振动流变对泥浆管道输送的减阻效果研究*

泥浆在管道输送中阻力大导致能耗高,严重制约疏浚生产效益。本文将泥沙流变学的振动加载流化技术应用到泥浆管道输送减阻研究中,在管道系统中开展振动流变减阻效果研究。结果表明,减阻效果随着振动频率的增大先显著提升后趋于平缓;随着体积浓度的增加而增强,但其增强的速度逐渐减小;随着输送流速的增加而不断减弱直至趋于平稳。且对于试验泥样,存在一个最优振动频率为40 Hz,此时系统达到了最佳减阻效益状态;在内径为100 mm管道中,当泥浆体积浓度为29.94%、管道输送流速为0.9 m/s、微幅机械振动频率为100 Hz时,对于中值粒径为31 μm的奉贤海滩泥沙能减小20%以上的阻力损失;最后,提出了泥浆管道输送振动流变减阻的计算模型。     

颗粒体积分数对V型球阀特性的影响

为改善阀门的特性,提高管道的输送效率,采用数值模拟的方法分析V型球阀的特性在气固两相流情况下随颗粒体积分数的变化。结果表明：随着颗粒体积分数的增大,V型球阀的流量系数减小,流阻系数增大,管道和阀门内的压力增大;在不同阀门开度下,颗粒体积分数发生变化对流体速度的影响均不明显。     

基于CFD-DEM方法的不同弯径比弯管中气固两相流动特性

为了研究不同弯径比弯管对气固两相流动特性的影响,采用计算流体力学CFD和离散单元法DEM耦合,对聚乙烯颗粒在不同弯径比水平-弯管输送中的运动特性进行数值模拟及试验验证.基于Eulerian坐标体系的κ-ε紊流模型,采用RANS方程对管内气流流场进行求解,并针对颗粒在管中的运动规律采用EDEM中Eulerian坐标法进行分析,将该CFDDEM耦合并行模型应用于气固两相流动的数值模拟中,定性分析颗粒的运动轨迹,定量分析颗粒碰撞数,体积分数和气体速度分布.结果表明:该CFD-DEM耦合并行模型能较好地模拟气固两相流动行为,随着弯管弯径比的增大,弯管中颗粒受到的离心力作用时间增长,并且不容易发生分散,同时,弯管中颗粒的碰撞数量增加;在竖直管中,颗粒首先沿管壁外侧分布,然后向内侧移动,最后沿管中心对称分布;弯管中的气相速度呈现内侧高于外侧的情况.     

基于软翅振动稀相气固两相流动特性分析

针对安装软翅模型的水平管气力输送气固两相流流动特性进行了数值分析.以软翅振动频率为主要变量,通过Fluent-Profile功能编写自激振荡流程序进行二次开发,并利用离散相模型(DPM)对气相速度矢量图、物料入口的颗粒路径、加速区颗粒速度矢量及稳定区的颗粒浓度分布进行定性分析.结果表明:安装软翅模型时,在软翅模型附近位置产生涡流,改变了气相流动方向,使加速区粒子得到了悬浮和加速.     

海水-冰晶两相流非等温流动及传热研究

船舶在冰区航行时,存在冰晶颗粒混合海水流入船舶冷却系统现象。基于颗粒动力学理论,建立适用于海水-冰晶两相流的欧拉-欧拉双流体模型,耦合相间传热传质模型对海水-冰晶两相流在水平直管内流动及传热特性数值模拟。研究表明,冰晶颗粒流动过程中,在管道上部位置R=8~10mm处冰晶体积分数达到最大值,且随着速度增加而增大；当入口含冰率(IPF)为4%时,冰晶速度的最大值出现在管道中心轴线上方。当入口速度为1.0~3.0 m·s-1，含冰率4%~30%时，局部传热系数随入口速度及含冰率增大而增加。     

