进气布置对鼓泡式微藻光生物反应器混合性能影响的数值研究

鼓泡式光生物反应器设计简单、易操作并且节省能源,对于培养微藻很具潜力。本文采用计算流体力学(CFD)方法,数值研究四种不同的进气布置对柱状鼓泡式光生物反应器内流体混合特性的影响。研究结果表明,多气孔的布置方式能有效增加流体气含率和光照梯度方向流动特征量,并能减小混合时间,更能适应大规模微藻培养的要求。但随着气孔数目的增加,制造成本和运行成本也随之增大,因此在具体选择时应根据实际需要综合考虑。     

气泡-液体闭式多股射流的大涡模拟研究

采用气泡-液体两相流动的欧拉-拉氏大涡模拟,研究了矩形通道内多股射流形成的气泡-液体两相湍流流动,得到了气液两相湍流瞬态结构,产生和发展过程。研究结果发现气泡和液体都有瞬态大涡结构,气泡脉动比液体的强。大涡模拟统计结果给出了有无气泡两种情况下的液体湍流脉动速度均方根值分布。瞬态和统计结果都表明,气泡增大了液体湍流,液体湍流来源于其自身的剪切产生和气泡的作用。这与二阶矩模型模拟结果定性一致。     

方截面鼓泡床气液两相瞬态数值研究

在双流体模型中引入界面浓度输运方程,利用界面浓度和气泡平均Sauter直径模化各相间作用力。引入一附加 湍动能输运方程模化气泡诱导引起的液相湍流。利用该模型对方截面鼓泡床内气液两相流进行三维瞬态数值模拟。计算结 果表明该模型能较好得模拟方截面鼓泡床内气液两相流时均和瞬态流动特征。     

旋转热管生物反应器的流场模拟研究

采用热管技术对传统生物反应器进行革新,自主开发出一种适用于多种生物反应的新型生物反应器,提出了将热管本身作为搅拌轴的设计思想,同时以计算流体力学(CFD)为基础建立旋转热管生物反应器的数学模型,计算了不同雷诺数下此类搅拌轴的功率准数,并得到了功率曲线。采用标准k-ε湍流模型成功模拟了反应器内的速度分布,为反应器的优化设计提供了基础。     

均匀入口鼓泡流化床的TFM及DEM模拟

分别运用双流体模型（TFM）及离散元模型（DEM）的软球模型，模拟了二维及三维实验尺度的均匀入口鼓泡流化床内的气固两相流动特性，其中TFM模型结合了气相κ-ε湍流模型，而DEM模型则结合气相κ-ε湍流模型或Smagorinsky亚网格涡黏模型（SGS）。通过对比本文模拟结果与他人实验及计算结果发现，TFM与DEM软球模...     

速度进口边界条件对鼓泡床流动影响研究

进口边界条件是影响鼓泡流化床流体动力行为的重要因素之一.本文基于欧拉一欧拉双流体气固两相流模型,对具有中心射流进口的鼓泡流化床进行了数值模拟研究.分别采用脉动和定常进口气体速度边界条件,对鼓泡流化床内气泡的形成、长大、分离,气泡的大小进行了分析和研究.模拟结果与Kuipers等的实验结果进行了比较,研究结果表明考虑进口速度的脉动能够更加合理地预测和分析床内流体动力行为.     

动态变桨式H型风力机气动特性的数值分析

本文采用CFD数值模拟方法研究了H型垂直轴风力机基于动态变桨条件下的二维非定常黏性绕流场。以一个三叶片H型风力机的实验模型为研究对象,采用笛卡尔动网格方法,选用SST湍流模型。叶尖速比分别为2.15和2.27,将动态变桨条件下模拟得到的风力机的功率系数与常规无变桨条件下的模拟结果进行了比较。讨论了单个叶片和风轮总载荷沿周向的变化规律,详细分析了一个旋转周期内二维非定常涡量场的变化,揭示了动态变桨后风力机气动载荷提高的原因。     

稠密颗粒物质系统鼓泡现象的微观结构研究

通过重新整理气相控制方程,实现了基于非结构化网格的离散颗粒与连续流体的非线性耦合求解方法.应用该求解方法模拟计算了二维气固脉冲流化床(pulsed fluidized bed, PFB)单个鼓泡过程,数值计算结果与实验结果相符合.通过剖析两种典型床宽PFB的气固两相微观结构,观察到颗粒起动瞬间力链断裂"解锁"现象和系统压降脉冲现象,发现床内气体的流动是一个由双主涡到多涡共存再到双次涡的发展过程,颗粒的运动呈现三种形态,即抬升,沿鼓泡边界下滑和角落内"滞缓"运动. 关键词： 离散颗粒 脉冲流化床 鼓泡 力链     

