础上,提出新型双层复合粉末结构,分析粉末特性对电场变化的影响规律并利用有限元分析做了仿真验证,进而初步建立粉末-工作液混合作用体系。研究表明粉末表层材料的介电系数对电场的影响最大,其厚度的变化几乎对畸变电场没有影响。

快速凝固Nb_3Al-Nb固溶体两相合金的组织与性能

用快速凝固粉末冶金法制备完全致密的含Ｔｉ的Ｎｂ３ＡｌＮｂ固溶体两相合金，和铸锭法相比较，所制合金的组织显著细化，屈服强度显著提高。通过Ｎｂ３Ａｌ与塑性相Ｎｂ固溶体的复合，合金的低温脆性较Ｎｂ３Ａｌ明显减小。

壅塞现象法测量气粉两相流音速

实验研究了在水平等截面管道中空气-树脂粉两相流的音速．基于壅塞现象原理，提出了一种测量气粉两相流音速的新方法．得到了空气-树脂粉两相流在不同固气比下质量流量和滞止压强的关系，从而确定了发生壅塞现象的临界压强，进一步得到了临界压强比和固气比的关系式．考虑两相流连续方程确定出两相流的实际表观音速，并且与两相平衡流理论计算所得的理论音速进行了比较，仅为其0．5～0．7倍．

粉末注射成形两相流动三维数值模拟及粉末与粘结剂的分离

分析齿轮零件粉末注射成形(PIM)实验成形坯密度分布以及成品容易出现飞边和塌陷的位置特点。根据粉末注射成形技术工艺过程的特点给出PIM的双流体模型及初边界条件,基于计算流体力学软件CFX对I型拉伸试样和齿轮零件的PIM两相流动过程进行三维数值模拟。根据数值模拟结果,对PIM充模流动过程中粉末和粘结剂两相速度的变化曲线进行对比分析,证实I型拉伸试样和齿轮零件的PIM充模过程中多个位置发生过不同程度的粉末与粘结剂两相分离现象。对模腔中多个不同结点处发生粉末与粘结剂两项分离的现象进行分析比较。结果表明:PIM充模过程中位于远离浇口狭窄模腔内的点容易产生两相分离现象,粉末与粘结剂两相分离现象只发生在相应位置被充填初期的一段时间内,且不同位置发生的两相分离持续时间也不同。

Metal/N_2O粉末火箭发动机实验研究

采用气压驱动供粉方式,开展了Metal/N2O火箭发动机点火实验。通过分析活塞位移及燃烧室压强振荡,研究了两相流动特性。根据液滴燃烧模型,分析了燃烧室压强、颗粒滞留时间、氧燃比等因素对发动机燃烧效率的影响。通过以上研究,验证了此种发动机的优良性能。结果表明,输送管路中固相浓度脉动幅度在颗粒粒径40μm、两相流空隙率97%、氮气流动速度27 m/s情况下小于±0.36%;Mg/N2O实验平均特征速度效率在燃烧室压强0.5 MPa情况下高达96.4%,Al/N2O实验在燃烧室0.91 MPa情况下燃烧效率达到88.5%;提高燃烧室压强、颗粒滞留时间,可提高燃烧效率,但氧燃比对燃烧效率影响较为复杂。

共沉淀-超临界流体干燥法制备掺镧ZAO纳米粉

采用共沉淀-超临界流体干燥法制备出掺La3+离子的ZAO(ZnO、Al2O3复合氧化物)纳米粉.采用XRD、TEM等检测手段研究了La3+的加入、超临界流体干燥处理工艺和晶化温度对粉末特性的影响.结果表明:在260℃×7.5MPa×0.5h的超临界流体条件下,得到平均粒度小于20nm,高的比表面积,近球形的ZAO粉体.有效的改善了粉体的团聚程度.且不需要晶化处理即为六方晶型的ZAO纳米粉.

