20120914哈尔滨工业大学计算颗粒流体力学及两相流技术研讨会新闻
液固外循环流化床内喷嘴对流场影响的数值模拟
液固外循环流化床内喷嘴对流场影响的数值模拟刘燕;陈赫宇;周千淅;张少峰;王智【摘要】喷嘴是影响液固外循环流化床内颗粒循环的关键部件.应用STAR CCM+软件,基于Realizable κ-ε湍流模型和壁面函数法,采用SIMPLE算法对压力和速度场进行耦合求解,讨论了喷嘴位置与口径比对速度、压力、湍动能以及涡强分布规律的影响.结果表明,喷嘴口径比是影响压力、射流中心速度、阻力大小的关键因素,当喷嘴口径比为0.375时,压降最小,且阻力较小,利于流体循环.流体经喷嘴喷出后,因射流区速度梯度较大而产生剪切力,形成涡旋,当喷嘴安装位置为0 mm时,涡旋达到最大,卷吸力最强.【期刊名称】《河北工业大学学报》【年(卷),期】2016(045)001【总页数】6页(P68-73)【关键词】STAR CCM+;外循环流化床;喷嘴;口径比;数值模拟【作者】刘燕;陈赫宇;周千淅;张少峰;王智【作者单位】河北工业大学海洋科学与工程学院,天津300130;河北工业大学化工学院,天津300130;天津大学化工学院,天津300072;河北工业大学海洋科学与工程学院,天津300130;河北工业大学化工学院,天津300130【正文语种】中文【中图分类】TQ051.1流化床技术已广泛应用于化工、机械、原子能源、材料制备、冶炼金属、环保工业、污水处理等诸多领域[1-4]，而循环流化床换热器在化工行业中的应用尤为突出．在传热的过程中，换热设备接触表面一般都会引起不同程度的结垢现象，其中对涉及蒸发工艺的加热过程影响较为严重，例如制盐、制糖、造纸等工业过程，壁面结垢后会大幅度消减传热效果，明显增加能耗，导致质量以及产量下降，有时甚至导致设备无法正常运转．张利斌等[5]通过在蒸发管内安装几组可做往复运动的弹簧用来除垢，但在换热器中主要是运用加入固体颗粒的方式来除垢，颗粒随着液体的运动而运动，运动过程中颗粒与换热器管壁发生碰撞，从而使管壁上堆积黏附的污垢松动后随着流体一起排出管箱，可以看出颗粒的流动状态以及颗粒的分布就显得尤为重要，颗粒能否正常循环，压降等是重要的影响因素．由于设备运行时换热管箱的阻力过大，导致压降较大，动力不足，严重影响了设备的正常运行，所以在三通管处加入喷嘴，喷嘴的安装位置以及口径比对流场都会有影响，合理的安装位置以及口径比，可使喷嘴本身造成的压降较小，同时喷嘴对下降段水流的卷吸力最大，王利文等[6]在超音速粉碎喷嘴模拟中得到了喷嘴出口速度以及压力的曲线变化图，探究了喷嘴入口直径对其的影响，林正刚等[7]对同轴双剪切喷嘴进行模拟，对同轴双剪切喷嘴进行设计改进，探究对其燃烧率的影响，孙艳琦等[8]采用文丘里管路结构，起到喷嘴作用，对其结构进行改进．但是在液固外循环流化床中，对设备中加入喷嘴的研究很少．为了进一步了解设备内流场分布，本文研究在循环流化床内加入喷嘴后，对流场的影响进行模拟研究．河北工业大学多相流课题组对液固外循环流化床中喷嘴对床内颗粒循环特性的影响进行了实验研究[9]，实验装置如图1所示．其工作原理为：水泵2从储水槽1中吸水，水流经转子流量计3后，在喷嘴4处与颗粒收集筒11中下降的刚玉球颗粒混合，流入换热器换热管8下管箱5，经换热器换热管，从换热器上管箱中流入旋流分离器10内进行液固分离，刚玉球颗粒由旋流器底循环下降段进入颗粒收集筒11，水由旋流器溢流管排出进入储水槽1，实现水的再循环使用．喷嘴是整个工作系统的关键部件，喷嘴对下降管段的卷吸力与喷嘴前后的压降变化，是考察喷嘴最佳结构以及最佳安装位置的重要参考指标．图中d为管道直径，D为喷嘴出口直径，L为喷嘴安装距离．文献 [10]的实验结果表明，喷嘴出口压力变化对喷嘴吸入刚玉球的能力有重要影响，由于实验手段的限制，实验数据的精确度不高．实验中采取的测压方式，如图2所示，喷嘴出口压力采用探测管测量，喷嘴出口共布置6个测压孔，通过插入探测管测量压力，由于管道直径小，探测管本身对管道内流场影响极大，因此所测实验数据变化趋势正确，数据的精确性差．为弥补实验的不足，本文采取数值模拟的方式模拟喷嘴处流场变化规律．喷嘴计算区域几何模型如图3所示，喷嘴全长185 mm．运用多面体网格包裹几何模型以及棱柱层网格处理边界层的方法，使其形成离散化网格，喷嘴处局部体网格如图4所示，体网格数目为21 238 990．喷嘴口径比为D/d，喷嘴的安装距离定为L，把下降段左侧边缘作为安装0点， 20、 10、0、10点的位置见图4，往X轴正方向为正，反之为负方向．3.1 控制方程流体运动的控制方程为[11]：其中：t为时间；ui，xi为速度分量以及坐标分量；为密度以及分子黏性系数；为修正压力；为紊流黏性系数．其中：经验常数C=0.09；湍动能和湍流耗散率对应的Prandtl数方程常数C1=是由于平均速度梯度引起的湍动能的产生项．