COMPARISON OF ANALYTICAL SOLUTIONS FOR CMSMPR CRYSTALLIZER WITH QMOM POPULATION BALANCE MODELING IN FLUENT

Fluent version 6.2 computational fluid dynamics environment has been enhanced with a population balance capability that operates in conjunction with its multiphase calculations to predict the particle size distribution within the flow field. The population balance is solved by the quadrature method of moments （QMOM）. Fluent＇s prediction capabilities are tested by using a 2-dimensional analogy of a constantly stirred tank reactor with a fluid flow compartment that mixes the fluid quickly and efficiently using wall movement and has a feed stream and a product stream. The results of these Fluent simulations using QMOM population balance solver are compared to steady state analytical solutions for the population balance in a stirred tank where 1） growth, 2） aggregation, and 3） breakage, take place separately and 4） combined nucleation and growth and 5） combined nucleation, growth and aggregation take place. The results of these comparisons show that the moments of the population balance are accurately predicted for nucleation, growth, aggregation and breakage when the flow field is turbulent. With laminar flow the mixing is not ideal and as a result the steady state well mixed solutions are not accurately simulated.     

计算流体力学中的验证与确认

计算流体力学(CFD)在航空航天等诸多领域的应用越来越广泛.特别是近年来, CFD在实际飞行器的设计中扮演着越来越重要的角色, 许多设计参数直接来源于CFD的计算结果.由此, 飞行器设计师对CFD提供结果的可信度提出了更高的要求.验证(verification)与确认(validation)是评价数值解精度和可信度的主要手段.本文综述了国内外开展CFD验证与确认研究的进展.在引言中论述了开展CFD验证与确认的重要性和必要性, 简述了国内外CFD验证与确认研究的历史和发展现状.第2节中讨论了CFD验证与确认的一些基本概念,以及这些概念定义的形成过程, 并指出了进行CFD验证与确认的基本步骤.第3节和第4节分别讨论了CFD验证与确认的方法, 如CFD验证中的精确解比较方法, 制造解比较方法, 网格收敛性研究;CFD确认中的层次结构, 流动分类法, 确认实验指南.在第5节中我们列举了几个CFD验证与确认的应用实例.最后, 对我国开展CFD验证与确认研究工作提出了若干建议, 包括:(1)开展流动分类法研究,(2)推行软件质量工程方法,(3)开展规范精细的实验, 建立国内的网络数据库.      

垂直上升圆管内等温泡状流的数值模拟

介绍了描述等温状态下垂直气泡流流动的总体平衡方法(population balanceapproach). 将平均气泡数密度控制方程引入到双流体模型中实现总体平衡. 介绍了描述气泡聚并与破裂机制的Yao和Morel理论模型以及Hibiki等人的实验方法. 利用商业计算流体力学软件ANSYSCFX10, 对圆管特定位置上的5个基本变量:气含率、气泡平均直径、相间表面积浓度以及气体和液体速度沿半径分布进行了模拟计算. 预测结果与实验数据的比较表明,预测结果和实测数据之间有很好的一致性.      

高阶谐波平衡方法中非物理解来源分析及改进方法研究

对于周期性非定常问题,高阶谐波平衡（High-order Harmonic Balance, HOHB）方法将非定常方程的解用Fourier 级数展开至一定阶次,从而消除其中的时间导数项,大大降低了计算消耗. 本文以达芬振子方程为例,探讨了HOHB 方法中非物理解的来源,分析结果表明:非物理解出现的原因是在推导过程中非线性项的简化处理导致方程左右两边并不严格相等. 根据非线性项的特点,在其处理过程中扩充子时间层上的时域解,并将非线性项中出现的更高阶谐波截断,使方程左右两边严格相等. 通过对达芬振子方程进行数值模拟发现:改进方法在消除非物理解的同时,也显著减少了计算所需谐波数. 对比参考文献发现,同阶改进方法的精度和原始谐波平衡方法基本相当,证明了本方法的可行性. 最后将本方法应用于具有立方刚度非线性的气动弹性系统中,验证本方法的工程适用性. 但是,当方程中非线性项较多时,本方法所需要的计算消耗会有所增加.      