海底水力输矿管固液两相流的数值模拟

传统的固液两相流数值模拟方法是将固体颗粒(和液体)作为高密度的液体流处理,这只适用于固体颗粒非常细小的情况如粮食输送、泥沙输送等。对海底采矿的水力输送问题,由于固体颗粒相对于水粒子非常庞大,再作为传统的固液两相流处理不科学。本文对矿石颗粒采用离散元方法、对水粒子采用Fluent方法,并将两者耦合进行固、液耦合流在竖向弯管的流动特性研究,考察了不同入口流速下流体的运动规律和矿石颗粒的运动规律和分布规律。结果表明：由于矿石颗粒堆积在管道底部,导致管道内顶部的水流速度大,底部的水流速度小；随着水流速度的降低,矿石颗粒的堆积效果也更加明显；同时存在某一特定速度,使得其开采效率达到最大。     

润滑脂在圆管内流动速度及粘度分布规律

润滑脂在管内流动的速度、粘度是影响润滑脂输送的重要因素,深入研究不同温度、流变指数、屈服应力对润滑脂在输送过程中的速度分布、粘度分布具有重要意义.文中首先采用旋转流变仪对润滑脂的流变行为进行实验研究,得到润滑脂的本构方程;然后基于Herschel-Bulkley模型,运用CFD对润滑脂的流动进行数值模拟.结果表明:温度和剪切速率对润滑脂的流变行为均存在较大影响,在低温下,润滑脂存在较大的屈服应力,且润滑脂输送性能较差;随着温度的升高,其流速增大,润滑脂表现出更好的流动性,且在管内中心,粘度分布均呈峰形;随着屈服应力增加,流速降低,粘度增加,当屈服应力从1 200 Pa升高到1 500 Pa时,流核区速度降低了65%,且中心处粘度升高了24%;流性指数对润滑脂在管内的粘度分布影响较小,而对速度分布影响较大,随着流性指数增大,润滑脂速度明显降低,当流性指数从0.19增加到0.79时,流核区速度降低了69%,而粘度分布基本保持一致.     

疏浚管路阻力损失计算方法的分析

管道输沙阻力损失计算是江河湖泊、港口航道疏浚工程中的一个基本问题,它是设计管道浆体输送系统的重要参数,直接关系到动力设备的选型和运行的能耗.文章重点以疏浚工程中泥沙的输送为研究对象,对管内两相流动的阻力特性及临界流速问题进行了初步研究,并实验研究了泥沙在不同的浓度和速度下的阻力特性,对3种模型的阻力损失计算模型进行了检验、分析和评价.结果表明Jufin＆Lopatin是一个比较好的计算模型.对于颗粒的不均匀性的影响,科学的方法能提高计算模型的计算精度.     

基于CIP方法的孤立波爬坡问题数值模拟

基于自主研发的紧致插值曲线CIP方法的数学模型,研究孤立波在大陆架上传播及冲击爬升海岸峭壁的数值模拟.在立面二维直角坐标下建立模型,采用高阶差分CIP方法作为流场的基本求解器,利用分步算法离散Navier-Stokes方程,通过多相流理论描述固-液-气之间的相互作用,采用流体体积法(volume of fluid,VOF)类型的具有高精度、紧致的系数权重双曲正切(tangent of hyperbola for interface capturing with slope weighting,THINC-SW)方法改进传统的数学模型,重构了自由面采用浸入边界法(immersed boundary method,IBM)计算固-液边界,避免按照地形边界建立贴边网格的问题.研究孤立波在峭壁前的波形演变及在峭壁上的爬坡高度,比较不同的大陆架水平长度和不同海岸峭壁坡度对孤立波爬高峰值的大小及出现时间的影响,分析孤立波冲击爬坡时的压力分布,为不同海岸地形采取相适应的波浪防护措施提供理论及数据支持.     

