高负荷局部进气涡轮内部流场不均匀性数值研究

以高负荷局部进气涡轮为研究对象,对其进行了数值研究,并着重对该局部进气涡轮内部流场不均匀性进行了分析。结果表明:局部进气涡轮内部流场的流动情况十分复杂,局部进气堵塞段的存在,使其后面对应的动叶栅进出口速度矢量偏向周向,导致该区域叶片流道内形成了大尺度的旋涡结构,降低了流道的通流能力,增大了该区域的损失水平;各级动叶进出口静压沿周向分布极不均匀,从第一级动叶入口至第二级动叶出口,静压周向不均匀性参数分别为:1.5593、1.0179、0.9163和0.1551,不均匀性沿轴向逐渐衰减;处于不同周向位置的叶片表面压力分布差异明显,直接影响了动叶的做功能力。     

局部进气涡轮优化设计研究

为了能够有效优化局部进气涡轮性能,通过对现有软件模块进行二次开发,并利用人工神经网络结合粒子群-遗传混合算法,建立了局部进气涡轮气动优化设计平台,分别在全周进气单流道和局部进气环境下对涡轮进行了分步优化。结果表明:在全周进气单流道条件下,通过对各排动静叶进出口几何角、安装角和第一级动叶积叠规律的优化,改善了涡轮内部流动状态,使涡轮总静效率在全周进气单流道条件下累计提升了3.24%;通过对全周进气单流道优化结果进行局部进气构型,并进一步在局部进气环境下对第一级动叶叶型进行优化,消除了第一级动叶排根部因局部进气气动参数周向分布不均匀而导致的流动分离,使优化后的局部进气涡轮总静效率较原型累计提升了3.72%。     

具有嵌入式流道的贯穿电极热再生电池性能特性

多孔电极内物质传输对热再生电池性能至关重要,而传质较佳的穿透电极内仍然存在物质分布不均,为此构建嵌入式流道以强化物质均匀分布和传输。本文研究了嵌入式流道形式及数量、电解液流量对穿透电极热再生电池物质传输及产电性能的影响。研究结果表明,由于交错型流道具有较佳的物质传输和较均匀的物质分布,电池获得了最高功率(10.0 m W)、最大产电量(1929.1 C)和最高的相对卡诺效率(10.2%)。在一定范围内交错型流道数量越多致使物质分布越均匀,电池最大功率越高。此外,电池最大功率随着电解液流量的增加逐渐增大,但增大速率逐渐减小,最佳电解液流量为30 mL/min。     

CRAFT超导磁体平台冷却用超临界氦循环泵性能分析

为聚变堆主机系统综合研究设施(CRAFT)超导磁体提供低温环境,满足超导磁体大流量迫流冷却需求,设计了350 g/s的超临界氦循环泵的流道部分,利用N-S方程和SST k-ω模型,研究超临界氦在泵中的流动特性,获得了压力分布场、速度场等,得到不同流量下泵的外特性曲线。结果表明：泵在设计流量350 g/s下水力效率达86.2%,出口压力为6.2 bar,流道压力分布均匀,流道设计满足要求。     

锂电池液冷结构设计与仿真分析

锂离子电池近年来被广泛应用于电动汽车之中,其对温度具有很高的灵敏度,温度过高会使得电池组电化学性能严重下降。采用双进双出的微通道液冷板换热器对电池进行热管理,为了优化液冷板的冷却性能分析了入口Re数、冷却液温度、流道宽度和流道进出口位置对电池组热性能的影响。结果表明,在单体电池以3C电流倍率放电时该结构能够有效地将电池组温差控制在5℃以内。增大入口Re数、流道宽度对电池组温度变化影响较小;改变流道宽度与进出口位置能够有效改善电池组的温度均匀性。     

DMFC两相流及其对传质影响的研究

采用自制的实验系统对液态进料直接甲醇燃料电池(DMFC)阳极交叉指状流道内的两相况功特性进行了可视化实验研究.自制的DMFC单电池带有透明窗口,采用镀金的不锈钢阴极极板和透明的聚碳酸脂阳极流场板,电解质为Nafion117膜.实验过程中燃料电池的进口总管和出口总管是水平的,进口流道和出口流道是竖直的.实验发现,出口流道中典型的两相流流型是泡状流、而出口总管中的典型流型是弹状流.进口流道中的气弹和气柱导致了阳极传质恶化.     

