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.     

微小水滴撞击深水液池空腔运动的数值模拟及机理研究

为了探究微米级微小水滴撞击深水液池运动中空腔的成长过程与机理,采用自适应网格技术和流体体积方法对撞击速度为2.5–6.5 m/s的微小水滴撞击深水液池的运动进行数值模拟研究,考察不同撞击速度下水滴撞击深水液池后的水体混掺、毛细波传播、空腔变形规律以及气泡截留过程,并深入探究空腔运动的动力学机制.研究结果表明,不同撞击速度下,在忽略毛细波作用、空腔深度h∈（D,h_max）的前提下,空腔深度随时间的成长仍满足t∝h^5/2的关系;液滴撞击产生的空腔形状有U形和半球形两种,前者一般向V形转变,后者空腔底部会变为圆柱形,产生细长射流,并有可能发生气泡截留现象;在撞击速度较低时,低压区首先在空腔侧壁与底部交界处产生,随后在靠近液面以及空腔底部靠近中心区域各产生一个较大的涡环;在撞击速度较高,产生细长射流时,涡环的生成被抑制,低压区首先在波浪底部与侧壁上交界处产生,随后空腔底部变为圆柱状,空腔侧壁首先坍塌形成气泡截留.     

明渠交汇口分离区三维几何特性的大涡模拟研究

为更准确地把握交汇角对分离区三维几何特性的影响,建立了不同角度的交汇水槽模型并进行数值模拟。采用大涡模拟(LES)方法求解交汇区的湍流流场,并基于平衡层模型的Werner壁面函数法处理近壁区流场。模拟所得垂向流速分布及分离区尺寸等结果与实测资料吻合程度较高。以90°交汇水槽为例较详尽地分析了分离区的三维几何特性,并从流场结构角度对其形成机理进行了剖析。随后聚焦于不同交汇角度下分离区的三维几何特性,给出了交汇角对不同水深层面分离区各几何参数的影响。研究结果显示:交汇口的分离区三维几何特性与流场结构有较强的关联性,分离区宽度沿水深的分布规律是分离区内外的流向涡及与之伴随的象限事件作用的结果。随着交汇角的增大,各水深层面的分离区长度基本呈增大趋势;当交汇角达到105°时,各水深层面分离区长度达到最大值,其原因是受干流顶冲作用,支流的实际入流角将小于交汇角,当交汇角为90°时,支流入汇对分离区长度的影响达到最大;随着交汇角的增大,各水深层面的分离区宽度总体呈增大趋势,显示出与90°交汇水槽相似的分布特性;随着交汇角的增大,各水深层面的分离区对称系数逐渐减小,这是分离区附近水平绕流涡的三维取向和分离区的长度变化共同作用的结果。