阀门角度对蝶阀后双弯管流场影响的数值模拟研究

本文采用计算流体力学（CFD）数值模拟的方法,研究了不同阀门角度下蝶阀后双弯管模型中的复杂流动现象,并将数值计算的速度云图同流场实验测量结果进行对比验证。分析结果表明：数值计算结果同粒子图像速度场测量技术得到的速度云图基本吻合;阀门角度对流场的影响较大,阀门角度越小,阀板迎背流面的流体扩张也越不明显,模型最大速度减小：阀板前驻点逐渐向阀板迎流面边侧移动,一次分离区减小,而二次分离区先增大后减小;弯管中流体质点二次流、流动分离及流动剪切膨胀等是影响流场的重要因素。     

自激励流节能效果的实验研究

针对水平-竖直混合管道气力输送系统,研究安装倾斜软翅产生的自激励流对颗粒输送过程中的节能降耗效果.通过对系统沿程压力损失、最佳经济速度、能量损耗系数和附加压力损失系数的研究,定量地分析自激励流的节能作用.研究发现:随着输送速度的降低,自激励流减小了系统颗粒群输送过程中的沿程压力损失和最佳经济速度;低速输送时,自激励流降低了颗粒输送过程中系统的能量损耗系数,在质量流量0.2和0.4 kg/s时,能量损耗系数的减小分别为9.6%和8.1%;同时,随着输送速度的降低,系统的附加压力损失系数也因自激励流的存在而减小,这表明倾斜软翅振动产生的自激励流对气力输送系统具有节能降耗的效果.     

定常可压缩泡状流动激波的数值仿真

探讨了可压缩泡状流动的计算机仿真方法,计算了水翼在气相体积分数为0.5的来流中的跨声速流动。数值试验表明,当泡状流中气相本身为小亚声速流动或气相马赫数小于0.1时,则速度入口边界可用于泡状流的无穷远或入口边界条件。计算表明,亚声速泡状来流的下游扰动会向上游传播,从而需要将入口边界远离水翼;而超声速泡状来流在水翼前端形成弓形脱体压缩激波,下游扰动向上游的传播不超过波阵面。激波上游的气体体积分数大于其下游的值。正激波的上下游流动计算结果基本满足泡状流动力激波的激波关系。     

矿石堆场抑尘网对不同风速折减效果的数值分析

针对开放性矿石堆场在外力作用下极易造成颗粒扬尘污染的问题，对防风抑尘网在不同来流下的风速折减效果进行研究。应用Fluent提供的RNG k-ε模型对抑尘网后的流场进行数值模拟，结合实测数据建立三维模型，计算不同来流条件下料堆表面速度的分布情况。模拟结果表明：1)气流经过抑尘网孔隙梳理后，在抑尘网后存在明显的旋涡回流区，进而改变料堆表面空气流动结构，有效降低料堆表面速度。2)速度综合折减率为23.52%。不同方向来流的情况下，旋涡回流区覆盖堆场的面积不同。速度综合折减率具有显著差异性，差异幅度为7.69%～50.87%,北西北、北东北来流衰减作用尤为显著。     

疏浚粗颗粒管道输送特性模拟及淤堵成因分析

为解决粗颗粒介质在管道输送中阻力大、易堵管和管道磨损加剧等问题,文章利用CFD-DEM耦合的方法,探究粗颗粒在管道中的微观运动特性、流态转变现象和流态稳定性。研究表明颗粒速度是影响颗粒在管道内运动状态的关键因素,当颗粒处于临界流速以下时,颗粒处于极不稳定的定床或动床流动状态,易导致堵管现象的发生;而当颗粒处于滑动流状态时,颗粒运动速度稳定,管道内没有颗粒沉积,可视为施工宜采用状态。     

淹没条件下水射流喷嘴内外流场特性

基于水射流技术环保、取材方便和切割能力强的特点,提出一种应用水射流切割礁石的方法。通过建立二维平面数学模型,对淹没条件下高压水射流运动特性进行模拟计算。结果表明,射流初始段为冲击速度最大、动压最大且能量最为集中的区域。淹没水深0～30 m内,伴随着水深围压的增加,初始段速度衰减不足5 m/s,衰减程度仅约1. 5%。在水流流速0～5 m/s的淹没环境中,射流初始段受水流冲击作用影响较小,水平方向速度分量变化仅在8. 5 m/s内,射流未发生明显偏离,仍具备较好的冲击流态。     