船用燃气轮机进气滤清器惯性级内的流场计算和实验验证

本文提出了一套求解船用燃气轮机进气滤清器流道流场的数值方法,成功地计算了流道内流场的状态,给出了各种不同型号流道的气动特性,对指导滤清器的设计有较大的现实意义, 在这套方法中,我们应用上风差分来逼近二维、非定常、粘性、不可压缩流体非守恒型的N-S方程,提出了一种可计算雷诺数高达上万的粘性流的差分方程,考察了这种差分方程的稳定性,收敛性、精度和人工粘性,本文还提出了处理一些边界拐点处壁涡的计算方法,实际算例表明,使用本文提出的差分方程和壁涡处理方法给出的计算结果和实验吻合良好。     

CFD模拟方法的发展成就与展望

本文综述了计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD),尤其是计算空气动力学的发展概况.从计算方法、网格技术、湍流模型、大涡模拟等方面分别总结了CFD所取得的成就,分析了当前存在的问题、困惑,展望了其发展趋势.在CFD计算方法中,主要介绍了中心格式、迎风格式、TVD格式、WENO格式、紧致格式以及间断Galerkin有限元方法,对不同方法的原理和特性进行了系统阐述.网格技术包括结构网格、非结构网格、混合网格以及重叠网格,重点讨论了重叠网格的若干关键技术.在湍流模型中,对目前的模型进行分类介绍,包括线性涡黏性模型、二阶矩模型、非线性模型等,还介绍了转捩模型、DES方法以及SAS方法等.在大涡模拟方法中,就其中若干相关的研究方向进行了探讨,包括滤波方法、亚格子模型、收敛标准、数值格式等. 文中还包含了作者在相关领域的若干研究成果.     

计算流体力学在炼钢中的应用和发展

介绍了计算流体力学应用到炼钢过程中所面临的边界条件和材料物性数据等问题．并着重评述了钢包精炼和连铸结晶器过程中流动及相关现象研究概况,指出炼钢过程中数值模拟的目标不是获得描述某给定过程的精确数值,而是获取过程知识,特别是获取实验无法得到的信息．数值模拟不能代替实验,相反是扩大实验的内容．将来的炼钢过程数值模拟工作将面临更复杂的三维、时间相关的多相反应系统或气金渣等自由表面问题的挑战．      

CFD/NHT教学中若干易混淆概念的综合辨析教学方法

《计算流体力学》及《数值传热学》系列课程知识体系复杂、概念抽象且分散、易混淆概念较多;若教学方法不当,学生学完课程内容后往往对一些重要的概念似懂非懂,对概念相互之间的区别与联系亦是云里雾里,甚至对一些重要概念理解错误,导致面对数值仿真关键难题时不得要领。立足于此系列课程的特点,本文提出了一种综合辨析教学方法：通过典型案例引出概念,化抽象为具体,通过对照式、综合式、追根溯源式等辨析方法对概念进行综合辨析教学。该方法有助于学生辨析易混淆知识点,明晰零散概念间的区别与内在联系,从而实现对知识点的融会贯通和灵活运用,起到了拨云见日、升华理解的作用。文中以误差、稳定性和收敛性三方面相关易混淆概念的教学为例,介绍了该综合辨析教学方法的实施要点。该教学方法可为《计算流体力学》和《数值传热学》系列课程的教学或自学提供参考。

     