煤粉浓度测量在线监测系统的研究及开发

基于悬浮式气、固两相流理论 ,考虑了风 -煤合流过程中的压力损失及悬浮颗粒提升压损的影响 ,运用能量法提出了一种测量一次风管中风 -粉混合后煤粉浓度的新方法 ,对水平、垂直段测试的精度进行比较 ,并介绍了一次风管中煤粉浓度在线监测系统的开发过程和方法 .为低浓度煤粉输送的在线监测提供了良好的基础 .图 5 ,表 2 ,参

Cu-44%Cr-12%Fe合金在800℃不同氧分压下的氧化行为

研究了粉末冶金三元双相Cu 44%Cr 12%Fe(质量分数)合金在800℃时不同氧分压下的氧化行为。结果表明:Cr含量为44%时合金在1.01×105Pa的纯氧中并不能形成连续的外Cr2O3膜,合金的氧化速度随氧分压的降低而降低,原因是低氧分压有助于抑制合金中Cr的内氧化并形成连续致密的Cr2O3膜。讨论了氧化膜的形成机制。

铝电解烟气干法净化系统的研究——除尘器内部流场

简略分析了提高铝电解烟气干法净化效率需要解决的关键问题,详细介绍了铝电解烟气干法净化除尘器内部流场试验研究过程中发现的问题,并对半工业性试验除尘器内部同一水平面速度场作了测定。根据测试到的数据和现场观察到的情况以及除尘器滤袋上的粉尘分布情况,并通过计算机模拟试验综合分析,确定在除尘器灰斗内加隔板的形式,控制除尘器内气固两相流的流动,改善除尘器内部流场。通过试验证明,该试验方案切实可行,不但改进了除尘器内部的气流分布,而且使除尘器内滤袋上的粉尘分布也更加均匀,试验系统除尘器出口干管内的排尘浓度已经控制在5mg/m3(N)以下,达到了预期的目标。

激光制造中载气式同轴送粉粉末流场的数值模拟

应用气固两相流理论对载气式同轴送粉系统中粉末流出送粉喷嘴后的粉末流场进行模拟计算,研究分析粉末流场浓度分布规律及粉末流参数(聚焦焦距和聚焦半径)的变化规律,计算结果与数字粒子图像测速的试验结果吻合较好。结果表明,载气式同轴送粉系统中,送粉喷嘴结构参数一定时,粉末流浓度和粉末流参数受送粉量及送粉气流量的影响。送粉气流量主要影响送粉喷嘴出粉口处粉末流的速度,对粉末流浓度分布和粉末流聚焦参数影响较小;送粉量增加,聚焦点处浓度值增大,粉流聚焦焦点略微下移,焦距处半径增大,聚焦焦深减小。建立粉末流简化物理模型,所建模型对同轴送粉喷嘴的设计和性能优化具有参考价值。

爆轰波管中铝粉尘爆轰的数值模拟

用两相流模型对爆轰波管中的铝粉尘的爆轰波进行了研究。模型考虑了气体和颗粒两相间速度和温度的不同及由于管壁引起的对流热传导和粘性引起的耗散,考虑了由于铝颗粒表面粗糙使得表面积增加的因素。铝颗粒的点火判据使用了新的判据,即铝颗粒在激波后的气流中温度达到铝的熔点且铝全部熔化即被点火。数值模拟了内径为15.2cm的爆轰波管中铝粉尘中爆轰波的传播和发展,得到了爆轰波速度及铝颗粒点火距离,还得到了爆轰流场中物理量的分布。从前导激波面到CJ面处,两相间的速度和温度有明显的差别。还考虑了粒子由于粗糙引起的表面积增加对爆轰波的影响,这个因素对铝颗粒的点火距离的影响较大,对这里计算的铝粉尘爆轰波的速度基本没有影响。结果表明,两相流模型可以较好地描述铝粉尘的爆轰过程,得到具有很粗糙表面、平均粒子直径为3.4μm的铝粉尘浓度为304g/m3时爆轰波的速度为1.63km/s,点火距离为3mm,与实验值符合较好。