搅拌槽流场特性的大涡模拟研究

采用大涡模型结合气液两相流时均方程,对六直叶圆盘涡轮搅拌槽内的流场特性进行了数值模拟。自由水面的捕捉用VOF(Volume of Fluid)法,用Simplec方法求解控制方程。通过模拟得到了搅拌槽内复杂的双涡旋流场结构、转轮叶端尾涡的发展变化情况以及轴向流速的分布规律。通过对比大涡模拟与RNGκ-ε的计算结果,得知大涡模型能模拟出流场内瞬时旋涡的发展变化过程,反映出挡板的存在破坏了圆形搅拌槽的流通模式,提高了叶片附近的混合效率;桨叶区域湍流呈现明显的各向异性,时均流速存在明显的波动性。从而证明了用大涡模拟探讨搅拌槽内湍流现象及流场结构的可靠性。     

氧化沟推流转轮速度对水流回流长度影响的数值模拟研究

氧化沟水下推流转轮是氧化沟中水流运动最主要的动力来源,转轮转速的大小对沟道内水流的流速以及流场结构有着重要的影响。在本文中湍流模型选用Realizable k-ε模型,并结合气液两相流模型,对氧化沟水力特性进行三维数值模拟,研究了转轮转速大小对氧化沟内直道段回流长度的影响。压力与速度的耦合采用SIMPLE算法,模拟自由水面采用了VOF(volume of fluid)法,采用了量纲分析法得到了在单一量变化时回流区长度与转速之间的关系式,并用数值模拟结果确定了各系数。该成果可为氧化沟工艺的运行与设计提供依据。     

曝气速度对曝气池流场影响的数值模拟分析

采用欧拉-欧拉多相流模型,辅以RNG k-ε湍流模型对一简化的推流式曝气池进行了数值模拟,控制方程采用有限体积法离散,并采用PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法求解.通过模拟得到了不同曝气速度下曝气池特征断面的气相体积分数、气液两相速度的分布规律以及...     

湍流模型对空泡形态影响的数值研究

为研究湍流模型对空泡尾部气体泄漏方式和空泡外形的影响,基于 FLUENT6.2的 VOF 多相流模型,对考虑重力作用下的三维通气空泡流进行了数值计算,比较了大涡模拟 LES 和 RNG k-ε两种湍流模型下的空泡形态和模型表面压力系数分布。结果显示,RNG k-ε模型计算的空泡内压力较大,空泡长度更长,而 LES 的瞬态计算结果更符合通气空泡的特性,相对而言更适用于通气空泡流的模拟。     

平流式沉淀池液固两相流力学特性的立面二维数值模拟

采用双流体模型,选取RNG k-?紊流模型封闭双流体两相流时均方程,对平流式二次沉淀池液固两相流力学特性进行立面二维数值模拟。采用有限体积法求解双流体微分方程;紊动能、紊动能耗散率方程均采用Quick离散格式;耦合求解速度与压力时使用了压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法。通过模拟表明:水流经过挡板后,底部是急剧扩散的主流,流速大,上部是回流;流速沿流程逐渐减小,到中部近似均匀流;出口附近水流收缩流出,流速变大。进水口附近紊动动能较大,而后紊动动能沿流程逐渐减小,在出水口附近,由于流速的增大紊动动能也随之增大。将模拟值与实测值进行了对比分析发现,流速的最大误差为10%,出口悬浮物相对浓度的最大误差为15%。这表明该模型能够较好地模拟沉淀池中的水力特性分布规律,对沉淀池的设计具有一定的参考价值。     

泄水建筑物曲面边壁三维定常紊流数值模拟

将紊流两方程k-ε模型应用于明流泄洪洞的流场分析,采用体坐标变换处理复杂的边界及模拟自由水面,获得了流速、紊动能、耗散率、压力等参数的分布。与有关实测资料对比分析,结果令人满意。     

航空发动机轴承腔润滑的气液两相均匀流研究

基于轴承腔中润滑油的两相均匀流动模型,采用湍流模式和有限差分数值方法计算轴承腔内三维定常N-S方程,对腔内润滑油的气液两相均匀流动特性进行研究,以获得气液两相均匀流条件下润滑油流场、压力场和速度场在轴承腔内的分布情况,分析转子转速、含气率和润滑油进口速度对润滑油出口压力以及润滑油与壁面之间剪切力的影响,同时对单相流和两相均匀流润滑性能差异进行比较.结果表明,转子转速、含气率和润滑油进口速度对润滑油出口压力和腔内壁面与润滑油间的平均剪切力具有不同影响,而采用2种流动模型计算出的轴承腔润滑油出口压力的差异较大,同时支持了开展航空发动机轴承腔润滑两相流动分析的必要性.     

