任意形冒落非均质采空区流场流态数值模拟

为研究冒落非均质采空区流场流态及其随边界条件的变化，基于多孔介质渗流方程建立了采空区漏风流态的有限元数值模型，结合现场实例，从宏观上描绘了复杂几何形状采空区的漏风流态（风压分布等值线和流函数线），给出更准确的流态图形分布解．指出用流函数Laplace方程修正函数，对复杂形状和沿多边界方向非均质的采空区流场计算，仍能满足流网正交，其正交性可通过剖分网格精度来控制，得到采空区漏风强度沿固壁边界附近的冒落非压实区相对较大，工作面上下端附近处的漏风强度很大，并直通采空区深部。     

前进式U形通风采空区风流与自燃的数值模拟

基于渗流方程、多组分气体渗流-扩散方程和多孔介质渗流传热方程,建立前进式开采U型 通风采空区自然发火模型. 通过迭代方法计算沿空巷道的侧漏风量,以此边界条件数值模拟 计算出前进式开采U型通风采空区的漏风规律;根据瓦斯-Ohttp://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_lxysj200804005.aspx前进式开采U型通风;采空区;风流规律;自燃温度场;有限元; 基于渗流方程、多组分气体渗流-扩散方程和多孔介质渗流传热方程,建立前进式开采U型 通风采空区自然发火模型. 通过迭代方法计算沿空巷道的侧漏风量,以此边界条件数值模拟 计算出前进式开采U型通风采空区的漏风规律;根据瓦斯-Ohttp://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_lxysj200804005.aspx前进式开采U型通风;采空区;风流规律;自燃温度场;有限元; 基于渗流方程、多组分气体渗流-扩散方程和多孔介质渗流传热方程,建立前进式开采U型 通风采空区自然发火模型. 通过迭代方法计算沿空巷道的侧漏风量,以此边界条件数值模拟 计算出前进式开采U型通风采空区的漏风规律;根据瓦斯-Ohttp://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_lxysj200804005.aspx前进式开采U型通风;采空区;风流规律;自燃温度场;有限元;基于渗流方程、多组分气体渗流-扩散方程和多孔介质渗流传热方程,建立前进式开采U型通风采空区自然发火模型.通过迭代方法计算沿空巷道的侧漏风量,以此边界条件数值模拟计算出前进式开采U型通风采空区的漏风规律;根据瓦斯-O2-CO浓度和温度分布状态及其变化来描述自燃过程.在计算中,采空区非均质性按自然冒落考虑,兼顾瓦斯涌出对自燃的耦合作用;模拟得到,在前进式开采特有的3面漏风边界条件下,采空区自燃位置(最高温点)在开切眼冒落区进风一侧,自燃产生的有害气体和瓦斯随漏风流从回风边界渗出.在前进开采U型通风形式下,通风量在到达工作面时衰减很大,因此,前进开采布置一次推进距离不易过大;解决好沿空留巷的封堵材料和正确的堵漏措施,是保证前进式开采顺利进行的技术关键.     

采空区流场非达西渗流一种新的迭代算法

对Bachmat非线性渗流方程求解问题，结合采空区问题的力学特点，提出基于变渗透率达西 (Darcy)渗流求解非线性渗流的迭代算法. 建立了冒落采空区非线性漏风流态的有限元数 值模型，通过对复杂边界采空区的漏风渗流的计算，得到与实际流态更接近的流动规律(风 压等值线和流函数线)和采空区漏风强度分布(速度场). 结果表明，迭代算法是振荡性收 敛的，收敛速度快；与Darcy渗流相比，采空区非线性渗流速度场趋向于平缓，在工作面附 近30\,m范围内最大风速降低到原来的0.61倍，其余大部分区域速度略有增加. 迭代方法满 足工程要求.     

颗粒材料中致密波结构研究

采用一维两相流模型与相应颗粒构形应力函数,研究了致密波的形成及其结构．用简化两相流模型系统地讨论致密波对有关因素的依赖关系．分析指出：小于基体材料音速的致密波仅能在非理想颗粒材料中存在,从波前到波后,所有状态物理量光滑过渡．大于基体材料音速的致密波,波头可能存在间断．应力函数与致密粘性确定后,致密波速度决定致密波结构、宽度、终态压实度．采用一维两相流模型模拟了活塞驱动颗粒床形成致密波这一动态过程．用线方法（MOL）对该方程组求数值解．计算表明,经过短暂的非稳态过程,颗粒床中形成一稳态致密波．分析了活塞速度与初始孔隙率对致密波结构的影响,并对简化两相流模型与两相流模型的计算结果进行了对比．     

