弯头内气-固两相流动与管壁磨损特性研究

弯头是火力发电厂煤粉管道和烟道的主要异形件,气体夹带煤粉或煤灰颗粒在管道中形成高雷诺数气-固两相流,存在着流动特性复杂、阻力较大、冲蚀磨损严重等问题。本文采用欧拉多相流模型以及结合了颗粒固壁反弹模型和磨损模型的DPM离散相模型,分别对弯头内的气固两相流动阻力特性与磨损特性进行了三维数值模拟。通过分析弯径比、转弯角度、截面形状等结构参数对弯头模型阻力损失和内壁面磨损率的影响,提出了弯头的优化结构。     

90°弯管内冰浆流动特性数值模拟

基于欧拉法建立了冰浆流动的混合模型,对冰浆在90°弯管内的流动特性进行了数值模拟研究,获得了弯管内冰浆的流场和冰晶颗粒的运动轨迹,探讨了弯管管径、曲率半径及冰浆的流速、浓度参数对弯管内冰浆压降的影响,并对弯管压降的模拟结果与实验结果进行对比,两者吻合较好。结果表明:在计算参数范围内,弯管压降随冰浆流速、浓度及弯管曲率半径的增大而增大,随弯管管径的增大而减小;冰浆在弯管内流动形成二次流现象,两个漩涡区域出现在弯管截面两侧;漩涡导致部分冰晶颗粒的运动轨迹发生改变,并使其向弯管下方的负压区聚集,增大了冰晶颗粒的碰撞几率。     

气固两相90°弯管流中静电影响颗粒运动的大涡模拟研究

本文采用欧拉–拉格朗日方法对静电平衡情况下的圆形截面90°弯管中的气固两相湍流流动进行了大涡模拟研究,重点研究了弯管中的饱和静电作用和Prandtl第二类二次流对于颗粒输送的影响。结果表明,模拟得到Reb=58k工况下的90°弯管中的载流相流场计算结果与实验结果吻合良好,弯管中平均二次流速度最大可以达到体积速度的55%,并且二次流对于离散颗粒相的输送影响显著。静电作用对于管道中心区域的颗粒影响较小,但对于近壁面区域的颗粒作用影响较大,加强了近壁面区域颗粒运动的湍泳现象。动力学分析结果表明,在远离壁面的大部分管道中心区域内流动对颗粒的拖曳力主导颗粒的运动。而对近壁面区域内的颗粒,静电力与拖曳力大小相当甚至超过拖曳力,静电力主导了近壁面区域内颗粒的运动。     

微粒撞击高参数汽轮机调节级喷嘴壁面特性研究

固体颗粒冲蚀严重影响超常参数汽轮机调节级喷嘴寿命.本文根据相似理论并借助PIV技术,进行了三种喷嘴内固体微粒运动特性及其材料抗冲蚀特性的试验研究,并通过三维数值模拟进一步研究了单一参数变化对粒子运动特性的影响.发现同一粒子再次撞击角度比初次撞击角度平均小5°～15°;约45%～80%的粒子撞击在离喷嘴出口边约15%的区域;粒子对前加载型线喷嘴有更严重的冲蚀,可以预测采用合适型线的后加载喷嘴或缩短喷嘴宽度能有效降低粒子冲蚀.     

气冷涡轮环形叶栅三维流场的实验与数值研究

采用4种不同的湍流模型对叶片表面带小孔射流的环形涡轮叶栅内部流场进行数值计算,并与热线实验测量结果进行了对比.结果表明,由于射流尾迹的影响,在射流附近靠近壁面处产生二次流,二次流随着射流下游距离的增大逐渐减弱.比较不同湍流模型的计算结果发现,采用κ-ε模型在射流尾迹区域和与主流掺混区域的计算结果与实验吻合较好,B-L模型在近壁面的速度计算结果偏大,其对尾迹区域二次流的捕捉也较差.     

突扩圆管内液-固两相流固体颗粒运动特性的DPM数值模拟

采用考虑颗粒碰撞的欧拉一拉格朗日数值模拟方法(DPM),对水平突扩圆管中液固两相流固体颗粒的碰撞过程进行了数值计算.在模型中,对液相采用欧拉法建立控制方程,对离散颗粒采用拉格朗日方法模拟.采用硬球模型描述颗粒间的碰撞作用.计算结果表明,该模型可以真实地模拟液固两相流中固体颗粒运动的动态变化过程以及颗粒的非均匀分布特征,从单颗粒层次上提供颗粒的运动信息,这有助于深入研究液固两相流中固体颗粒的运动规律.     