3.2 边界条件边界条件设置见表1，因旋流器溢流水直接进入储水槽，所以溢流管出口给定压力边界条件，水平管进口及旋流器切向进口根据实验数据设定；对于水平管出口，假定管足够长，喷嘴对其流场影响可忽略，因此水平管出口也设定为压力边界条件，流体介质为纯水，密度为997.561 kg/m3，重力加速度为9.81m/s2，方向向下．3.3 模拟算法本文应用STARCCM+进行模拟，基于有限体积法对求解区域进行离散，速度和压力的耦合采用Simple算法对场内压力和速度进行耦合求解，动量方程采用一阶迎风差分格式进行离散，湍流模型采用标准Realizable湍流模型以及壁面函数法．本文考虑3个口径比D/d=0.35、0.375、0.4，4个喷嘴安装位置L=0mm、10mm、 10mm、 20 mm．着重分析不同几何设置下压力、速度、湍动能以及涡量等物理量的变化规律．从喷嘴断面沿喷嘴中心坐标轴线，均匀布置了15个监测点，如图5所示．4.1 喷嘴安装位置对流场的影响喷嘴的不同安装位置对速度、湍动能、涡量、压降都有影响，但出于简化考虑，本文暂不涉及对压降的分析．4.1.1 喷嘴安装位置对速度的影响喷嘴直径为15mm，口径比0.375．喷嘴安装位置为0mm、10mm、 10mm、20mm时．安装距离与各点速度变化关系曲线如图6所示，因为喷嘴射流发生在中心轴处，沿轴向速度变化较大，故沿在中心线设置监测点．图6正坐标为水平管的来流方向，负坐标为水平管的出流方向，喷嘴出口处为0坐标点．由图可知，在水流进入喷嘴锥段后开始逐渐加速，在喷嘴喷出口处速度达到最大值，水流喷出后速度逐渐变小，趋近于来流速度，当安装位置为 20mm的时候，流速度变小的趋势最慢，当距喷嘴出口250mm处，4个安装位置的点速度基本一致，由于管道较细，管道边界摩擦阻力较大，需要较多的能量来克服粘滞阻力，因此速度急剧下降，也就是说喷嘴的影响范围在逐渐消失，以最大速度15.13m/s作为基准，从图6中可以看出，流速在喷嘴后10 mm内的变化规律极为明显，所以取距离为 100mm的4个安装位置的速度值，观察总的速度变化率，用 100 mm位置的速度值与最大速度作比较，当喷嘴安装位置为 20 mm时V20/Vmax=0.75，当喷嘴安装位置为 10mm时，V20/Vmax=0.64，相差11%．理论上讲，速度变化值越缓慢越好，代表喷嘴的喷射影响距离越远．4.1.2 喷嘴安装位置对湍动能的影响图7为不同安装位置下湍动能的变化曲线图，可以看出水流由喷嘴进口至出口，湍动能变化缓慢，从喷嘴喷出以后湍动能逐渐加大，在大约150mm处湍动能达到了最大，随后又逐渐减小．因为水流刚由喷嘴喷出，喷嘴中心射流速度比较稳定，但随流动距离延长，受边壁阻力以及喷嘴影响范围的制约，中心射流速度开始变得不稳定，形成了湍流剪切力，湍动能迅速增到最大，随后迅速下降，由于来流动能的消耗，动力不足，中心射流区逐渐消失，最终变为在管路内的层流流动，湍动能将下降到一个稳定的平衡值，以很小的波动上下浮动．由图看出当安装位置为0mm与10mm时，湍动能在水流离开喷嘴处最先变化，这是因为下降段的来流速度对湍动能有不同程度的干扰，其中喷嘴安装位置为0mm与10mm时干扰较强，在大约130mm处，喷嘴安装位置为0mm与10mm处湍动能远比其它两个安装位置要高，说明喷嘴的安装位置对下降管段的来流速度有影响，来流速度越大，对水平管水流的剪切力越大，湍动能变化也就越大，湍动能的加大，更有利于水流的正常循环，也有利于打散水流中的颗粒，能达到喷嘴前方管壁防除垢的效果，以免存留污垢阻碍喷嘴前射流速度．4.1.3 喷嘴安装位置对涡量的影响图8为同一口径比，不同安装位置下，水流由喷嘴刚喷出那一刻起，由于负压的逐渐增大，在喷嘴出口上下两侧贴近管壁处形成了涡旋的云图．由图可知，中心射流速度较大，在周围流场形成一个极强的切应力，沿管壁出现速度梯度，产生漩涡，由中心射流区作为中心线将上下两个涡旋分开．从图中可以看出当喷嘴安装位置为0 mm与10 mm时，涡旋的影响距离稍微短一些，相对来说安装位置为10 mm 时，上涡旋要比下涡旋大，说明喷嘴对下降段的卷吸力较强，安装位置为0 mm 时，旋涡影响距离比喷嘴安装位置10 mm时长，而且射流中心区较长，利于循环．当喷嘴安装位置为 10mm与 20mm时，涡旋的影响距离差距较小，当喷嘴安装位置为 20 mm时，上下涡旋看起来并不对称，由于中心射流区速度较大，导致下涡旋主要流量来自于水平管来流，上涡旋流量更多来自于喷嘴前产生负压形成涡旋对下降管段水流的卷吸作用，从云图中可看出安装位置为 20 mm时，上涡旋明显影响范围更大，涡强较大，这说明喷嘴对下降段的卷吸力更强一些，但是中心射流区较短，且射流区向外扩散．4.2 口径比对流场的影响喷嘴的不同口径比，对压降和涡量的影响较大，而对速度、湍动能的影响较小，因此主要考虑压降和涡量的影响．4.2.1 喷嘴口径比对压降的影响图9为喷嘴安装位置在10 mm处，口径比分别为0.35、0.375、0.4时压降变化曲线，由图10可看到，口径比为0.35时，水流刚进入喷嘴收缩段后，压力明显最大，而口径比为0.4时，压力明显最小，这是因为口径比越小，喷嘴本身所造成的阻力就越大，水流沿管道经过喷嘴喷出，负压逐渐增大，同时又可看出口径比越小产生的负压值越大，同时喷嘴前后的压力降也就增大了，不难看出当口径比为0.375，喷嘴出口直接为15 mm时，喷嘴阻力较小，而且压降变化值逐渐减小，更有利于水流的循环．