水垫塘三元流态及消能特征的数值和实验研究

采用数值模拟和实验测试相结合的方法对水利工程中高拱坝泄洪水垫塘三元流场进行研究．获得了详细的流态特征，得到了水垫塘三元典型流态概化图．研究了水垫塘消能特性，并据此将塘内水体划分为剪切消能区、撞击消能区和混掺消能区．计算和实验所得的速度场及底板最大冲击动压相比较，二者基本一致．     

瞬变流摩阻计算及摩阻对水力瞬变的影响

摩阻损失的精确计算对于长输管道的水力瞬变分析是很重要的一个环节、过去为减少计算工作量，采用固定摩阻系数和流量一阶近似法计算瞬交流摩阻，精度有限．本跟踪液流流态变化，采用变摩阻系数和流量二阶插值法计算瞬交流摩阻，提高了摩阻计算精度．同时，从理论上分析了管道摩阻对水力瞬变的影响，澄清了一些模糊认识．     

高温非平衡流动中的氧分子振动态精细分析

高超声速流动在头激波压缩后常处于高 温条件下的热化学非平衡状态. 本文采用态-态方法和双温度模型计算分析了一维正激波后和高超声速钝体绕流驻点线上的氧气热化学非平衡流动. 态-态方法将氧气的每个振动能级当成独立的组分,通过耦合 Euler 方程或驻点线上的降维 Navier-Stokes 方程,数值求解得 到了高温流动中的精细热化学非平衡状态. 而双温度模型假设氧气的振动能级服从 Boltzmann 分布,通过求解振动能方程得到振动温度. 一维正激波后热化学松弛过程的计算结果表明,态-态计算预测的温度分布和氧原子浓度分布较好地吻合了文 献中的实验结果,而经典的双温度模型的预测结果误差较大,且不同双温度模型的计算结果比较发散. 态-态方法详细地给出了所有振动能级的变化过程. 无论是正激波还是脱体激波后的流场,都是高振动能级首先得到激发;但是数密度大的低振动能级先达到热平衡,而高能级 分子要经过很长距离后才能达到热平衡. 在驻点附近,复合反应生成的氧气分子处于高振动能级,导致高振动能级分子数密度显著高于平衡分布. 计算还发现,经典双温度模型的离解反应速率明显偏离态-态计算结果,无法准确体现振动离解耦合效应对离解反应 速率的影响,但是 Park 双温度模型将离解失去的振动能取为 0.3$\sim 高超声速流动在头激波压缩后常处于高 温条件下的热化学非平衡状态. 本文采用态-态方法和双温度模型计算分析了一维正激波后和高超声速钝体绕流驻点线上的氧气热化学非平衡流动. 态-态方法将氧气的每个振动能级当成独立的组分,通过耦合 Euler 方程或驻点线上的降维 Navier-Stokes 方程,数值求解得 到了高温流动中的精细热化学非平衡状态. 而双温度模型假设氧气的振动能级服从 Boltzmann 分布,通过求解振动能方程得到振动温度. 一维正激波后热化学松弛过程的计算结果表明,态-态计算预测的温度分布和氧原子浓度分布较好地吻合了文 献中的实验结果,而经典的双温度模型的预测结果误差较大,且不同双温度模型的计算结果比较发散. 态-态方法详细地给出了所有振动能级的变化过程. 无论是正激波还是脱体激波后的流场,都是高振动能级首先得到激发;但是数密度大的低振动能级先达到热平衡,而高能级 分子要经过很长距离后才能达到热平衡. 在驻点附近,复合反应生成的氧气分子处于高振动能级,导致高振动能级分子数密度显著高于平衡分布. 计算还发现,经典双温度模型的离解反应速率明显偏离态-态计算结果,无法准确体现振动离解耦合效应对离解反应 速率的影响,但是 Park 双温度模型将离解失去的振动能取为 0.3$\sim $0.5 倍分子离解能是比较合理的.     