碰撞对尘埃等离子体鞘层中尘埃颗粒影响

在一维平板鞘层中应用流体模型研究了尘埃等离子体鞘层中碰撞对尘埃颗粒密度和带电量的影响。 研究所涉及的碰撞主要有电离碰撞,电子、离子分别与中性粒子的碰撞,以及电子、离子分别与尘埃颗粒的碰撞。通过采用四阶龙格库塔法,得到了数值解。结果表明,随着电离碰撞或者电子、离子分别与中性粒子碰撞的频率 增加,都将导致鞘层中尘埃颗粒的数密度增大,数密度的极值位置向鞘边位置靠近,尘埃颗粒带电量增多。电子、离子与尘埃颗粒的碰撞,使得尘埃带电量减小。此外,从研究的结果来看,由离子产生的碰撞要比电子产生的碰 撞对尘埃颗粒的影响明显得多。     

等离子体对含硼两相流扩散燃烧特性的影响

为排除来流空气对含硼燃气的掺混效应, 研究等离子体对含硼富燃料推进剂在补燃室二次燃烧过程的影响, 建立了含硼两相流平行进气扩散燃烧物理模型. 利用高速摄影仪拍摄了含硼燃气在补燃室二次燃烧的火焰图像, 分析了该物理模型的扩散燃烧特性和硼颗粒的二次点火距离. 采用硼颗粒的King点火模型、有限速度/涡耗散模型、颗粒轨道模型和RNG k-ε模型以及等离子体模型, 模拟了一定条件下等离子体对含硼两相流扩散燃烧过程的影响. 结果表明, 依据含硼燃气二次燃烧图像得到的硼颗粒二次点火距离, 与数值模拟结果基本一致, 保证了该物理模型和计算方法的可靠性. 含硼两相流经过等离子体区域后, 硼颗粒在运动轨迹上颗粒温度明显增加, 颗粒直径明显减小, B₂O₃的质量分数分布区域明显扩增, 70%的硼颗粒在到达补燃室2/3尺寸前燃烧效率已达到100%, 硼颗粒充分燃烧释放出更多热量导致中心流线区域温度增加近1/2, 可见等离子体可以明显强化含硼两相流的燃烧过程, 提高硼颗粒的燃烧效率.     

含尘流透平叶片冲蚀的数值分析

本文在含尘流透平叶片流道内气固两相流动数值模拟的基础上,发展了叶片冲蚀的数值分析方法,提出了便于工程应用的有限区域内质量加权、面积平均的冲蚀率统计分布计算方法;对建造中的江苏徐州贾旺增压流化床联合循环中试电站燃气轮机叶片冲蚀问题进行了数值模拟,给出了计算结果的数据图象资料,就叶片冲蚀状况进行了分析。     

等离子体鞘层附近尘埃颗粒特性的数值模拟

为了研究尘埃等离子体中尘埃颗粒以及鞘层中粒子密度分布等特性,对尘埃颗粒存在条件下等离子体鞘层结构的采取数值模拟.采用稳态无碰撞的尘埃等离子体鞘层模型,对玻姆判据、尘埃颗粒的荷电性质、平板鞘层区域的电势分布及鞘层内粒子分布特性进行了系统的数值模拟研究.计算结果显示,鞘层边缘尘埃颗粒数密度的增加、尘埃温度的升高,将引起孤立尘埃颗粒对电子吸附能力的减弱,集体效应也受到一定程度的影响;二者同时对离子玻姆速度以及鞘层厚度的增加都有着极大的促进作用.鞘层电势在靠近下极区处降落迅速,主要聚集在接近阴极极板的鞘层区域,各种微粒数密度的空间分布满足准中性条件.     

弯管内气液固三相流中液膜区流场的PIV测量

为了深入认识螺旋管内多相流相分离现象,应用粒子图象测速仪(PIV),对组合弯管内气水砂三相流底部水平段和上升段中液膜区的流场进行了测量。研究表明:底部水平段流动主流速度分布比较均匀,颗粒跟随流体运动;二次流十分微弱,颗粒在离心力作用下由内弯侧向外弯侧运动;速度脉动强烈,不利于相分离。上升段中流动受到重力的阻碍,同底部平段相比主流速度降低,离心力作用减弱,颗粒径向时均速度较低;流动的间歇性更强,两相速度脉动更剧烈。     

数值模拟颗粒旋转对流化床内气固两相流动特性的影响

流化床内颗粒自旋转将影响颗粒相的流动特性.本文运用基于颗粒动理学理论的欧拉-欧拉气固多相流模型,考虑颗粒自旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散的影响,数值模拟流化床内气体颗粒两相流动特性.计算结果表明颗粒的自旋转使得床内更容易形成气泡,颗粒浓度分布变化增大.颗粒自旋转运动将导致床内非均匀结构更明显.     

