开式向心涡轮背部间隙流动特性的研究

对开式向心涡轮背部间隙流动特性进行计算分析,计算结果和实验符合较好。分析结果表明:背部间隙泄漏流量远小于叶顶间隙泄漏流量,但两者损失大小相当,可见背部间隙与叶顶间隙虽然在形式上相似,但流动特性及损失机理有所不同;背部机匣刮削效应增强了展向二次流强度,在吸力面附近出现较大的高熵区,同时背部间隙泄漏流在展向二次流的带动下源源不断向叶顶方向运动,与主流形成较强的掺混;相比之下,叶顶机匣刮削流和展向二次流相互抵消,叶顶间隙泄漏流被展向二次流限制在叶顶壁角附近,掺混损失相对较小。     

等离子弧焊接多物理场耦合输运模型

本文基于电场、磁场、温度场和流场的多物理场耦合,建立了简单实用的电弧与工件一体化模型,既准确表征等离子弧焊接过程中的多物理场输运作用,又无需使用流体体积函数(VOF)计算气液两相界面,大大减少计算时间和成本。模型计算出电弧压力分布,将其简化为压力源项作用于工件表面,同时该界面上电弧与工件耦合传热,实现了电弧与工件的热-力传递。获得了焊接过程电弧和工件的温度、速度、电流密度和电磁力的分布规律,揭示了焊接熔池的形成和演变机制,并开展实验验证了模型的准确性。最后分析了不同工艺参数对电弧热流密度和压力的影响规律,为焊接质量优化提供理论指导。     

平板式固体氧化物燃料电池多物理场耦合建模

固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC)在高温下工作,影响电池性能和结构完整性的因素众多,如何能够综合考虑这些因素并准确地预测和优化电池结构与工作性能是亟待解决的问题。使用COMSOL软件建立了单个平板式固体氧化物燃料电池多场耦合有限元三维模型,考虑电化学反应、物质浓度、流体流动、传热和固体力学多物理因素共同作用下,探明了电池在工作阶段的气体摩尔分数、电流密度、温度和热应力的分布规律。结果表明,氢气和氧气的摩尔分数随着气体流动的方向逐渐降低;在电池空气入口处,电解质电流密度较大;电池温度分布不均匀并产生了较大的热应力。本文建立的SOFC多场耦合模型可为后续SOFC的研究提供分析方法和理论支持。     

基于COMSOL 的感应耦合等离子体炬多物理场研究

为了优化锂微粉等离子体球化的工艺,对感应耦合等离子体炬进行二维建模,将电磁场计算域扩展到等离子体放电区域之外的空气区域,利用COMSOL 软件进行多物理场模拟。得到了等离子体的电磁场、温度和速度分布,并对分布形成的物理机制进行分析。模拟发现等离子体区域线圈段存在上下两组对称的回流涡,线圈段中部靠近约束管处等离子体速度分布杂乱,有激烈的径向打壁现象,乱流预计会对约束管壁相应位置造成一条环状的破裂效果。基于模拟结果,提出在采用感应耦合等离子体球化锂微粉的工艺工程中,可以将注粉口下移,绕开上回流涡。     

微束等离子体弧焊电弧物理特性多场耦合分析

根据磁流体动力学方程组,建立了微束等离子电弧模型,使用有限元分析软件COMSOL进行模拟计算。结果表明,电弧中心温度分布从钨针至焊件整体呈"毛笔"状,其中,喷嘴下方电弧形态呈"钟罩"形,在焊件上温度分布符合高斯分布特征;电弧等离子体在喷嘴内部速度较大,离开喷嘴后,其方向由喷嘴内的竖直向下逐渐变为到达工件时的向四周扩散;电流由焊件表面流出,经过弧柱区域流入钨针下端面,在钨针下端面附近取得最大值;电弧磁通密度分布呈"肺叶"状。最后进行了相应的熔焊试验,试验过程中拍摄的电弧轮廓与仿真电弧形态基本一致。     

向心涡轮三维黏性数值分析研究

本文采用CFD方法,对某涡轮增压器的可调导叶向心涡轮流道内的流动进行了数值模拟,进行了三个导叶开度(100%,50%和20%)多个流动工况的定常和非定常流动计算.在与实验测试的特性参数比较的基础上,详细分析了叶轮流道内的的二次流动生成和发展,并且研究了导叶开度对二次流动的影响.     

