方管内混合对流与管壁导热耦合换热的数值模拟

针对方管内空气混合对流时的流固耦合换热问题,提出将壁面导热作为边界条件进行处理的壁面导热与流动耦合简化计算方法,推导了计算公式,并采用SIMPLER算法进行了数值模拟.算法忽略壁面沿厚度方向的导热,假设管壁温度沿轴向一维分布,采用热量平衡法建立边界单元的能量守恒方程,将固体区域的导热简化为流体区域的边界条件,以提高计算的精度和可靠性.计算结果表明,受二次流影响,沿通道周向热量从加热面同时沿顺时针和逆时针方向迅速向两边传递,各壁面最大温差小于0.5℃,在轴向归一化长度为2～4时壁面轴向导热热流密度出现最值.平均Nusselt数Num随Reynolds数Re及方管倾斜角度θ的增大而增大,最优倾角在-30°和0°之间变化,但当Re＞1 500时,Num随θ的变化近似保持不变.计算结果与实验数据吻合良好,最大偏差小于±28.7％.     

三角形并联微通道换热特性研究

基于Navier-Stokes方程的传统理论,把整个实验硅晶片上的所有并联微通道纳入计算区域,通过FLUENT商业软件对其进行数值模拟.计算得到的温度场和实验结果的红外成像数据对比,吻合得很好,从而验证了数值计算的正确性.对并联通道中的不同通道计算结果表明,不同微通道中流量几乎没有差异,但是不能完全忽略热流密度的差异.此外,通过三角形微通道在壁面上的热流密度分布很不均匀,与矩形通道截然相反;轴向导热对热流密度的分布有很大影响.在进出口温差较大时,用进出口平均温度作定性温度计算的结果与变物性计算的结果相比,误差很小.     

通道高度对竖通道内旋转火焰热流场的影响

以一底面边长0.32 m的方形竖通道为研究对象,利用数值方法对通道高度为0.8~2.0 m的旋转火焰热流场进行模拟。研究通道高度对温度、切向旋转速度、竖直向上运动速度的影响。研究结果表明:通道高度增加会加强通道内火焰的旋转,增加由通道侧开缝引射空气进入通道的能力。然而,通道高度对旋转较为剧烈区域顶端和可见火焰顶端的螺旋线角度影响较小,两者角度平均值分别为44.7°和60.9°。     

涡扇发动机涡轮后内外流场及壁面温度场数值研究

基于航空发动机红外辐射特性数值仿真的需求,建立涡扇发动机部件的几何模型,利用数值模拟结合实验验证的方法对涡轮后内外流场及壁面温度场进行研究。比较模型与常用模型的计算结果可得出:受发动机部件几何型面及安装特点影响,发动机喷管前的内部流场及壁面温度场都成明显的周期分布。壁面温度分布形态主要受波瓣混合器影响,但加力部件使高温区域面积减小,使壁面温度分布更快进入轴对称状态。加力部件降低了发动机内部的速度分布均匀度;同时也使截面参数分布更均匀。当采用环形混合器时,流向截面上流向涡尺寸大、强度小、温度掺混情况差。     

高温气体流过圆管时壁面发散冷却的数值模拟

对超高温燃烧室发散冷却全场进行有效的数值模拟对燃烧室材料结构设计具有重要的意义。该文通过FLUENT 6.1,采用RNG k-ε湍流模型,建立了高温气体流过圆管时多孔介质壁面发散冷却的全场耦合数值计算模型。该模型计算结果与低温氦气、低温空气发散冷却实验结果基本吻合。该文研究了常温氢气对超高温燃烧室内燃气的发散冷却,结果表明,忽略对流传质边界层的影响会导致计算预测的壁面温度偏高,忽略孔隙率局部分布的不均匀性会导致冷却壁面端部出现高温计算结果,这不符合常理。在注入率为1%左右时,冷却壁面温度在400~900 K的范围内,壁面局部热流密度降至200 kW/m2左右,可以满足航天器燃烧室保护壁面的需要。     

局部高温壁面下复合腔体内传热传质

为研究局部高温壁面下,复合腔体内自然对流及传热传质规律,采用一区域模型整体对腔内温度场、浓度场和流场进行求解.高温壁面无量纲长度A=0.5(A=a/H),局部壁面温度为Th,浓度为Ch;右侧垂直壁面分别为Tc和Cc.对局部高温壁面的相对位置B、多孔结构的孔隙率ε、瑞利数Ra的影响进行综合的数值计算,由数值计算结果得出:局部高温壁面位置不同,腔内流体流动及传热传质不同,B值在0.6附近时对应的平均努赛尔数Nu和平均舍伍德数Sh最大;ε=0.7时Nu出现最小值;Ra对传热传质影响也较大.     