4.2.2 喷嘴口径比对涡量的影响图10为喷嘴安装位置在10mm处不同口径比下的涡量云图，可以看到，坐标轴上限设定为2 000/s，口径比为0.35时，喷嘴出口处有一块空白，空白区域比2 000/s大，涡量更强一些，在口径比0.4时涡量最小，观察涡形看出，口径比为0.375时，涡形较为均匀，上下对称，且涡量适中．通过对液固外循环流化床下降管段的模拟分析，得出结论如下：1）喷嘴出口与管道直径的口径比是喷嘴高速射流距离的关键因素，综合考虑压降、涡量、速度来看，当喷嘴口径比为0.375时，口径比的射流速度最佳，压降最小，阻力较小，涡量适中，更有利于流体循环．2）水流经喷嘴射出后形成涡旋，涡旋对下降管段产生卷吸力，喷嘴的安装位置是影响卷吸力大小的重要因素．当喷嘴安装位置为0mm位置处时循环效果最佳，速度变化率较为适中，涡量能产生较大程度的卷吸力，对下降段流体的循环很有利．【相关文献】[1]贾丽云，李修伦，刘姝红，等．液固循环流化床两相流动模型[J]．化工学报，2000，51（4）：531-534．[2]姜峰，贾丽云，刘明言，等．液固循环流化床换热器中固体颗粒分布 [J]．化学工程，2004，32（1）：17-22．[3]刘燕，王琦，赵斌，等．液固循环流化床换热器中颗粒分布板分布性能的实验研究 [J]．河北工业大学学报，2006，35（6）：18-24．[4]Pronk P，Infante FerreiraCA，W itkamp G J．Prevention of fouling and scaling in stationary and circulating liquid-solid fluidized bed heatexchangers: Particle impactmeasurementsand analysis[J]．International Journal of Heatand Mass Transfer，2009，52（15）：3857-3868．[5]张利斌，张金钟，李修伦．多想流流化床换热器研究进展 [J]．现代化工，2001，21（2）：17-19．[6]王利文，潘家祯，王子刚，等．超音速气流粉碎喷嘴数值模拟 [J]．力学与实践，2009，31（2）：12-17．[7]林正刚，高玉闪，李茂，等．同轴双剪切气-气喷嘴数值模拟 [J]．航空动力学报．2010，24（4）：4-6．[8]孙艳琦，牛文全．文丘里管结构参数对其水利性能的影响 [J]．西北农林科技大学学报[J]．2010，38（2）：8-11．[9]张少峰，沈志远，魏建明．喷嘴对液固外循环流化床内颗粒循环特性的影响 [J]．火炸药学报，2009，32（1）：83-86．[10]张少峰，魏建明，刘燕．喷嘴对液固外循环流化床内含固体积分数的影响 [J]．化学工程，2008，36（5）：20-24．[11]王福军．计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用 [M]．北京：清华大学出版社，2004．[12]徐继润，罗茜．水力旋流器流场理论分析 [M]．北京：科学出版社，1998．。
2012年中国工程热物理学会传热传质分会年会口头报告清单
华南理工大学 华中科技能源与动力工程学院 大连理工大学化学工程研究所 中国科学院工程热物理研究所 中国科学院工程热物理研究所 大连理工大学化学工程研究所 华北电力大学 南京航空航天大学能源与动力学院 西安交通大学 清华大学热能工程系 西安交通大学 中国科学院理化技术研究所 清华大学热能工程系 清华大学热能系 山东大学热科学与工程研究中心 武汉大学动力与机械学院 宁波大学 西安交通大学
2012年中国工程热物理学会传热传质分会年会口头报告清单共229投稿编号作者标题工作单位123001推进剂组分对电弧加热推力器性能的影响中国科学院力学研究所123012于伟周晓锋谢华清陈立飞高导热含石墨烯纳米片聚甲基丙烯酸甲酯复合材料上海第二工业大学城市建设与环境工程学院123019液滴撞击固体斜面的三维vof模拟大连理工大学123022液化气体储罐受热的应力分析及失效预测大连理工大学123076高明章立新郑平全晓军沸腾汽泡微液层变化规律的实验研究上海交通大学机械与动力工程学院123200适用于金属材料的热质两步模型及普适导热定律清华大学航天航空学院123214王小见张立志裴丽霞填料分布状态对复合材料热导率的影响华南理工大学化学与化工学院123217池俊辉张立志裴丽霞分形理论在ainpfa导热材料中的应用华南理工大学123222适用于寻源导热反问题的改进蚁群系统上海理工大学能源与动力工程学院123277脉冲激励下红外无损检测的数值模拟及其可视化湖北武汉市海军工程大学船舶与动力学院405教研室123336炉子内壁不规则几何形状的模