大小叶片向心涡轮数值模拟研究

为了研究向心涡轮当中采用大小叶片改进之后的效果,本论文选取了一个12叶片向心涡轮进行大小叶片改造—将原始叶片作为涡轮的大叶片,去除叶片的导风轮部分改为小叶片。对小叶片与大叶片压力面距离分别为0.4倍栅距、0.6倍栅距布局的6×6向心涡轮进行了对比研究。计算模拟的结果表明,在不改变原始涡轮的基本尺寸的情况下,采用6×6改造形式的涡轮由于出现较强的通道涡,导致涡轮的级效率略有下降,下降幅度约2%。     

固体氧化物燃料电池堆多物理场耦合模拟的高效电化学-传质耦合算法

A multiphysics model for a production scale planar solid oxide fuel cell (SOFC) stack is important for the SOFC technology, but usually requires an unpractical amount of computing resource. The major cause for the huge computing resource requirement is identified as the need to solve the cathode O₂ transport and the associated electrochemistry. To overcome the technical obstacle, an analytical model for solving the O₂ transport and its coupling with the electrochemistry is derived. The analytical model is used to greatly reduce the numerical mesh complexity of a multiphysics model. Numerical test shows that the analytical approximation is highly accurate and stable. A multiphysics numerical modeling tool taking advantage of the analytical solution is then developed through Fluent®. The numerical efficiency and stability of this modeling tool are further demonstrated by simulating a 30-cell stack with a production scale cell size. Detailed information about the stack performance is revealed and brie y discussed. The multiphysics modeling tool can be used to guide the stack design and select the operating parameters.     

基于多物理场耦合分析的压接型IGBT散热器多目标优化

为研究处于电磁场、温度场和应力场相互耦合的多物理场环境下的压接型IGBT水冷散热器热阻、流阻及表面压力分布特性,结合ANSYS软件,提出一种在电磁–热–应力多物理场耦合环境下水冷散热器多目标优化方法。在满足表面压力的前提下,以水冷散热器热阻、流阻最小化为优化目标。采用Kriging方法构建响应面模型,利用AMGA优化算法对水冷散热器内部流道结构进行多目标优化设计,计算出了最优方案。搭建试验平台对仿真分析结果进行试验验证,证明文中对压接型IGBT水冷散热器的多物理场耦合分析方法可以指导多物理场下的水冷散热器的设计。     

基于多物理场模拟的阳极支撑微管燃料电池的结构优化设计

High volumetric power density (VPD) is the basis for the commercial success of micro-tubular solid oxide fuel cells (mtSOFCs). To find maximal VPD (MVPD) for anode-supported mtSOFC (as-mtSOFC), the effects of geometric parameters on VPD are analyzed and the anode thickness, t_an, and the cathode length, l_ca, are identified as the key design parameters. Thermo-fluid electrochemical models were built to examine the dependence of the electrical output on the cell parameters. The multiphysics model is validated by reproducing the experimental I-V curves with no adjustable parameters. The optimal l_ca and the corresponding MVPDs are then determined by the multiphysics model for 20 combinations of r_in, the inner tube radius, and t_an. And all these optimization are made at 1073.15 K. The results show that:(i) significant performance improvement may be achieved by geometry optimization, (ii) the seemingly high MVPD of 11 and 14 W/cm³ can be easily realized for as-mtSOFC with single-and double-terminal anode current collection, respectively. Moreover, the variation of the area specific power density with l_ca2(2 mm, 40 mm) is determined for three representative (r_in, t_an) combinations. Besides, it is demonstrated that the current output of mtSOFC with proper geometric parameters is comparable to that of planar SOFC.     

数值反应堆多物理耦合关键技术

随着计算机的快速发展和超算的应用,开展反应堆多物理、多尺度、多过程耦合成为可能.数值反应堆通过构建一个虚拟堆,在其上开展多物理过程研究,把过去孤立的过程耦合起来,去掉各种简化和近似,向高保真、精密计算逼近.研究手段由实验驱动、工程导向,向科学数值模拟转变.通过调研美国的CASL（The Consortium for Advanced Simulation of Light Water Reactors）计划和欧洲的NURESAFE（Nuclear Reactor Safety Simulation Platform）计划,结合近年核能开发中面临的挑战问题,包括软件自主化中的一些关键技术,提出在国内开展数值反应堆工程的建议设想,供业内专家学者共同探讨.     

MW级超临界二氧化碳向心涡轮设计及分析

本文以某MW级超临界二氧化碳(S-CO2)向心涡轮为研究对象,对S-CO2向心涡轮的设计体系展开进一步探索,并利用一维分析方法和三维数值模拟方法对其进行气动分析.文中先介绍了本课题组已经开发完成的针对向心涡轮喷嘴和转子叶轮的一维气动优化设计方法,然后补充向心涡轮进气蜗壳的设计方法,最后利用三维CFD方法对设计方案的进气...     