梯形断面明渠丁坝绕流水力特性三维数值模拟

采用两相流混合模型,并选取RNG k-ε湍流模型封闭两相流时均方程,对梯型断面明渠非淹没式丁坝绕流水力特性进行了三维数值模拟。采用有限体积法离散计算区域,求解速度与压力耦合方程组时使用半隐式SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法,模拟自由水面时采用了VOF(Volume of Fluid)法。对丁坝后不同的回流长度进行了分析比较,并将模拟结果与实测资料进行了对比验证,结果表明两者吻合较好,相对误差小于8%,说明该模型能够很好地模拟明渠丁坝绕流的水力特性分布规律。     

回转体头部通气入水流场演化与载荷特性数值预报研究

为探究周向通气对回转体入水表面载荷的影响，基于VOF(volume of fluid)模型和Realizable k-ε两层湍流模型，开展了周向通气回转体低速入水流场演化数值预报和表面载荷特性分析。通过将数值预报的空泡形态与试验结果相对比，验证了所采用的数值方法的有效性，并分析了不同通气率对空泡形态、流场特性和表面载荷特性的影响。结果表明，通气会改变回转体入水空泡演化过程以及侧壁表面压力，在通气作用下空泡第一次脱落时间延缓，并且通气气体流向空化器后方负压区，改善了空化器后方的负压情况；其次，通气气体在通气口附近形成了明显的涡结构，之后与壁面处由空化器形成的涡融合，增强了空泡中部的涡流强度；最后，通气率越大，空泡闭合时间越晚，空泡体积越大，尾部空泡越不容易发生脱落，同时通气会减缓回转体表面的压力波动，通气率越大压力波动越小。综合分析可以认为，侧向通气对于回转体低速入水流场及表面载荷特性有一定的改善作用。     

不同交汇角度明渠交汇口三维水力特性的大涡模拟研究

采用气液两相流混合模型对不同交汇角度下等宽明渠交汇口三维水力特性进行了数值模拟研究。选取大涡模型(Large Eddy Model)封闭两相流时均方程,求解速度与压力耦合方程组时使用半隐式SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法,模拟自由水面采用VOF(Volume of Fluid)法。将交汇角度为90°时采用大涡模型计算得到的纵向截面水面线和不同测线上的速度分布与文献中的试验结果相比较,两者吻合良好,且水面线高度误差在4.2%以内,由此可见大涡模型是模拟交汇口水力特性的有效方法。进而将大涡模型用于模拟交汇角度为30°、45°、60°的交汇口水流,得到交汇口处的水深变化及流场的分布规律,并定量分析了交汇口下游各横断面流速不均匀系数的分布规律。结果表明:在整体上交汇角度越大,交汇口各特征横断面流速不均匀系数越大,即水流流速分布越不均匀。     

煤液化高压差调节阀空蚀/冲蚀磨损预测

针对煤液化示范工程中高压差调节阀高速气-液-粒三相流传输引起的阀芯严重空蚀和冲蚀磨损问题,采用k-ε湍流模型、Schnerr-Saur空化模型、随机轨道模型和冲蚀磨损模型,计算了典型开度下的速度、压力、相分率和磨损率等参数.计算结果表明:阀芯头部圆弧段下游附近有空化区,其顶部附近存在高速回流且压力高于介质的饱和蒸气压,综合分析空化区、回流区和壁面压力可预测空蚀主要发生在阀芯顶部;阀芯的最大冲蚀磨损率发生在顶部,且随开度减小而加剧.并结合调节阀实际损伤形貌,验证了空蚀预测方法及冲蚀磨损计算的正确性.本研究有望为多相介质传输设备的优化设计提供参考.     

辐流式沉淀池进口挡板影响的液固两相流数值模拟

采用RNG k-ε两方程紊流模型以及简化的多相流Mixture(混合)模型对进口处不同长度的两种垂直挡板的辐流式二次沉淀池内的液固两相流进行了三维数值模拟,得到了沉淀池内的流场分布、污泥浓度分布、速度分布。速度与压力耦合方程组求解时使用半隐式SIMPLE(SemiImplicit Method for Pressure-Linked Equations)算法。通过对这两种不同挡板池内的水流流场、浓度场、速度场的模拟分析,结果发现:长挡板形式下的辐流式沉淀池内水流流场更有利于污泥快速沉淀,即有利于固液分离,使得出口水质明显提升;同时也说明合理改变沉淀池的结构体形与尺寸,可以改善沉淀池内的流场流态,提高沉淀效果和运行效率。     

环空后台阶管道内气固两相流动的数值模拟研究

环空管道后台阶突扩流动是空气正循环钻井过程中十分重要的关键部分,直接决定了钻探岩屑是否能够顺利上返地面.本文采用Euler-Lagrange两相流研究方法,气相湍流采用Realizable k-ε模型,固相采用离散相模型(DPM),固相的湍流耗散采用随机轨道模型,对环空后台阶突扩管道内气固两相流动进行了数值模拟研究.得出了气相场大涡演变规律,在此基础上研究了不同粒径时颗粒在流道中的浓度分布规律、运动轨迹,以及速度场分布规律.这为细观框架下研究气固两相相互作用规律提供了依据.     