糊反演重庆大学123350利用二维导热反问题预测钢坯温度分布重庆大学含有热界面材料的界面热阻模型华中科技大学能源与动力工程学院123414王建立张春伟赵伟伟周欣欣高雪松杨决宽陈云飞倪中华溅射参数对aisi界面热导的影响东南大学123522测热试验中瞬态热流的反演研究中国空气动力研究与发展中心123564半金属尼龙1010复合材料摩擦热效应试验研究中国矿业大学电力工程学院123570粒子群算法用于预测喷雾冷却热流密度西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室123668复合环氧树脂的碳纳米管阵列柔性热界面材料制备与性能研究南京理工大学能源与动力工程学院投稿编号作者标题工作单位123005李元阳刘振华二维滞止区高速喷流沸腾临界热流密度的实验研究上海交通大学机械与动力工程学院123061刘伟质子交换膜燃料电池堆散热特性研究湖南理工学院物理系123082基于火积耗散原理的表面传热系数定义辨析及恒壁温平行通道内的检验山东大学能源与动力工程学院123085基于火积耗散极值原理的管外流场优化山东大学能源与动力工程学院123123波纹翅片开设涡发生器强化传热数值模拟河北工业大学123130沥青路面加热过程均温性的数值模拟哈尔滨工业大学123141沈向阳陆建峰丁静杨建平熔盐在螺旋槽管和横纹
哈工程两相流第1章解读
课程重点
熟练掌握两相流基本参数的定义，表达式及计算方法。 掌握绝热与非绝热垂直与水平管内各种流型的基本特征， 能用流型图判别流型，了解流型过渡的判别条件。 对截面含气率的三类计算方法有明确的认识，掌握用漂 移流模型计算截面含气率的方法，了解欠热沸腾区截面 含气率的计算过程。 掌握用均相流模型及分相流模型计算直管内的摩擦压降、 重位压降及加速度压降的方法。了解影响摩擦压降的主 要因素。 能计算热平衡条件下受热及不受热流道的两相总压降。 能分别用三个模型计算长孔道内临界质量流速，掌握短 孔道内临界流的特征及临界质量流速的计算。
V V V J Jg J f A A A
式中，Jg为气相折算速度，表示两相介质中气相单独流 过同一通道时的速度,m/s.
Jf为液相折算速度，表示两相介质中液相单独流
V V Jg W A A
Байду номын сангаас
W
Jg
过同一通道时的速度,m/s.
V V J f 1 W 1 A A
W
1
Jf
讨论
当气液两相无相对运动时
S 1, W W W J W
当气液两相存在相对运动，且 W W ，则
W J W
3.漂移速度和漂移通量 漂移速度：各相真实速度与两相混合平均速度J的差值。 气相漂移速度： Wgm W J 液相漂移速度： Wfm W J 漂移通量：各相相对于两相混合平均速度J运动的截面 所流过的体积通量。 气相漂移通量：
G M A
每一相的质量流速与总质量流速的关系
M M G G G (1 x )G xG A A
气液两相流流型研究进展答辩
1956年，Sobocinski在水平透明管中研究了油气水三相流，发现在低流量下三相分层流动，而在高流量狭隘出现了分散流动，因而提出了划分三相流型的观点。
1970年，schlichting利用现场管线研究油气水三相流，修正了Lockhart & Martinelli计算方法。
1972年，Bocharov等发表了油、水、天然气三相流动的现场试验结果，指出油水乳状液反相时，管线压降达到最大值。
1974年，Guzhouv等将油气水三相流现场实验结果与两相流加以比较后指出：把稳定油水乳状液的性质用于三相混合物的液相是不合适的。
1991年，德国汉诺威大学的Stapelberg等学者采用对比法，对流型进行了研究。
1992年，美国Rensslaer工业研究院的Acikgoz等学者发表了油气水三相流型的研究成果。
1993-1996年，美国Ohio大学的Jepson、Lee等学者发表了油气水三相流的研究结果，包括流型、压降、分层流的液膜厚度和段塞流频率等研究内容。
1995年,著名学者Taitel、Bernea和Brill等将气液两相流的Taitel-Dukler(1976)流型划分法推广到油气水的三相流动,得到了判别分层流向其他流型转变的方法,并发现在较低气体流速下与试验吻合较好。
同时指出在给定的气体流量下,分层流向其他流型转变时与液面高度直接相关,所以当黏度较高的油品在液相中的流量比增加时,液面高度会上升,分层流将在较低液体流量下发生转变,其区域缩小。
因此，油水流量比对流型的变化有重要影响。
1997年,Hewitt等在高压多相流设备上进行了三相流实验,研究了流型、压降和相分率。
Acikgoz流型划分:实验在恒温（26±0.5℃）下进行，管径为19mm，管长为5.78m，其中流动发展段为2.93m，试验段为1.83m。
选择类似北海原油的矿物油做油相，25℃时其粘度为116.4mPa·s，密度为864kg/m3 。
水平管内汽液两相流流型及换热特性数值模拟