非全周开口滑阀的节流温升与形变

联合采用FLUENT和ANSYS分析软件对具有典型节流槽的非全周开口滑阀的三维流场、液-固温度场和固体热变形进行数值计算.结果表明:非全周开口滑阀内部流体和固体内的温度分布不均匀,阀口流束在接近固体壁面的区域温度较高,流束中心部位温度较低,阀体和阀芯在阀口附近及流束冲击壁面有局部高温,由此导致的阀芯和阀体不均匀变形量可...     

轴对称通道内超临界水对流换热数值模拟

为了研究高性能轻水堆堆芯冷却通道内超临界工质流动与换热特性,采用Fluent软件对竖直上升环形通道内超临界水与管壁间的换热过程进行数值模拟研究。通过计算结果与实验结果的对比,评估了不同网格数量、壁面第1层网格参考高度和湍流模型对数值模拟准确性的影响。对5个不同湍流模型进行对比计算。针对3种热流密度进行堆芯流动换热计算。模拟结果表明:随着网格数量的增加和壁面第1层网格参考高度的降低,预测准确度逐渐提高,但当壁面第1层网格参考高度小于0.07后,预测准确度与其无关;与其他湍流模型相比较,标准k-ω模型和剪切压力传输(SST)k-ω模型都能预测传热恶化现象,SST k-ω模型较标准k-ω模型计算结果更为准确;近壁面区域物性的剧烈变化是引起传热强化及传热恶化的主要原因。     

微流控芯片通道壁面润湿性对微滴生成的影响

液滴微流控中芯片微通道的壁面润湿性是决定微滴生成的重要因素之一。为研究环烯烃共聚物芯片微通道表面润湿性对通道内微滴生成以及流体流动行为的影响,利用流体体积(volume of fluid, VOF)模型对聚焦流微通道中水和氟油两相流动行为进行数值模拟,并制备了接触角为30°、90°、120°梯度下的芯片微通道壁面开展实验研究,模拟与实验吻合良好。结果表明:在固定物性和结构参数下,壁面润湿性越弱,油包水微滴越容易形成,壁面的减阻特性随之增强,并且壁面的减阻特性导致90°比120°时微滴的生成频率低29.3%,直径增大8.3%;随着润湿性的增强,水相相对于氟油相的界面由凸变凹,30°时芯片生成微滴由油包水变成水包油;随着连续相毛细数(Ca)的升高,壁面润湿性对微滴生成的影响减小。     

浮升力在竖直通道湍流中的作用

采用直接数值模拟方法研究了在不同湍流引发机制作用下竖直槽道湍流中统计量的变化以及湍流结构的变化,分别给出了强迫对流、混合对流和自然对流湍流时平均速度、平均温度、湍流脉动强度、雷诺切应力的统计结果以及湍流结构.结果表明:与强迫对流时相比,混合对流时浮升力作用使高温侧的平均速度升高,速度脉动强度降低,而低温侧的平均速度降低,速度脉动强度升高;浮升力使温度脉动强度在壁面附近区域显著增强,而在通道中心区域变弱.与强迫对流和混合对流的情况相比,自然对流的平均速度分布关于通道中心线反对称,通道中间区域的速度脉动强度最大,温度脉动强度则最小;雷诺应力最大值出现在通道中心区域,而负的雷诺应力产生在壁面附近.     