轴向进气位置对转静盘腔传热影响的分析

本文对具有不同轴向进气位置的两个转静盘腔的流动和传热进了数值模拟。这两个盘腔除进气位置不同外,具有相同的几何结构,进气流量及温度边界条件。在盘腔的核心区采用标准k-ε紊流模型,近壁区采用单方程模型。求解并分析了包括流体域,固体域的整体温度分布以及流固界面上的努塞尔数分布。     

CFETR内冷屏结构方案初探

基于现有冷屏结构,结合 CFETR 聚变堆装置的结构特点,提出了一种沿冷却板厚度方向钻冷却通 道的深孔结构方案。对内冷屏各部件设计了并联加串联的特殊流道,采用有限元法计算了该方案内冷屏各部件的 温度分布。结果表明,采用深孔法冷却方式,冷屏温度分布更均匀,降温效果更好。在输出辐射功率相近的条件 下,深孔法的冷却方式可将表面辐射率上限由 0.05 提高到 0.075,能用低表面辐射率和低活化性材料如铬和钨元 素作为冷屏表面涂层替代银涂层。     

质子交换膜燃料电池及其发电系统模拟

本文通过质子交换膜燃料电池单电池子模型、布气管子模型、流场子模型相互耦合,对电池堆传热传质过程加以数值模拟,得到单电池及电池堆的流场、温场、当地电流密度分布、过电位分布;给定平均电流密度下单电池及电池堆输出电压等参数;并比较了平均电流密度、布气管尺寸对电池输出电压、堆内反应物分配的影响;在此基础上,对整个ＰＥＭＦＣ发电系统进行流程模拟和参数分析,得到平均电流密度、重整器Ｓ／Ｃ等主要参数对系统性能影响．     

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根据聚变-裂变混合堆概念堆型的燃料区水冷设计,通过FLUENT建模和模拟计算,比较了均匀流量和按燃料单元发热量比例分配流量两种冷却剂布置方案。数值计算结果表明,这两种布置方案中燃料单元之间的导热很小,除燃料单元1中冷却管道外,其余的冷却管道带走的热量几乎等于相应燃料单元的发热量,在用系统分析程序等效建模时,不必重新确定冷却管道的热构件;对后一种布置方案燃料区的最高温度更低,温度分布更均匀,但温度展平效果并不明显。计算了堆外自然循环系统在假设的失水事故(LOCA)中的导热能力。结果表明,如果不采用自然循环系统,停堆后520s发生堆芯熔化;但是如果采用自然循环系统,停堆后1000s,燃料区的最高温度只达到584.4°C,不会发生堆芯熔化。     

Effect of staggered array structure on the flow field of micro gas chromatographic column

A new design of staggered array semi-packed micro gas chromatographic column was presented based on the micro electromechanical system(MEMS)technology.It was a sensor for gas sample analysis.The internal velocity fields of ten types of semi-packed micro gas chromatographic column were studied.The effects of array spacing and dislocation spacing on the flow field distribution were investigated.The results show that on the basis of ensuring the formation of virtual wall,with the increase of array spacing,the maximum velocity difference between the flow channels in the vertical direction decreases gradually,but the velocity difference in the flow channels a and b increases.When the inlet velocity was set to be 0.18 m/s,the maximum velocity difference in the channel of the staggered semi-packed micro gas chromatography column 3(CSAC3)was 0.05610 m/s.The maximum velocity difference in the channel a was 0.09160 m/s.The maximum velocity difference in the channel b was 0.02401 m/s.CSAC3 had a more uniform velocity field distribution,which can effectively suppress the laminar flow effect during chromatographic separation,and had a smaller pressure distribution,which puts forward lower requirements for carrier gas system.The staggered array semi-packed micro gas chromatography column proposed in this paper can effectively improve the velocity field distribution and pressure distribution in the channel,and provide a theoretical basis for the design of the new micro gas chromatography column structure.     