低密度固体颗粒与液体搅拌混合过程的数值模拟研究

低密度固体颗粒与液体的搅拌混合过程广泛存在于许多工业过程中,为建立相对精确的固液两相混合过程数值模拟方法,指导此类搅拌器的设计并优选搅拌结构,本文对三层桨式搅拌槽内的低密度固体颗粒与液体的搅拌混合过程进行了三维数值模拟,采用多重参考系法(MRF),选用标准k-ε湍流模式,模拟了三层桨式平底搅拌槽中的流场形态,通过搅拌混合过程的非定常两相流计算得到搅拌过程低密度固体颗粒体积分数分布情况和混合时间,最后与相关试验结果进行了定性比较。结果表明,该搅拌混合过程的CFD模拟可获得较准确的固液流场分布及各项特性参数,计算结果可为低密度固体颗粒搅拌过程提供工艺参考。     

瞬变流中气泡动力过程研究

微气泡的生成等基础问题制约着鼓泡脱气技术的发展。本文基于对文丘里鼓泡器内流场的研究,对不同雷诺数下的气泡动力特性进行研究,采用大涡模拟和流体体积法相结合的数值模拟方法,对气泡在不同瞬时动态变化流场下的动力特性进行研究,通过分析气泡在不同湍流下的表面积,气泡球度,以及气泡表面所处的湍流应力,计算气泡所受的破坏应力与聚合应力之比,得到气泡的临界韦伯数随气泡在瞬变湍流中的变化过程,分析气泡破碎的临界条件。     

H型风力机叶片桨矩角影响的数值分析

本文采用笛卡尔动网格数值模拟方法,研究叶片桨距角变化对三叶片H型垂直轴风力机气动性能和二维非定常黏性流场的影响。采用SST湍流模型,桨矩角变化范围为-12°-2°,叶尖速比为1.86,2.15,2.27。比较了不同尖速比时风能利用系数随桨矩角的变化,揭示了桨矩角不同时单个叶片和风力机总载荷沿周向的变化规律,讨论了一个旋转周期内桨矩角变化对二维非定常涡量场的影响。     

光催化制氢反应器内液固两相分布特性模拟研究

针对光催化制氢反应器的特点,基于Sato叠加假设考虑颗粒对液相湍流的影响,运用CFX的双流体模型,对反应器水平管道内的液固两相流动进行了数值模拟,得到了相应的催化剂颗粒分布、湍流强度分布及相速度分布.结果表明,在液固两相流动条件下,催化剂颗粒在底部形成沉积层,而在管道中心区域,形成拟均匀的悬浮流动形态,这种类型的催化剂颗粒分布对光催化反应的充分进行是不利的.根据两相的速度分布,发现相间的滑移并不明显,这说明催化剂颗粒几乎是随着流体流动的,在实际中,可以运用代数滑移模型(ASM)对这种流动进行模拟计算.     

多层桨式搅拌罐内混合过程的数值模拟

搅拌器被广泛应用于许多工业过程中.本文对三层桨式搅拌罐内的混合过程进行了三维数值模拟,采用多重参考系法(MRF)及标准κ-ε模型,分析了8种不同工况下的搅拌功率、罐壁和物料间传热系数分布情况,通过搅拌混合过程的非定常两相流计算得到搅拌过程的混合时间.结果表明,流动模拟可获得详细的流场分布及各项特性参数,计算结果可为工业搅拌过程提供工艺参考.     

高雷诺数双螺旋涡尾迹演化特性分析

螺旋状尾迹涡是直升机悬停旋翼流场的主导特征之一,其时空演化特性对旋翼气动性能具有重要影响.为了揭示悬停状态下旋翼尾迹涡的演化特征,对两桨叶刚性旋翼在高雷诺数悬停状态下的双螺旋状尾迹涡开展数值研究,采用基于流场特征的网格自适应技术,结合低耗散迎风/中心混合格式以及延迟脱体涡模拟方法对Caradonna-Tung旋翼在桨尖马赫数为0.439、桨尖雷诺数为1.92×10~6的悬停流场进行了高分辨率计算.基于欧拉和拉格朗日两种描述方法对计算结果进行了分析,揭示了双螺旋尾涡系统的演化特性:后缘尾涡面在桨尖附近的反向卷起及其与下游桨尖涡的相互作用是影响涡系稳定性以及涡-涡相互作用的重要因素;涡龄小于720°时,在固连于桨叶上的旋转坐标系中观察,涡系具有时空稳定性,涡管中心处轴向涡量随涡龄按照幂函数规律衰减.在固连于漩涡中心的局部极坐标系中,周向速度分布以及涡核半径随涡龄的变化与理论涡模型相符合,环量随涡龄的变化显示了漩涡的生长、平衡及耗散等演化阶段;模态分析结果表明,除点涡模态外,来流与点涡的复合模态在漩涡演化过程中对流动特征的转变有重要影响;涡系轴截面速度场的拉格朗日拟序结构直观地显示了漩涡场的时空演化过程,揭示了漩涡配对和共旋穿越等流动特征,同时也展示了后缘尾涡面卷起现象在漩涡演化过程中的作用.     