逆断层粘滑错动对公路隧道影响的试验研究

结合大量地震断层的案例,针对逆断层倾角为75°,60°,45°三种工况通过模型试验研究不同倾角逆断层粘滑错动下隧道应变分布规律和整个破坏过程.试验结果表明:断层倾角越小,上盘范围内隧道顶部的纵向拉应变越大,并且拉应变进入过载状态时的错动位移值越小.当断层倾角为75°时,隧道的主要破坏形式为直接剪切破坏;当断层倾角为45°时,隧道的破坏形式以弯曲拉破坏为主;45°倾角工况下隧道的破坏范围为上盘距离断层面2.0 D(D为隧道洞径)至下盘距离断层面0.2 D,75°倾角工况下隧道的破坏范围为上盘距离断层面0.8 D至下盘距离断层面0.4 D.     

聚晶金刚石复合片钻头喷嘴倾角组合的流场特性

为了解决番禺地区珠江组快速钻进中出现的PDC钻头泥包问题,在实体PDC钻头计算模型基础上,运用数值模拟方法,采用标准 两方程模型对主喷嘴和辅助喷嘴不同喷射倾角组合进行井底流场特性研究,最优化喷嘴角度组合。结果表明：主刀翼1号喷嘴喷射倾角20°、3号喷嘴喷射倾角15°能使井底流场分布最优;远离主刀翼的4号和5号喷嘴喷射倾角变化对井底流场影响较大,适当增加这两个喷嘴喷射倾角有利于井底岩屑快速排出;2号喷嘴喷射倾角在限定范围内变化,对井底流场影响有限。最后,1-5号喷嘴喷射倾角分别按照20°、25°、15°、25°和25°组合布置,应用于个性化215.9mm五刀翼PDC钻头设计中,在实钻中取得了良好的进尺和机械钻速,成功解决钻头泥包。     

线圈绕Y轴倾斜时多孔介质方腔内空气热磁对流的数值模拟

通过数值分析研究圆形载流线圈绕Y轴倾斜时多孔介质方腔内空气热磁对流。采用毕奥萨伐定律计算磁场强度;对控制方程基本变量采用控制容积法离散,采用SIMPLE算法求解,获得空气热磁对流的流场和温度场以及壁面平均Nusselt数。研究结果表明:线圈倾斜角yeuler和磁场力数γ对多孔介质方腔内空气流场结构与传热性能有重要影响,当γ<100时,努塞尔数Num随着yeuler的变化呈现交替性增大和减小;而当γ>100时,Num随着γ的增加而增大;当yeuler=0°时,方腔上半部区域形成2个大漩涡而下半部区域形成2个小漩涡;当yeuler=±90°时,方腔下半部形成1个垂直大漩涡而顶部形成1个水平小漩涡。     

跨不同倾角软弱层隧道围岩变形规律

山区隧道与地下工程的建设中多会穿越软弱夹层或破碎带等软弱地层。此类软弱地层几何形态变化大,力学性能差,隧道开挖后的收敛变形往往难以控制,这也成为山岭隧道施工以及结构设计的难点所在。本文着眼于软弱地层倾角对隧道围岩开挖变形的影响规律,利用模型试验,对无支护条件下软弱层围岩的拱顶、拱腰进行研究,监测了软弱层倾角分别为45°、60°、90°、120°、135°时隧道开挖造成的收敛变形;并结合数值模拟方法,进一步对比验证了模型试验的检测规律。结果表明：软弱层倾角对隧道围岩变形的影响十分显著。随着软弱层倾角的增加,隧道拱顶、拱腰以及仰拱的围岩位移先减小后增大。不同软弱层倾角下,通过归一化处理发现,拱顶和拱腰位置数值计算和模型试验的围岩位移变化结果呈现出高度的一致性。且根据监测面的塑性区云图,剪切破坏的区域贯通,分布于隧道一周,其面积随着软弱层倾角的增加,先减少后增大。     

上倾管内油水两相流流型实验研究

国内多条成品油输送管道在投产和运行过程中,采用“水联运”投产方式所造成的上倾管道低洼处积水现象引起了严重的管道内腐蚀问题。利用上游来油将低洼处积水携出管道能有效缓解内腐蚀。采用0#柴油、去离子水在内径100 mm的上倾管道内观察油水两相流流型并测量油携水临界流速。结果表明,随油流黏性力增大和管道倾角增大,油水两相流依次呈现波状分层流、有水滴的波状分层流和油相占主导的分散流3种流型;同一流型下,油相能将水相携入上倾段的最低临界流速随倾角增大而增大;倾角从20°增大到25°使流型从波状分层流转化为有液滴的波状分层流时,油相能将水相携入上倾段的临界流速从0.203 m/s减小为0.187 m/s;倾角从30°增大至35°时,使初始流型从有液滴的波状分层流转换为水相在油相中的分散流,油相能将水相携入上倾段的临界流速从0.205 m/s减小为0.194 m/s;油相能将水相完全携出上倾段的临界流速随倾角增大而略有增大;发生流型转化的流速随倾角增大而减小。     