撞击流内相间传热传质理论模型研究

将直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法与传热传质理论相结合,建立了考虑颗粒碰撞与热质传递过程的气固两相撞击流理论模型。应用所建理论模型计算分析了撞击流内的热质传递过程,以及颗粒预热温度对传递过程的影响。结果表明:利用所建模型对撞击流干燥过程的计算结果合理、正确,该模型能够有效地用于撞击流内传热传质过程的理论分析;撞击流内传递过程的有效体积位于两喷嘴之间区域,且在撞击区内的传递过程得到强化;提高颗粒的预热温度可以有效提高干燥装置的干燥强度。     

开口角度对二维颗粒流稀疏流-密集流转变的影响

用计算机模拟的方法研究了开口角度对二维颗粒流稀疏流—密集流转变的影响.在固定入口流量和固定颗粒数两种条件下,均发现当开口角度大于零时,开口角度的增大可以提高颗粒流由稀疏流向密集流转变的最大出口流量.在稀疏流状态下,出口流量与开口角度无关;而在密集流状态下,出口流量随开口角度的增大而增大.进一步的计算还发现增加开口角度可以提高颗粒流出开口的流动速度,且最大出口流量与颗粒的流动速度呈线性关系. 关键词： 颗粒物质 颗粒流 分子动力学模拟     

涡场中黏附性颗粒团聚体粒径分布的预测

黏附性颗粒团聚现象在自然界和工业界普遍存在,扰动流场中黏附性颗粒间的碰撞、摩擦和吸附等动力学行为,导致团聚体形态不断演化,准确预测黏附性颗粒团聚体的粒径分布是调控颗粒团聚过程的重要前提。本文通过二维泰勒格林涡场中黏附性颗粒团聚的数值模拟研究,明确了利用Monte Carlo模型预测团聚体粒径分布的可行性及其适用范围,发现当黏附性颗粒间内聚数小于3.5×10^?4时,Monte Carlo模型可较好的预测团聚体粒径分布,且相对误差小于±30%;而当内聚数大于3.5×10^?4后,Monte Carlo模型不再适用。     

下降管中稠密两相湍流的数值模拟

本文将统一二阶矩两相湍流模型和颗粒动力学理论结合,推导并封闭了稠密两相流考虑颗粒间碰撞的统一二阶矩两相湍流模型。该模型用颗粒动力学理论模拟颗粒之间的碰撞,用各向异性的统一二阶矩模型考虑气相和颗粒相的湍流脉动,并用输运方程描述气固两相湍流之间的相互作用。最后用该模型对下降管中的气粒两相流动进行了模拟,模拟所得的沿径向颗粒浓度分布和速度分布与实验吻合较好,预报结果也反应出了颗粒雷诺应力的各向异性。     

能量回收烟气透平气动设计的几个问题与试验结果分析

带有固体微粒的气流进入烟气透平,在静止与旋转叶列槽道内,除极细小颗粒基本上随气流一起运动造成比单纯燃气有较大的粘性作用与粘性损失外,较大一些的颗粒必然会有不同于主气流的速度,在叶片槽道内有特定的三元运动轨迹,通过动量及热量交换,影响气流作功能力,并且由于在槽道内碰撞弹跳,对叶片和壳体进行冲蚀磨损。叶片的磨损速率和许多因素有关,如机体与微粒材料性质、微粒的大小、形状、浓度与速度、碰撞弹跳方向和撞击几率等。如果微粒运动轨迹使叶片某一部位有较大撞击几率,这一部分的磨损会加剧。另一现象是随着叶片通道中气流的转弯、加速、二次流和涡流的产生、冷却     

爆轰波在弯管内传播过程数值分析

应用基元反应模型和频散可控耗散格式(DCD)对氢氧爆轰波在弯管内的传播过程进行了数值模拟.计算中氢氧混合物化学反应采用了8种组分20个反应方程式.在处理化学反应引起的刚性问题时采用了时间算子分裂的方法.计算结果表明,在弯管小曲率半径壁面附近,由于膨胀稀疏作用,爆轰波强度减弱,在局部出现前导激波与放热反应区的解藕以及二次起爆现象;在弯管大曲率半径壁面上爆轰波在马赫反射和正规反射之间相互转变,使爆轰波加强.弯管内的爆轰现象与弯管曲率半径有关.     

三维射流中颗粒碰撞的直接数值模拟

采用硬球模型对三维气同两相射流中Stokes数为10的中等颗粒的碰撞行为进行了直接数值模拟,以初步考察两相流动中颗粒碰撞的特件.颗粒的跟踪采用单向耦合的Lagrangian方法,计算分析了颗粒碰撞随空间、时间的演化及其对颗粒分布不均匀性的影响.模拟结果表明颗粒碰撞主要分布在流场巾颗粒局部浓度较高的区域;由于射流初期大尺度涡结构的影响,颗粒的浓度分布最为不均,因此碰撞次数在这一时期随时间呈线性增加,达到最大值后逐渐回落趋于平缓.此外,对网格中颗粒个数分布的矩的统计发现,碰撞对颗粒分布不均匀性的影响随时间呈现不同的特性.     

基于摩擦-动力应力模型模拟喷动床气固流动

建立同时考虑颗粒和颗粒之间瞬间碰撞作用(瞬间接触)和非流化下颗粒滑动和滚动运动产生的颗粒半接触作用的颗粒碰撞-摩擦应力模型。推导具有普适性的固相动量守恒方程,建立高颗粒浓度气固两相流动模型,对喷动床内气体颗粒流动过程进行了数值模拟。模拟计算预测喷动床内喷射区、环隙区和喷泉区颗粒流动特性。预测喷动床内颗粒浓度和速度分布与他人实验结果相吻合。