质子交换膜燃料电流道淹没与传质强化

在地面常重力环境下,采用透明电池可视化方法研究了质子交换膜燃料电池阳极和阴极的流道淹没现象。分别研究了阳极和阴极反应物流量对电池内部传质和电池性能的影响。结果表明,电池阴极的淹没区域比阳极大,由电极淹没引起的气体传质受限和电化学反应受限主要发生在阴极。提高反应物流量能够强化气体传质并提高电池性能,并且提高电池阴极侧反应物流量比提高阳极侧反应物流量对提高电池性能更有效。本文工作为进一步开展微重力环境中的燃料电池实验提供了比较依据。     

垂直圆管内向上稀疏层流泡状流相分布的实验研究

采用三维照相法对垂直圆管内稀疏层流泡状流充分发展段的相分布进行了实验研究。得到了８个流动工况下均匀尺寸气泡形成的泡状流的空泡率分布以及６个流动工况下非均匀尺寸气泡形成的泡状流的总体和大、小气泡组各自的空泡率分布．实验结果表明当气泡组的平均直径小于约３．５ｍｍ时,其空泡率分布在管壁附近出现尖峰;当气泡组的平均直径大于约 ３．５ ｍｍ时,其空泡率分布的尖峰移向管中心;气泡尺寸对泡状流的相分布有重要影响．     

Fabrication of porous metal fiber sintered sheet as a flow field for proton exchange membrane fuel cell

To improve the diffusion performance of reactive gas, a porous copper fiber sintered sheet (PCFSS) was fabricated and used as the flow field for proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). The pressure and flow velocity distribution of the reaction gas in the PCFSS was firstly compared with the serpentine flow field by using the Fluent simulation software. Our results showed that the superiority of PCFSS in the uniformity of gas diffusion was observed. The total resistance of PEMFC with PCFSS in different porosities was obtained. And the advantages of PCFSS in electronic transmission were found by comparing with the serpentine flow field. Besides, the influences of different operating conditions and different porosities of porous flow fields on the performance of PEMFC were experimentally investigated. With the cell temperature of 70 °C as well as the humidification temperature of 60 °C, a PEMFC with PCFSS of 70% porosity exhibited better performance.     

纳米通道内气体剪切流动的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了表面力场对纳米通道内气体剪切流动的影响规律.结果显示通道内的气体流动分为两个区域:受壁面力场影响的近壁区域和不受壁面力场影响的主流区域.近壁区域内,气体流动特性和气体动力学理论预测差别很大,密度和速度急剧增大并出现峰值,正应力变化剧烈且各向异性,剪切应力在距壁面一个分子直径处出现突变.主流区域的气体流动特性与气体动力学理论预测相符合,该区域内的密度、正应力与剪切应力均为恒定值,速度分布亦符合应力-应变的线性响应关系.不同通道高度及密度下,近壁区域的归一化密度、速度及应力分布一致,表明近壁区域的气体流动特性仅由壁面力场所决定.随着壁面对气体分子势能作用的增强,气体分子在近壁区域的密度和速度随之增大,直至形成吸附层,导致速度滑移消失.通过剪切应力与切向动量适应系数(TMAC)的关系,得到不同壁面势能作用下的TMAC值,结果表明壁面对气体分子的势能作用越强,气体分子越容易在壁面发生漫反射.     

Numerical Simulation Study on Flow Laws and Heat Transfer of Gas Hydrate in the Spiral Flow Pipeline with Long Twisted Band

The natural gas hydrate plugging problems in the mixed pipeline are becoming more and more serious. The hydrate plugging has gradually become an important problem to ensure the safety of pipeline operation. The deposition and heat transfer characteristics of natural gas hydrate particles in the spiral flow pipeline have been studied. The DPM model (discrete phase model) was used to simulate the motion of solid particles, which was used to simulate the complex spiral flow characteristics of hydrate in the pipeline with a long twisted band. The deposition and heat transfer characteristics of gas hydrate particles in the spiral flow pipeline were studied. The velocity distribution, pressure drop distribution, heat transfer characteristics, and particle settling characteristics in the pipeline were investigated. The numerical results showed that compared with the straight flow without a long twisted band, two obvious eddies are formed in the flow field with a long twisted band, and the velocities are maximum at the center of the vortices. Along the direction of the pipeline, the two vortices move toward the pipe wall from near the twisted band, which can effectively carry the hydrate particles deposited on the wall. With the same Reynolds number, the twisted rate was greater, the spiral strength was weaker, the tangential velocity was smaller, and the pressure drop was smaller. Therefore, the pressure loss can be reduced as much as possible with effect of the spiral flow. In a straight light flow, the Nusselt number is in a parabolic shape with the opening downwards. At the center of the pipe, the Nusselt number gradually decreased toward the pipe wall at the maximum, and at the near wall, the attenuation gradient of the Nu number was large. For spiral flow, the curve presented by the Nusselt number was a trough at the center of the pipe and a peak at 1/2 of the pipe diameter. With the reduction of twist rate, the Nusselt number becomes larger. Therefore, the spiral flow can make the temperature distribution more even and prevent the large temperature difference, resulting in the mass formation of hydrate particles in the pipeline wall. Spiral flow has a good carrying effect. Under the same condition, the spiral flow carried hydrate particles at a distance about 3–4 times farther than that of the straight flow.     