四阶精度显式滤波大涡模拟方法研究

在传统大涡模拟方法的基础上引入显式滤波技术,有效地控制了最小解析尺度区域的各种数值误差.对有限差分格式的守恒特性进行了研究,发展了适用于三维平板通道大涡模拟的四阶精度守恒格式.分别利用二阶和四阶精度的传统与显式滤波大涡模拟程序模拟平板通道内的湍流流动,将计算结果与DNS数据进行了对比,得到了合理结果.     

贯流风扇气动声场数值模拟及分析

针对贯流风扇气动噪声传播特性,采用基于非结构网格的CE/SE算法对其气动流场进行数值模拟,并模拟了气动噪声的传播.湍流模拟采用大涡模型,搭接式滑移网格模型处理动静干涉.噪声传播采用完全欧拉方程作为控制方程,远场采用无反射边界条件.将使用该方法得到的远场噪声频谱与实验数据进行对比分析,结果表明与实验测量得到宽带频谱不同,采用大涡模拟湍流模型进行声源模拟时,会加强部分离散频率上的声级,从而产生误差.     

球形和泪滴形凹陷涡发生器传热实验和数值计算

凹陷涡发生器是一种高效的燃气轮机涡轮叶片冷却结构,本文对分别具有球形和泪滴形凹陷涡发生器阵列的表面传热与流动性能开展了实验和数值计算研究。本文分别采用Standardκ-ω,SST和Reliazableκ-ε三种湍流模型计算了凹陷涡发生器表面湍流传热与流阻性能,并与实验结果进行了对比,确定了Standardκ-ω是研究凹陷传热和流动最精确的湍流模型。通过该研究,获得了球形和泪滴形凹陷涡发生器在雷诺数范围8500~60000内的传热及流阻和流动特性。该实验研究表明,与光滑通道内湍流流动相比,球形凹陷传热性能提高约60%,摩擦因子增加约70%;泪滴凹陷传热性能提高约90%,摩擦因子增加一倍左右。泪滴形凹陷表现出更好的传热性能和综合热性能。     

3维Mortar谱元法模拟Kelvin-Helmhtz不稳定性混合层

采用Mortar谱元法和多处理器并行计算技术模拟了Kelvin-Helmhtz界面不稳定性湍流的混合发展过程,通过对混合层动量厚度、能谱和总动能的计算,评估了Kelvin-Helmhtz混合层的演化机理。计算结果表明:3维Mortar谱元法具有高计算精度和光滑区域的指数收敛特性,可以有效模拟混合层流动的湍流混合和演化,能够捕捉到涡的合并现象和大涡到小涡的级联过程;初期的混合层层流运动发展成具有连续谱结构的湍流运动过程,实现了Kelvin-Helmhtz界面不稳定性混合层流动从2维发展到3维的转捩特征,总湍流统计动能的变化反映了粘性耗散过程的作用。通过对Kelvin-Helmhtz 3维界面不稳定性混合层流动和3维层流向湍流转捩过程的数值模拟,程序的有效性得到了验算,表明谱元法应用于湍流混合模拟是可行的。     

负载力矩对管路涡轮内流影响的数值预测

为考察管路液力涡轮的水力特性,采用修正k-ε模型对四种负载力矩条件下的管路液力涡轮进行全流道三维湍流数值模拟.分析了管路涡轮叶片表面、叶片间流道和转轮后部的尾流流动,讨论了输出转速以及涡轮水力效率的变化特性及其与内部流动特征的关系,并与试验结果进行了比较.结果表明,设计额定负载下涡轮叶片表面压力梯度分布合理,转轮内流动及尾流流态较好,水力效率最高,高负载条件下转轮内出现较大的叶尖涡和尾流分离涡,水力效率也很低.     

低Reynolds数翼型绕流主动控制技术

在低Reynolds数条件下,翼型绕流的上表面边界层由于抗逆压梯度能力变差容易发生流动分离,从而形成长层流分离泡.分离泡通常是非定常的,会诱发边界层的转捩、再附并形成湍流边界层.这个过程会使翼型的气动性能急剧下降,并伴随着强非线性效应.转捩后形成的湍流边界层也会产生高摩擦阻力.针对这种现象,文章以NACA0012翼型为例,通过隐式大涡模拟研究了有效的主动控制方案.为了统一分离控制技术和湍流边界层减阻技术,研究了在平板或槽道湍流中取得较好控制效果的壁面垂向反向控制方案.首先利用隐式大涡模拟研究了低Reynolds数条件下NACA0012翼型绕流的流场特征.其次分析并验证了反向控制方案在分离区控制流场的可行性,发现反向控制在分离区的作用相当于基于流场信息的壁面抽吸控制,且控制具有实时性和高效性,控制抽吸了前缘的低能流体,使得翼型前缘附面层变薄,并增强了其抗逆压梯度的能力,较大程度提高了翼型的气动性能.最后在湍流边界层验证了其减阻控制效果,发现反向控制阻断了流向涡的法向输运,抑制了涡结构的发展,并减弱了猝发过程,使得湍流的高摩阻力得到了有效降低.