基于DES方法平底水力旋流器内部流场特征的数值分析

采用分离涡模拟方法(Detached Eddy Simulation,DES)针对平底水力旋流器的特殊结构进行了清水流场三维湍流流动的数值模拟.与RNG k-ε模型、雷诺应力模型的计算结果比较后发现,DES方法所预测出的切向速度结果与实验结果吻合最好,从而验证了DES方法在水力旋流器数值模拟方面的可行性.进一步分析了在一定入口流量下平底水力旋流器内部流场的切向速度、轴向速度、径向速度及静压力的分布特征以及局部流动现象,获得了有关平底水力旋流器内流场流动结构的丰富的信息,讨论了圆柱结构内的流动特征对固液分离可能存在的影响.分析表明平底水力旋流器的内流场呈现出兰金涡的特点,并且为非对称分布,其内部的能量损耗主要集中在受强制涡影响的中心轴线附近区域内.本文结果为进一步研究平底水力旋流器的流场特征提供了参考.     

锥阀附近水力特性的三维数值模拟研究

采用可压缩的两相流模型,辅以Realizable k-ε湍流模型来模拟锥阀附近的水流水力特性,对于自由水面的处理采用了VOF法。通过对计算的压力场以及流线的分析,指出锥阀在水力消能中的作用。数值模拟结果与试验资料的比较分析表明两者吻合较好,从而验证了该模型在锥阀湍流模拟中的可靠性。     

柴油机废气涡轮增压器压气机的气动噪声源特性研究

基于雷诺时均方程(RANS)及双方程湍流模型,建立了船用大功率增压器压气机的内部流场计算模型;计算了压气机叶轮流道内的流速分布和湍流流场,得到叶片顶部出口附近的流速分布在1.02马赫和1.1马赫之间;采用基于声比拟的数值积分方法(FW-H方程),得到了压气机叶轮的气动噪声源,并比较了主叶片和分流叶片顶部出口位置的气动噪声频谱特征,发现两者的噪声级及叶频分布存在差异。计算表明:压气机在轴频及其谐波频率处的噪声远小于叶频噪声,主流叶片及分流叶片紊流的噪声成因不同;压气机内部流噪声源的大小主要取决于气流速度;压气机转速由8000r/min增加至16000r/min、由16000r/min增加至22000r/min,流噪声的幅值约增加12dB。     

裂缝气液重力置换的流动实验及仿真

通过可视化模拟实验对真实裂缝下气液重力置换现象进行了模拟,得到了其气液界面现象与常规平板裂缝的差异;通过对压力、置换量等数据的处理证实了气液重力置换的机理;根据实验的液体漏失流量数据提出了钻井过程中漏失、置换、溢流区间;最后根据k-ε双方程模型进行了气液重力置换流动的仿真计算,得到三维裂缝流道中都是钻井液下部侵入,呈现一个近似的直角三角形形状。本文对现场钻井工程方案设计及安全钻井具有指导意义。     

90°弯道明渠横向环流的大涡模拟研究

采用气液两相流大涡模型模拟90°弯道明渠水流的水力特性。使用有限体积法对控制方程进行离散;使用压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法求解速度与压力的耦合;采用了VOF(Volume of Fluid)法模拟自由水面。通过计算得到弯道处流速、压强系数、横向环流强度等水力参数的分布规律。分别比较弯道纵向流速与横向流速的模拟值与实验值,二者吻合较好。通过分析弯道环流的流态特征得出:因受重力作用与水流在流经弯道时发生的离心现象的影响,凸岸附近较凹岸存在较大的二次流强度的结果;凸岸与凹岸压强系数均沿程增大,当达到弯顶时,水面横比降达到最大值;弯道横向环流强度随弯道角度增大而逐渐增大,其最大值出现在明渠底部。     

几种k-ε模式在细长体分离流计算中的应用

分别利用Launder—Spalding k-ε模式、Shih k-ε模式和重整群(Renorma—lizationGroup)k-ε模式模拟了细长旋成体在超音速中等大攻角下的背风面分离流，从背风面分离涡的强度和位置、物面压力分布、集中力和力矩以及湍流粘性比等方面比较了三种模式的计算结果，并与已有的试验结果进行了对比。结果证实，三种k-ε模式均能很好地模拟背风面分离流，其中又以重整群k-ε模式的结果与试验结果最为接近。     

含分流叶片的离心压缩机级内三维流场数值分析

使用Fine/Turbo三维粘性计算程序对含分流叶片半开式叶轮的离心压缩机级内三维粘性流场进行数值分析.该程序应用Jameson的中心差分格式结合Yang&Shih k-ε湍流模型,使用时间推进法求解雷诺平均N-S方程,用四阶显式Runge-Kutta法进行时间推进.计算中CFL数取2.5,残差收敛至10-4数量级、计算域进出口质量流量误差小于0.05%时认为收敛.并为进一步的产品优化设计及改进研究打下基础.计算结果表明该模级的数值模拟曲线与实验值吻合良好;叶轮出口截面上两个通道的速度分布极不均匀,右通道的速度比左通道的变化剧烈.为了加快收敛,计算时采用了隐式残差平均法及完全多重网格技术.