气力提升系统气液两相流数值模拟分析

污水处理、油田采油、液态金属冷却反应堆和磁流体动力转换器等领域采用气力提升系统有其显著优势.由于不同液体介质与气体介质密度对气力提升系统性能影响较大,因此本文基于Fluent仿真软件,采用欧拉模型、k-ω剪切应力输运湍流模型数值模拟了氮气-水、氮气-煤油、氮气-水银及空气-水、氩气-水、氮气-水下气力提升系统内气液两相流动行为,分析了系统稳定时提升立管内气相体积分数、提升液体流量、提升效率、提升管出口处液体径向速度的变化规律.研究结果表明:1)氮气-水、氮气-煤油、氮气-水银系统中,提升管内液体介质密度越大,提升管内气相体积分数越小、提升液体流量越大、提升效率越高;2)空气-水、氩气-水、氮气-水系统中,提升管内气体介质密度越大,提升管内气相体积分数越小、提升液体流量越大、提升效率峰值越小;3)提升管出口处提升液体径向速度随气体充入量的不断增加而整体波动升高,最终管轴中心附近液体速度较大,管壁附近液体速度较小.本文研究成果为污水处理、气举采油、液态重金属冷却核反应堆和磁流体动力转换器等应用领域的气力提升技术的优化提供科学的理论基础.     

次级源近场和管壁弹性对充液管路有源消声性能的影响EI北大核心CSCD

建立了含次级源结构的充液直管有源消声系统数值模型,重点分析了声激励下次级源近场和管壁弹性对有源消声性能的影响。结果表明:次级源近场为非均匀声场,误差点位于该区域时部分频点控制效果较差甚至放大,而处于声场均匀区域时可使降噪量提高10 dB以上,增加误差点数量可使绝大多数频点的降噪量提高5 dB以上;管壁弹性使次级源与管壁间的耦合较强,非对称分布的次级源容易激起管壁振动,导致降噪谷值的出现,采用对称分布的次级源可显著提升控制效果;增加次级源数量能够提高系统的有源无源复合控制效果,但使得管内声场变得复杂,多次级源模型的有源消声效果随频率升高而有所降低。     

基于OpenFOAM的投影法磁流体求解器开发与验证

在开源计算流体力学C++工具包OpenFOAM环境下开发了低磁雷诺数条件下的磁流体求解器,并进行了验证。采用投影算法求解动量方程和压力泊松方程;采用非结构网格同位相容守恒算法求解电势泊松方程、感应电流和洛伦兹力;采用边界耦合方法求解流固耦合电势场。通过对均匀磁场下导电方管和导电圆管内的完全发展磁流体层流的数值模拟和解析解的对比,对求解器进行了验证。进一步对非均匀强磁场作用下导电方管和导电圆管内完全发展磁流体层流进行了数值模拟,并与ALEX实验结果进行了比较。数值解和实验结果吻合良好。所开发的求解器可用于复杂结构强磁场作用下磁流体的数值模拟研究。     

网络窄缝通道气液逆向渗透传输特性研究

利用网络窄缝通道模拟实验研究DMFC多孔扩散层气液两相逆流传输特性,结果表明,网络结构喉道内水侵渗机制呈"活塞状",孔内侵渗机制包含三种:"弯月形"、"球冠形"和几何截面突变处"夹断"气柱方式;网络结构内空气驱替水的机制包含两种:喉道内呈"活塞状"驱替,孔内呈"球冠形"驱替;气体流量小,气驱液在网络结构内呈现稳定驱替现象,随着气体流量的增加,逐渐向"树冠形"分布转变;网络结构内气相驱动压力随气相流量和水流量的增加而增加;气相饱和度略有减小。