三维N-S方程计算隐式有限体积法

利用NND有限差分格式，发展了一种新的完全隐式的有限体积数值方法，以求解与时间相关的N－S方程．对通过单元体界面的无粘流和粘性流通量均作隐式处理．对绕流钝锥体和不同攻角的气动辅助实验飞行器的高超声速粘性流和化学反应流获得了定常数值解．对流加热率和流场电子密度的计算值与实验数据进行了比较，符合较好，证实了本方法的精确性．     

空化、超空化流动的数值模拟方法研究

基于结构化网格，运用可压缩流N—S方程及k-ε湍流模型对流场进行求解，在低压区域引入一种基于混合密度函数的空化模型对轴对称体的空化、超空化流动进行了数值模拟．通过将半球圆柱的计算结果与实验数据和前人的计算结果进行对比，验证了所发展的数值方法的可靠性．最后，采用非定常的数值方法，研究了钝头体射弹的空化、超空化流动特性，并模拟了其超空泡的发展过程．     

基于连续模型的人员疏散仿真分析

行人流连续模型直观地反映人群疏散过程中的疏散特征，本文基于行人流连续模型。研究行人在典型疏散场景下的疏散特征．在COMSOL中建立行人流连续模型及其方程，通过编写MATLAB代码，实现了连续模型及其循环求解框架．利用快速扫描法求解Eikonal方程得到背景场值，在每一步迭代循环中将背景场值作为模型的初始变量导入，调用COMSOL计算模块求解模型的瞬态控制方程．通过两个标准算例，重现了典型的行人流自组织现象，验证了连续模型的合理性．结果表明，本文的疏散仿真分析模型和计算程序是可靠的，疏散仿真分析可以为实际工程中的人员疏散方案的制定以及平面设计与安全布置等方面提供技术支撑．     

综放工作面煤柱内漏风与耗氧过程的数值模拟

对综采放顶煤工作面采空区隔离煤柱内的漏风流动规律及氧浓度消耗变化过程用数值模拟方法进行了研究,求解了空气在煤体流场中的漏风渗流方程和氧浓度分布的动态变化过程,为分析松散煤柱体内自然发火的产生过程和判断自然发火危险带的深度提供一种新方法。     

旋流燃烧室内湍流燃烧速度场的实验研究

建立了采用分级进风方式的同轴射流旋流燃烧室实验装置，选用耐高温的氧化铝细粉作为示踪粒子，实现了用三维激光粒子动态分析仪(PDA)测量湍流旋流燃烧的热态瞬时速度场．在分级进风比率和旋流致不同的3组实验工况条件下，得到了气体时均轴向与切向速度、轴向与切向脉动速度均方根值和轴向—切向脉动速度二阶关联量的分布．     

Explosion characteristics of coal gas under various initial temperatures and pressures

Explosion limits data are essential for a quantitative risk assessment of explosion hazard associated with the use of coal gas. The present work is to investigate the influence of various initial temperatures and pressures on explosion characteristics of coal gas/air mixture. The explosion limits and the minimum ignition energy of coal gas/air mixture are obtained experimentally at various temperatures ranging from 20 to 80°C and pressures ranging from 0.1 to 0.2 MPa. An empirical equation is established from the experimental results for the effects of initial temperatures and pressures on explosion limits. By adding diluent (nitrogen) into coal gas/air mixtures, the dilution effects on the explosion limits have been explored as well, and a critical flammable concentration of coal gas is determined to be at 7.4–9.0% by volume. By means of a high-speed digital video camera, the flame front development is recorded and analyzed. The tests are carried out with lean, stoichiometric and rich mixtures of coal gas in air under the conditions of initial pressure and nitrogen addition. Furthermore, the influence of the initial pressure and the concentration on the explosion pressure is measured and compared against theoretical results, where a good agreement is observed.     

微重力燃烧研究进展

认识燃烧过程是安全、高效、洁净地利用能源的基础. 但是, 常重力条件下的浮力对流和重力沉降使得燃烧现象变得复杂. 而微重力条件下这些影响几乎消失, 这简化了对燃烧的研究. 在加深对地面燃烧过程和载人航天器火灾安全问题的认识的推动下, 经过近半个世纪特别是最近10多年的发展, 微重力燃烧研究已经涵盖了预混气体、气体扩散、液滴、颗粒和粉尘燃烧、燃料表面的火焰传播等燃烧学科的各个领域. 研究中实现了球对称液滴燃烧、不受沉降影响的粉尘燃烧、静止或低速对流环境中的燃烧, 观察到了火球、自熄灭火焰等现象,阐明了碳黑形成中的热泳力效应、可燃极限与火焰稳定性等机理. 加深了对燃烧现象,特别是对辐射效应的理解: 在预混气体、气体扩散、液滴等多种火焰中, 除了停留时间过短引起的吹熄极限外, 还存在辐射热损失过大引起的冷熄极限, 后者只能在微重力条件下观测到. 部分研究成果已经进入教材. 而火焰在微重力下不同于常重力下的现象, 对载人航天器火灾安全具有重要意义. 考虑到我国的现实情况和国内外的研究现状, 建议将煤炭颗粒和粉尘的燃烧、与碳黑相关的机理、辐射效应、化学动力学等作为我国微重力燃烧的主要研究方向.     