Ａｂｓｔｒａｃｔ ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｐａｔｔｅｒｎ ｉｎ ａ ｐｈａｓｅ⁃ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｖａｐｏｒ⁃ｌｉｑｕｉｄ ｔｗｏ⁃ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｉｎ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ （ ＲＳＭ） ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ． Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ， ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ ａｎｄ
➝
两相流模型选用 ＶＯＦ 模型，其控制方程为容 积比率方程： ∂α ｑ ／ ∂ｔ ＋ ｖ ·∇α ｑ ＝ Ｓ αｑ ／ ρ ｑ ．
➝
∂ρ ／ ∂ｔ ＋ ∇·（ ρ ｖ ） ＝ ０ ．
度扩散项，Ｄ Ｌ，ｉｊ 为湍流动能分子扩散项，Ｐ ｉｊ 为湍流 动能应力生成项，Ｇ ｉｊ 为湍流动能浮力生成项，Φ ｉｊ 自定义项． 为湍流动能压力应变项，ε ｉｊ 为湍流动能耗散项， Ｆ ｉｊ 为湍流动能旋转生成项，Ｓ ｕｓｅｒ 为湍流动能用户 ２������ ３ 数值求解
层状流 （气液两相连续） 波状流 （气液两相连续） 环状流 （气液两相连续） 弹状流 （液相连续， 气相间断） 塞状流 （液相连续， 气相间断） 气泡流 （液相连续， 气相弥散） 雾状流 （气相连续， 液相弥散） 连续连续 流态
近年来，有学者提出了从多相流中流动介质的
７） 雾状流． 在环状流的基础上， 当气流速度
［１５］
ＩｓｓａＩ ［１６］ 等分别采用朗格朗日方法和欧拉法两流 体模型对水平管内的段塞气液两相流的形成和发 展进行了数值模拟研究． 结果表明： 段塞流是在 分层 流 的 基 础 上 液 体 向 上 波 动 形 成 的． Ｄｅ Ｓｃｈｅｐｐｅｒ ［１７］ 等采用 ＶＯＦ 模型及标准 ｋ － ε 湍流模 型对水平换热管中烃的蒸发裂化过程进行了数值 模拟，得到了分层流和环状流． 张金红 ［１８］ 和宫莎 莎 ［１９］ 等则分别对水平管内气液两相流流型进行 了实验和数值模拟研究， 结果表明： 水平管内流 型与 Ｍａｎｄｈａｎｅ 流型图吻合较好． 但是到 目 前 为 止，数值模拟对水平管内汽液两相流压降、换热和 流型同时进行研究的报道相对较少， 尚未建立起 较为完善的带换热过程的水平管内汽液两相流流 型及流动与换热特性的数值模拟方法．
液固流化床中颗粒流动特性的数值模拟
液固流化床中颗粒流动特性的数值模拟
刘国栋;沈志恒;王帅;王家兴;陆慧林
【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》
【年(卷),期】2010(042)007
【摘要】应用欧拉-欧拉双流体模型,液相采用k-ε湍流模型,同时考虑液固两相间耦合作用,数值模拟液固流化床内液固两相流动,研究了液体密度和粘度对液固流化床内流动特性的影响.研究结果表明,液固流化床内液体、颗粒混合比较均匀,呈现散式流态化特性.颗粒轴向速度随着液体密度和粘度的增大而增大,并且在床内分布趋势相同.数值模拟得到床层膨胀高度的结果与Babu等人公式计算值相吻合.
【总页数】4页(P1108-1111)
【作者】刘国栋;沈志恒;王帅;王家兴;陆慧林
【作者单位】哈尔滨工业大学,能源科学与工程学院,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,能源科学与工程学院,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,能源科学与工程学院,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,能源科学与工程学院,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,能源科学与工程学院,哈尔滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】TK222
【相关文献】
1.基于DEM模拟液固流化床粒度级配对颗粒流动特性的影响 [J], 丁冬峰;程可;陆晓峰;朱晓磊;朱凌雪
2.液-固流化床中液速分布与颗粒循环流动 [J], 郝晓刚;张忠林;郭金霞;孙彦平
3.高密度液固循环流化床流动特性研究及数值模拟 [J], 聂向锋;卢春喜;蓝兴英
4.液固流化床内双组分颗粒流动数值模拟 [J], 贾雨彬;王树青;朱玉颖
5.倒置液固流化床内液固两相流动特性的数值模拟 [J], 沈志恒;刘文铁;金记英;陆慧林