微燃燃烧室流场结构及燃烧特性的初步优化

为了改进微型燃气轮机结构,优化燃烧室性能,采用UG及Ansys软件对微型燃气轮机燃烧室进行几何建模、网格划分、数学及物理模型建立。通过热态数值模拟,研究了叶片数目为12、18、24、30以及叶片安装角度为40°、45°、50°、55°时的燃烧室内流场及燃烧特性。模拟结果得出:随叶片数目及安装角度的增加,燃烧室内甲烷燃烧效率基本不变,均可达99%以上,总压恢复系数降低,出口温度分布因子降低,圆筒内壁温度升高,但一氧化氮排放无法降低。最终选择叶片数目为24、安装角度为45°作为优化结果。     

运输机升阻特性仿真与风洞试验相关性方法

以M3飞机配装某型发动机三维模型为研究对象,采用CFD方法对整机流场进行数值计算。对于带动力短舱模型,利用分区拼接网格技术对发动机内流场和飞机外流场进行网格划分和拼接;在此基础上采用雷诺平均N-S方程,基于S-A湍流模型,开展了不同发动机状态、马赫数及攻角的仿真计算。以FNPR=1.61时,试验获得的升阻系数作为基准,在不同攻角下,获得CFD计算结果的修正因子,结果表明：修正后的数值计算结果与风洞试验获取的升力特性曲线,贴合程度好,在攻角小于14°内误差小于3%;修正后的阻力特性曲线整体趋势与风洞试验一致,误差小于10%,阻力系数都是随攻角的增大而增大,且在攻角大于10°后快速增大。     

成层地基中倾斜受荷群桩的非线性有限元分析

针对轴、横向荷载共同作用或倾斜荷载作用下群桩基础受力问题的复杂性，引入无厚度型接触面单元和“无拉力”分析方法，采用非线性有限元法对倾斜受荷群桩的受力变形特性进行探讨，开发考虑材料非线性、桩-土-承台共同工作机理、桩周地基土体的分层性及不同桩项荷载形式等因素的计算程序，并由此讨论初始应力场及桩项荷载大小、倾角变化对桩身内弯矩与轴力分布的影响曲线。研究结果表明：刚性承台顶的荷载不变而倾角增大时，中桩桩项的弯矩逐渐增加，边桩的弯矩则逐渐减小；当荷载倾角不变而荷载增加时，承台下各基桩的弯矩变化规律则随荷载倾角的不同而变化。     

弹丸前体喷流的气动力干扰实验研究

对一种复合增程弹的气动力干扰特性进行了实验研究,这种复合增程弹的固体火箭发动机位于弹丸肩部,通过几个均匀分布于弹体园柱部起始处的喷咀侧后向喷气产生推力,从而达到增程的目的.实验是在超声速风洞中进行的,实验Ma数为2.5,攻角α=0°～6°,喷咀倾角θ=30°,喷流压力比ε=Poj/P∞=101.222,喷流介质为冷空气.实验结果表明,喷流后弹丸阻力系数下降,升力系数上升,压心后移.并对引起气动力变化的原因做了简要分析.     

热辐射对双陶瓷层热障涂层的隔热影响

基于热传导、热对流和热辐射理论建立了双陶瓷层热障涂层不透明和半透明物理模型,采用有限元ANSYS软件模拟了稳态温度场.双陶瓷层在不透明时,顶层厚度增加,顶层上表面温度线性增加,第二层和黏结层上表面温度线性降低.在半透明性弱时,与不透明情况类似.在半透明性强时,顶层上表面温度略低于不透明时,第二层上表面温度高于不透明时,黏结层上表面温度先快速后缓慢降低再保持不变,且远高于不透明时.