大速差射流燃烧室中烟煤与贫煤燃烧的数值模拟

本文基于颗粒相的轨道模型,对大速差射流燃烧室中烟煤粉与贫煤粉的二维流动,混合及燃烧进行了数值模拟,模拟结果从两相耦合的角度,阐明了煤粉颗粒在燃烧室中运动的规律,煤粉与大速差射流诱导的中心气体逆流之间的混合及其对煤粉火焰稳定的影响,指出此种燃烧室中煤粉火焰稳定的回流区燃烧机理,气相流场及回流区的预报结果与实验符合良好。     

Numerical study of the spontaneous nucleation of self-rotational moist gas in a converging–diverging nozzle

Spontaneous nucleation is the primary way of droplet formation in the supersonic gas separation technology, and the converging–diverging nozzle is the condensation and separation unit of supersonic gas separation devices. A three-dimensional geometrical model for the generation of self-rotational transonic gas flow is set up, based on which, the spontaneous nucleation of self-rotational transonic moist gas in the converging–diverging nozzle is carried out using an Eulerian multi-fluid model. The simulated results of the main flow and nucleation parameters indicate that the spontaneous nucleation can occur in the diverging part of the nozzle. However, different from the nucleation flow without self-rotation, the distributions of these parameters are unsymmetrical about the nozzle axis due to the irregular flow form caused by the self-rotation of gas flow. The nucleation region is located on the position where gas flows with intense rotation and the self-rotation impacts much on the nucleation process. Stronger rotation delays the onset of spontaneous nucleation and yields lower nucleation rate and narrow nucleation region. In addition, influences of other factors such as inlet total pressure p ₀, inlet total temperature T ₀, the nozzle-expanding ratio ? and the inlet relative humidity ф ₀ on the nucleation of self-rotational moist gas flow in the nozzle are also discussed.     

Mathematical Model of Coalbed Gas Flow with Klinkenberg Effects in Multi-Physical Fields and its Analytic Solution

The deep-mining coal seam impacted by high in situ stress, where Klinkenberg effects for gas flow were very obvious due to low gas permeability, could be regarded as a porous and tight gas-bearing media. Moreover, the Klinkenberg effects had a significant effect on gas flow behavior of deep-mining coal seam. Based on the gas flow properties of deep-mining coal seams affected by in situ stress field, geothermal temperature field and geo-electric field, a new mathematical model of coalbed gas flow, which reflected the impact of Klinkenberg effects on coalbed gas flow properties in multi-physical fields, was developed by establishing the flow equation, state equation, and continuity equation and content equation of coalbed gas. The analytic solution was derived for the model of one-dimensional steady coalbed gas flow with Klinkenberg effects affected by in situ stress field and geothermal temperature field, and a sensitivity analysis of its physical parameters was carried out by comparing available analytic solutions and the measured values. The results show that the analytic solutions of this model of coalbed gas flow with Klinkenberg effects are closer to the measured values compared to those without Klinkenberg effects, and this model can reflect more accurately gas flow of deep-mining coal seams. Moreover, the analytic solution of this model is more sensitive to the change of Klinkenberg factor b and temperature grad G than depth h.     

Numerical simulation of gaseous fuel injection: A new methodology for multi‐dimensional modelling

The use of natural gas (instead of liquid or solid fuels) is nowadays drawing an increasing interest in many applications (gas turbines, boilers, internal combustion engines), because of the greater attention to environmental issues. To facilitate the development of these applications, computer models are being developed to simulate gaseous injection, air entrainment and the ensuing combustion. This paper introduces a new method for modelling the injection process of gaseous fuels that aims to hold down grid requirements in order to allow the simulation also of other phenomena, like combustion or valve and piston motion, in reciprocating internal combustion engines. After a short overview of existing models, the transient jet model and the evaluation of inflow conditions are described in detail. Then a basic study of the grid effects on the jet evolution is presented. The model is updated and validated by comparing numerical results with available experimental data for two different operating conditions: a subsonic and a supersonic under‐expanded case. The model demonstrates to be fast enough to be used in a multi‐dimensional code and accurate enough to follow the real gas jet evolution. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.