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哈工大多相流体力学讲义
三、本课程的其他教学环节 无。
四、考核方式 成绩为百分制。考试内容基本覆盖全部授课内容。
第一章 绪 论
1.1 两相与多相的定义与分类
两相流就是指必须同时考虑物质两相共存且具有明显相界面的 混合物流动力学关系得特殊流动问题。
在不同的学科中，根据研究对象的不同特点，对相各有特定的说 明。比如物理学中，单相物质的流动称为单相流，两种混合均匀的气 体或液体的流动也属于单相流。同时存在两种及两种以上相态的物质 混合体的流动就是两相或多相流。在多相流动力学中，所谓的相不仅 按物质的状态，而且按化学组成、尺寸和形状等来区分，即不同的化 学组成、不同尺寸和不同形状的物质都可能归属不同的相。在两相流 研究中，把物质分为连续介质和离散介质。因为颗粒相可以是不同物 态、不同化学组成，不同尺寸或不同形状的颗粒，这样定义的两相流 不仅包含了多相流动力学中所研究的流动，而且把复杂的流动概括为 两相流动，使问题得到简化。此外还有动力学意义上的相及物理上的 相。
4
气力输送的流型 4 、稀相输送时颗粒群在直管中运动微分方程
6. 4 气力、水力输送能量损失估算
6.5 固体颗粒在流体中的沉降分离与旋流分离
第七章 两相流动的测量技术与实践
7.1 汽液两相流的测量
4
7.2 气固两相流的测量
7.3 多相流测量实践
4 针对课堂讲授内容的总结，问题讨论、教学效果探讨及答疑备考
气体和固体颗粒混合在一起共同流动称为气固两相流。 严格的说，固体颗粒没有流动性，不能作流体处理。但当流体中 存在大量固体小粒子流时，如果流体的流动速度足够大，这些固体粒 子的特性与普通流体相类似，即可以认为这些固体颗粒为拟流体，在 适当的条件下当作流体流动来处理。引入拟流体假设后，气固两相流 动就如同两种流体混合物的流动，可以用流体力学、热力学的方法来 处理问题，使两相流的研究大为简化。又由于其假定的前提，使用拟 流体假设时要特别注意适用条件。处理颗粒相运动时，某些方面把其 看作流体一样，但另一些方面则必须考虑颗粒相本身的特点。 3. 液固两相流 液体和固体颗粒混合在一起共同流动称为液固两相流。如工程大 量使用的水力输送等。 4. 液液两相流 两种互不相溶的液体混合在一起的流动称为液液两相流。油田开 采与地面集输、分离、排污中的油水两相流，化工过程中的乳浊液流 动、物质提纯和萃取过程中大量的液液混合物流动均是液液两相流的 工程实例。 5. 气液液、气液固和液液固多相流
哈尔滨工业大学精品课程流体力学-精选
第三章 流体动力学
§3-1 描述流体运动的两种方法 §3-2 流体运动中的一些基本概念 §3-3 连 续 方 程 式 §3-4 理想流体的运动微分方程 §3-5 伯 努 利 方 程 及 其 应 用 §3-6 动 量 方 程 及 其 应 用
第四章 相似和量纲分析
§4 – 1 相 似 原 理
§4 -2 定 理 和 量 纲 分 析 的 应 用
则 = 常数
或:
0
t x y z
三、液体的粘性
1、粘性的概念及牛顿内摩擦定律
y
流体分子间的内聚力
流体分子与固体壁面
间的附着力。
dy
内摩擦力 —— 相邻
y
流层间，平行于流层
v。
v0
F
v+dv
v
表面的相互作用力。
x
定义：流体在运动时，其内部相邻流层间要产
6
6
则：Fmx6dxdy dfx z
Fmy6d xd y dfy z
质量力在三个坐 标方向上的投影
Fmz6dxdydfzz
<3> x 方向上的力平衡方程式（Fx= 0）
^ px1/2dydz pn ·ABC·cos(n, x) + 1/6dxdydz fx
=0
证明：在平衡流体中取出一微小四面体ABOC， 考察其在外力作用下的平衡条件。
<1>表面力
1
Fx
px
dydz 2
Fy
py
1dxdz 2
Fz
pz
1dxdy 2
Fn pnABC
各个面上的静压力
ABC — 斜面面积
基于AMESim的卫星推进系统流阻特性研究
第一作者简介:王申(１９８３ )ꎬ男ꎬ河南南阳人ꎬ高级工程师ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为航空宇航推进理论与工程ꎮＤＯＩ:１０.１９３４４/ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ１６７１－５２７６.２０２２.０１.０３９基于ＡＭＥＳｉｍ的卫星推进系统流阻特性研究王申１ꎬ２ꎬ朱一骁１ꎬ２(１.上海空间推进研究所ꎬ上海２０１１１２ꎻ２.上海空间发动机工程技术研究中心ꎬ上海２０１１１２)摘㊀要:根据对某卫星在轨故障模式的分析ꎬ针对卫星推进系统流阻特性展开研究ꎮ基于ＡＭＥＳｉｍ建立两颗卫星氧化剂和燃料的液路模型ꎬ通过数值模拟的手段对液路流阻进行计算ꎬ并与已有的在轨飞行及地面测试数据进行比较ꎬ验证数值模拟模型的有效性ꎬ为推进系统流阻的进一步数值模拟提供帮助ꎮ关键词:卫星ꎻ推进系统ꎻ流阻特性ꎻＡＭＥＳｉｍꎻ数值模拟中图分类号:ＴＰ３９１.