超临界二氧化碳向心涡轮设计及变工况性能预测

本文针对以超临界二氧化碳(S-CO_2)为工质的向心涡轮,在常规一维分析方法的基础上,引入相应的损失模型,开发出适用于真实气体工质物性计算的一维气动设计程序和一维变工况性能预测程序。文中首先利用试验对损失模型的准确性进行了验证,进而针对某S-CO_2向心涡轮,利用所开发程序进行了设计和性能分析,并采用三维CFD方法进行了数值模拟。结果显示,设计方案的气动性能和变工况运行性能良好,并且一维计算结果与三维模拟结果总体吻合,说明一维程序的分析结果精确可靠;但一维预测程序对于堵塞点质量流量计算值偏高,为程序进一步改进指明了方向。     

局部进气涡轮优化设计研究

为了能够有效优化局部进气涡轮性能,通过对现有软件模块进行二次开发,并利用人工神经网络结合粒子群-遗传混合算法,建立了局部进气涡轮气动优化设计平台,分别在全周进气单流道和局部进气环境下对涡轮进行了分步优化。结果表明:在全周进气单流道条件下,通过对各排动静叶进出口几何角、安装角和第一级动叶积叠规律的优化,改善了涡轮内部流动状态,使涡轮总静效率在全周进气单流道条件下累计提升了3.24%;通过对全周进气单流道优化结果进行局部进气构型,并进一步在局部进气环境下对第一级动叶叶型进行优化,消除了第一级动叶排根部因局部进气气动参数周向分布不均匀而导致的流动分离,使优化后的局部进气涡轮总静效率较原型累计提升了3.72%。     

向心涡轮U型盘腔封严特性研究

本文采用数值方法对向心涡轮U型盘腔开展研究。在验证Orifice Model适用性的基础之上,从模型的物理内涵出发,重新定义了反映燃气入侵强度的参数δ。研究表明,恒转速盘腔封严效率是关于入侵强度δ的单调递减函数,随着δ降低密封效率增大,当δ=2.7时,封严效率可达到80%水平。进口段长度通过影响入侵强度参数值,进而对封严效率产生影响。同时研究发现,Orifice Model中参数取值还应取决于盘腔进口段长度,进口段越长最小封严流量值越小。     

可调导叶向心涡轮转子叶片压力波动激励机制

论文以实际应用中出现破裂的向心涡轮为研究对象,研究导流叶片尾缘激波、导流叶片叶尖间隙泄漏流动以及导流叶片尾迹对转子叶片表面压力波动的干涉作用,定性确定这三种因素在转子叶片表面压力波动中所占比重大小,发现激波和导流叶片叶尖间隙泄漏流动所诱导的转子叶片压力波动位置。结果表明,激波和导流叶片叶尖间隙泄漏流动是导致转子叶片表面压力波动的主要因素;受向心涡轮叶轮进口形状的影响,激波只是和转子叶片前缘附近的吸力面发生作用,导流叶片开度减小,激波强度增大,转子叶片压力波动幅值明显增大;导流叶片叶尖和叶根间隙泄漏流动会导致转子叶片吸力面叶尖和叶根的压力波动明显增大,是转子叶片前缘叶尖发生高周疲劳的主要原因.     

高温超导储能磁体多物理场解耦设计

针对在高温超导储能磁体设计中多物理场耦合分析问题,本文提出了一种面向有限元分析的解耦优化设计方法,并以一台150kJ/100kW高温超导磁储能磁体为例进行了有限元仿真验证。本文首先梳理了高温超导储能磁体的多场耦合关系,提出在材料物性关系和多场耦合关系中分别以温度和电磁场为主导因素;进而归纳得出,磁体易失超危险区分布及解耦分析中多物理场数据流向设计,是设计过程中的关键问题,并给出了分析策略;最后按照逻辑合理、工作量最省的原则提出了解耦综合优化主流程,及针对易失超危险区的优化建议。     

圆周运动向心加速度物理意义的理论分析

在高中阶段我们只讨论了匀速圆周运动.描述匀速圆周运动的物理量有角速度、线速度、周期、向心加速度.匀速圆周运动的"速"指的是速率,也就是速度的大小,那么,如果是速度大小改变的圆周运动呢?对于一般的曲线运动,可建立极坐标系来分析其运动规律,如图1.     

可调向心涡轮后加载型导叶设计和数值研究

针对某可调向心涡轮导叶段存在的强激波和端壁泄漏损失,设计了一种后加载特性导叶,并在级环境下进行了研究。首先对比了原模型设计开度下的数值与实验结果,验证了数值模型的有效性,然后进行了将原模型和新模型的定常与非定常计算。结果表明:后加载型导叶在通过降低导叶端壁泄漏涡强度而减小其总压损失的同时可大幅度弱化导叶喉部和尾缘激波强度;导叶间隙泄漏流和尾缘激波的减弱使转子叶片静压波动强度降低,增强了转子叶片的可靠性。     

多导体传输线高频场线耦合渐近法分析

基于理想地面上单导体传输线渐近法,提出了改进的多导体传输线渐近法。与已有多导体传输线渐近法相比,所提方法步骤简单,求解效率高。利用所提方法计算电磁波与不同结构多导体传输线网络之间的耦合,结果与全波分析方法计算结果吻合很好。在此基础上,分析了多导体传输线导线间距对沿线感应电流的影响。结果表明,随着导线间距变化,矩形网络和平行网络沿线感应电流波形变化趋势不同,且当间距大于一个波长后,平行网络和理想地面上相同结构的单导线具有相同的沿线感应电流。