NUMERICAL SIMULATION OF SWIRLING FLOWS IN OXIDATION REACTORS FOR TiO2 MANUFACTURE

The oxidation reactor plays a key role in producing rutile titanium dioxide （TiO2） from vapor-phase titanium tetrachloride （TiCl4） by employing a swirling flow operation for enhanced gas mixing. This work aims to understand the effect of reactor configuration on the 3-D swirling flow field using computational fluid dynamics （CFD） simulation. Considering the anisotropic turbulence involved, the Reynolds stress model is applied to describe the complex swirling flow together with the cross-flow mixing of gases. The results show significant effect of the flow angle between the wall jet of air stream （representing TiCl4 in practice） and the axial direction on the initial flow field of cross-flow mixing, where 60° gives smooth profiles of axial velocity development while 90° may provide the fastest mixing between the jet and the axial bulk flow. The pipe shape for the reaction and developing zone, i.e., straight, expanding and shrinking, shows slight influence on the hydrodynamics.     

利用重正化群方法推导湍流二阶矩封闭模型

Rubinstein和Barton在他们的原始工作中,利用Yakhot-Orszag湍流重正化群方法对雷诺 应力输运方程中的速度-压力梯度项和各向同性回归过程进行了模拟. 文中分析了 其在理论推导过程中存在的数学物理上不自洽的问题及计算错误,并且利用重正化 群方法重新系统地对雷诺应力输运方程进行了模拟,计算得到的湍流常数理论值和 经验值相接近.     

参强联合作用非线性结构动力学实验建模

搭建以L 型梁为实验研究对象的参强联合作用多自由度非线性振动实验系统, 将增量谐波平衡非线性识别理论运用到实验建模方法中, 建立了L 型梁的动力学控制方程. 通过对不同激励频率和不同响应情况下的数值模拟与实验数据的比较, 验证了基于增量谐波平衡识别的实验建模方法对多自由度参强联合作用非线性动力学结构的有效性, 以及动力学控制方程的普适性.     

数值模拟方法在体液流动研究中的应用与展望

计算流体力学的数值模拟技术产生于20世纪60年代,现已成功地应用到众多科学研究与工程设计领域. 从20世纪80年代开始,虽已有不少研究工作开始利用CFD方法与计算机技术对人体的血流、气管中的气流、胆汁流等流动进行数值模拟与分析,但并没有与器官功能分析和病理分析及临床应用紧密联系. 近十几年来,这方面的工作已经取得了长足的进步和发展,模拟出了譬如脑血管、颈动脉、心血管等复杂血管流动,甚至整个肺泡的活动,得到了非常有病理意义和临床价值的图像.本文介绍和评述计算人体流体动力学的历史,发展和已经取得的成果.      

倾斜管道内圆柱状颗粒运动的数值模拟

本文采用计算流体力学–离散单元法对倾斜管道内圆柱颗粒在气体中的运动进行数值模拟,分别分析了颗粒密度、颗粒长径比、吸入速度、管道倾角、管道长径比等因素对颗粒输运效率的影响。结果表明,颗粒密度越大,颗粒的输运效率越低;输运效率随着颗粒长径比的增大而减小;输运效率随着进口速度的增大而增大。管道的倾角对输运效率存在影响,但二者不是单调关系;颗粒输运效率与管道长径比成反比。

     

颅内动脉瘤血液动力学和破裂机理的数值模拟进展

通过有限元法数值模拟来研究颅内动脉瘤形成、发展和破裂 与其血液动力学参数的关系,对于临床医学特别是介入疗法具有重 要的指导意义。本文对于近年国外出现的各种计算模型及其主要结 果做一综述。     

内压和自重作用下浅埋管道围岩的应力解1)

对于浅埋管道而言,土体自重对其围岩应力场影响不可忽略。基于Verruijt提供浅埋洞室问题求解基本方法,同时考虑自重和内压作用,研究了半无限域中圆形孔洞的围岩应力问题。利用复变函数、保角映射和傅里叶变换等方法,推导了考虑围岩自重和内压作用下半无限域中孔洞应力的解析解,分析了内压和孔洞大小及径深比对考虑自重作用下的围岩应力的影响,为管道设计和施工安全提供了理论依据。