９㊀㊀文献标志码:Ｂ㊀㊀文章编号:１６７１￣５２７６(２０２２)０１￣０１５４￣０３ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＦｌｏｗＲｅｓｉｓｔａｎｃｅＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＳａｔｅｌｌｉｔｅＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＡＭＥＳｉｍＷＡＮＧＳｈｅｎ１ꎬ２ꎬＺＨＵＹｉｘｉａｏ１ꎬ２(１.ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎꎬＳｈａｎｇｈａｉ２０１１１２ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＳｈａｎｇｈａｉＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＳｐａｃｅＥｎｇｉｎｅꎬＳｈａｎｇｈａｉ２０１１１２ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｏｎ－ｏｒｂｉｔｆａｕｌｔｍｏｄｅｏｆａｃｅｒｔａｉｎｔｙｐｅｏｆｓａｔｅｌｌｉｔｅꎬｔｈｅｆｌｏｗｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓａｔｅｌｌｉｔｅｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ.ＢａｓｅｄｏｎＡＭＥＳｉｍꎬｔｈｅｌｉｑｕｉｄｐａｔｈｍｏｄｅｌｓｏｆｏｘｉｄａｎｔａｎｄｆｕｅｌｆｏｒａｃｅｒｔａｉｎｔｙｐｅｏｆｓａｔｅｌｌｉｔｅｓｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ.Ｔｈｅｆｌｏｗｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｌｉｑｕｉｄｐａｔｈｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｅｓｔｄａｔａꎬｗｈｉｃｈｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌꎬａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｄａｓｓｉｓｔａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｓａｔｅｌｌｉｔｅｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓａｔｅｌｌｉｔｅꎻｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍꎻｆｌｏｗｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓꎻＡＭＥＳｉｍꎻｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ０㊀引言某型号卫星在实施某阶段变轨工作期间ꎬ卫星突然出现异常干扰力矩并持续增大ꎬ随即实施了紧急关机措施ꎮ通过故障树分析及试验排查工作ꎬ认定４９０Ｎ发动机在轨工作异常的最大可能是由于发动机喉部内部温度过高ꎬ使涂层提前失效ꎬ出现烧蚀引起燃气泄漏ꎮ在轨使用工况偏高叠加是发动机喉部温度过高的原因之一[１－２]ꎮ通过分析４９０Ｎ发动机的问题ꎬ卫星推进系统部提出４９０Ｎ发动机不允许超工况在轨使用的要求ꎮ系统流阻是影响４９０Ｎ发动机在轨工况的主要因素ꎬ为避免４９０Ｎ发动机在轨超工况使用ꎬ需要对系统流阻进行复核和复算ꎮ液体火箭推进系统是用液路㊁气路将各部㊁组件联接起来的流体网络系统ꎬ流体管路具有直径小㊁流量大㊁压力高的特点[３－５]ꎮ管流的主要影响因素包括可压缩性㊁惯性和黏性ꎬ研究液体的管路模型可以忽略流体的压缩性ꎬ只考虑流阻ꎮ随着计算机技术的发展ꎬ国内外开发了能够进行液压气动系统数值模拟的软件[６－９]ꎬ其中ＡＭＥＳｉｍ软件中提供的管路模型多达２０余种ꎬ可以根据管路的特征和流体的流动特性选用合适的管路模型[１０]ꎮ本文基于ＡＭＥＳｉｍ建立Ａ星和Ｂ星氧化剂和燃料的液路模型ꎬ通过数值模拟的方法对液路流阻进行计算ꎬ并与已有的在轨飞行及地面测试数据进行比较ꎬ以验证数值模拟的有效性ꎮ１㊀系统建模１.１㊀数学模型系统流阻由３个部分组成:管路沿程流阻㊁弯管及通类局部流阻和组件流阻ꎮ１)管路沿程流阻损失当限制流动的固体边界使流体作均匀流动时ꎬ流体内部以及流体与固体壁面之间产生的沿程不变的切应力ꎬ称为沿程阻力ꎮ由沿程阻力引起的流阻损失称为沿程流阻损失ꎬ用ΔｐＬ表示ꎬ计算公式如下:ΔｐＬ＝λＬＤρｖ２２式中:λ为管路沿程流阻损失系数ꎻＬ为管路长度ꎻＤ为管道当量直径ꎻρ为液体介质密度ꎻｖ为液体介质流速ꎮ２)局部流阻流体因固体边界急剧改变而引起速度重新分布ꎬ质点间进行剧烈动量交换而产生的阻力称为局部阻力ꎮ由局部阻力引起的流阻损失称为局部阻力损失ꎬ用Δｐｃ表示ꎬ计算公式如下:Δｐｃ＝ξρｖ２２４５１ 博看网 . All Rights Reserved.