2070t/h对冲燃烧超临界锅炉NO_x排放特性试验研究

针对湖南某电厂2 070 t/h对冲式燃烧超临界锅炉NOx排放过高的情况,对其进行了燃烧试验,分析了省煤器出口氧量体积分数、二次风开度、机组负荷、燃尽风开度等运行因素对锅炉燃烧及NOx排放特性的影响,在单因素较优方案下做了多因素变化对NOx排放影响的试验研究.试验结果表明:省煤器出口氧量体积分数、燃尽风开度和机组负荷对锅炉NOx排放质量浓度有十分显著的影响;随着省煤器出口、SAR入口之前的氧量体积分数的上升,NOx排放质量浓度表现为比较明显的上升规律;随着机组负荷的升高,NOx排放质量浓度表现为先升高后降低.通过设置不同的二次风配风方式、燃尽风开度等运行方式,得出该锅炉的NOx排放特性,从而降低NOx排放.     

动波壁圆柱流场的数值模拟与减阻机理

利用计算流体力学软件Fluent开展动波壁圆柱绕流的数值计算,建立二维运动波浪壁圆柱模型。在来流速度u=0.005 m/s、雷诺数Re=500的情况下,开展动波壁波动速度c=0,0.005,0.01,0.015,0.02,0.025,0.03,0.04 m/s等8个工况的计算分析,并比较不同波动速度对流场结构、升力、阻力特性的影响。结果表明:动波壁圆柱能有效抑制流动的分离,消除交替脱落的尾涡,减阻效果突出;随着波动速度的增大,平均阻力系数呈明显下降趋势;当波速超过0.025 m/s时,阻力变为负值,即波动圆柱产生一定的推力。     

压载水旋流预处理单元的优化设计与数值模拟

压载水管理公约D2对压载水中颗粒物粒径范围及含量做出了明确规定。为满足此规定,水力旋流器逐步开始应用于船舶压载水处理系统中。为了提高水力旋流器的分离效率,通过改变水力旋流器的入口结构对水力旋流器进行优化,即将入口结构设计为阿基米德螺线形入口来增加流体转动速度,降低能量消耗,从而提高分离效率。应用Fluent软件,结合雷诺应力模型(RSM)和混合多相流(Mixture)分析方法,对优化前、后的水力旋流器进行固-液两相流数值模拟。模拟内容包括水力旋流器内的速度分布、固相体积分数分布以及分离效率等。通过对比2种模型的模拟结果,说明优化的水力旋流器内部的流场速度以及分离效率均有一定的提高,达到了优化目的。     

船体、定子与导管相互干扰尾流特性的数值模拟与试验验证研究

文章通过求解RANS方程,结合雷诺应力模型,数值模拟了水下航行体模型SubA在不带导管、定子与带导管、定子两种不同状态下的尾流三向速度场,分析了船体、定子与导管相互干扰尾流特性,数值模拟给出了模型尾部不同半径上的三向速度与伴流分数,并与试验结果进行了对比分析,两者结果吻合得很好,研究表明文中所使用的数值计算方法可以有效地模拟尾部三向速度场.通过对比发现,定子与导管对尾流场有阻滞作用,且相互干扰尾流特性相当复杂.同时利用数值模拟方法探讨了尾部去流段长径比对尾流场的影响,计算了两种不同长径比回转体模型的尾部去流段边界层速度分布,详细分析了尾部外法线上速度分布和边界层厚度随长径比的变化,指出该模型尾部去流段相对短粗肥胖,导致逆压梯度相对较大且变化剧烈,从而导致边界层增厚,速度相对降低,卷吸携带作用减弱,最终桨盘面轴向速度分布产生相应变化.     

基于LES方法圆柱绕流三维数值模拟(英文)

采用计算流体软件CFX5中large.eddy simulation(LES)模型计算了均匀流场中三维圆柱绕流的水动力特性.使用有限体积法对三维N-S方程进行求解.数值模拟着重研究了高雷诺数时展向各截面的压力、阻力、升力及涡管特性.数值计算结果表明:展向各截面柱体受力关于中截面对称且小于二维情况,柱体周围流场呈现明显的三维特性.