式中:ξ为管路局部流阻损失系数ꎮ局部流阻损失包括多通局部流阻损失和圆弯管局部流阻损失ꎬ液路多通局部流阻损失系数ξ见图１ꎬ圆弯管的局部流阻损失计算公式如下:Δｐᶄｃ＝０.１３１＋０.１６３２ＤＲ()３.５[]θ９０ʎæèçöø÷０.５ρｖ２２式中:θ为弯管弯曲角度ꎻＲ为弯管弯曲半径ꎻＤ为弯管直径ꎮ图１㊀多通局部流阻损失系数ξ１.２㊀ＡＭＥＳｉｍ数值模拟１)结构模型图２和图３所示为某两颗卫星推进分系统燃料和氧化剂管路的Ｃｒｅｏ模型ꎮ系统包括燃料部分和氧化剂部分ꎬ每个部分均由支路和主路组成ꎬ主路由直管㊁弯管㊁孔板㊁三通和自锁阀组成ꎮ为便于计算ꎬ在数值模拟建模时对结构模型进行适当简化ꎬ将自锁阀简化为孔板进行数值模拟ꎮ图２㊀Ａ星推进分系统结构模型图３㊀Ｂ星推进分系统结构模型２)数值模拟模型根据系统原理及所建立的数学模型ꎬ使用ＡＭＥＳｉｍ的液压库和液阻库建立了系统的ＡＭＥＳｉｍ数值模拟模型ꎬ如图４和图５所示ꎮAB C DFE图４㊀Ａ星推进分系统ＡＭＥＳｉｍ数值模拟模型BAC DFE图５㊀Ｂ星推进分系统ＡＭＥＳｉｍ数值模拟模型在数值模拟模型中ꎬ直管通过ＡＭＥＳｉｍ库中的直管进行模拟ꎬ选取类型为ＨＬ０００３ꎻ弯管通过ＡＭＥＳｉｍ库中的直管和弯管的组合来模拟ꎮ其中ꎬ直管部分模拟真实组件的沿程流阻ꎬ选取类型为ＨＬ０００３ꎻ弯管部分模拟真实组件的局部流阻ꎬ选取类型为ＨＲ２３２ꎮ直管和弯管的设置参数如表１所示ꎮ孔板通过ＡＭＥＳｉｍ库中的孔板进行模拟ꎬ选取类型为ＨＹＤＯＲＦ０ꎻ三通用ＡＭＥＳｉｍ库中的三通进行模拟ꎬ选取类型为ＨＲ３Ｐ０１ꎮ表１㊀设置参数类型参数/单位取值直管管径/ｍｍ６.４管长/ｍｍ以实际为准壁厚/ｍｍ０.８相对摩擦系数０.０００８弯管管径/ｍｍ６.４中心角/ｍｍ以实际为准曲率半径/ｍｍ２４１.３㊀数值模拟方案１)对燃料和氧化剂支路代表自锁阀的孔板流阻进行调节ꎬ主要是通过调节孔板的孔径ꎬ使得孔板的压差与自锁阀组件试验测试结果校准ꎻ２)对燃料和氧化剂支路的总流阻进行调节ꎬ主要是通过调节孔板的孔径ꎬ使得并联贮箱支路流阻与试验测试结果校准ꎻ３)进行推进系统管路流阻数值模拟研究ꎬ主要是通过设置与试验一致的进口流量ꎬ获得燃料和氧化剂主路交汇至液路压传的流阻ꎬ完成流阻数值模拟ꎮ２㊀结果分析２.１㊀试验结果通过在轨遥测和地面测试的手段ꎬ获得Ａ星和Ｂ星的实测数据ꎬ实测数据将在下文数值模拟结果分析部分用来与数值模拟结果进行对比ꎮ２.２㊀数值模拟结果分析通过对Ａ星燃料和氧化剂支路自锁阀和孔板的调整ꎬ获得了各支路自锁阀流阻和支路流阻ꎬ如表２所示ꎮ从表中可以看出ꎬ数值模拟结果与实测结果的误差在１％以内ꎮ５５１ 博看网 . All Rights Reserved.表２㊀推进分系统各支路自锁阀流阻类型位置数值模拟结果/ＭＰａ单机实测结果/ＭＰａ误差/％自锁阀燃支路Ａ０.０５７５０.０５７７０.３５燃支路Ｂ０.０５３８０.０５４１０.５６氧支路Ｃ０.０８７８０.０８７８０氧支路Ｄ０.０８４７０.０８４５－０.２４并联贮箱支路流阻燃支路Ａ０.１０２２０.１０２４０.２０燃支路Ｂ０.１０２９０.１０２１－０.７８氧支路Ｃ０.１０４００.１０３９－０.１０氧支路Ｄ０.１０３４０.１０４４０.９７㊀㊀１)主路流阻数值模拟通过对Ａ星和Ｂ星各支路进口流量的调整ꎬ并根据卫星在轨数据ꎬ可以得到如表３所示的液路流阻与实测数据对比结果ꎮ从表中可以看出ꎬＢ星数值模拟结果与地面实测数据吻合度高ꎬＡ星数值模拟结果与在轨数据基本吻合ꎬ但是燃料路流阻数值模拟数据与在轨数据偏差较大ꎬ因此在下文针对Ａ星数值模拟结果进行误差分析ꎮ表３㊀液路流阻数值模拟结果与在轨数据对比位置Ａ星管路实测结果/ＭＰａ管路计算结果/ＭＰａ偏差/％Ｂ星管路实测结果/ＭＰａ管路计算结果/ＭＰａ偏差/％氧化剂路０.１２６００.１３１０＋４.００.０７８４０.０７８０－０.５燃料路０.１２１００.１１２０－７.４０.０４８７０.０４９５＋１.６２.３㊀误差分析从数值模拟结果与在轨数据对比可以看出ꎬ氧化剂路流阻数值模拟值与在轨数据误差－７.４％ꎬ燃料路流阻数值模拟值与在轨数据误差＋４.０％ꎮ误差值的偏差较大ꎬ考虑到混合比偏差对在轨数据的影响ꎬ按照混合比偏差１.８％对数值模拟结果进行误差分析ꎮ根据额定混合比１.６５ꎬ当混合比偏差取－１.８％时ꎬ混合比为１.６２０３(即同一工况下ꎬ燃料消耗较大)ꎻ当混合比偏差取＋１.８％时ꎬ混合比为１.６７９７(即氧化剂消耗较大)ꎬ计算结果见表４－表６ꎮ从计算结果可以看出ꎬ在考虑混合比偏差的情况下ꎬ氧化剂路流阻数值模拟值与在轨数据误差为－４.０％~＋４.０％ꎬ燃料路流阻数值模拟值与在轨数据误差为－７.４％~－１.６％ꎮ由此可见ꎬ混合比偏差会对数值模拟结果与在轨数据的吻合度产生影响ꎮ表４㊀推进分系统并联贮箱支路流阻位置混合比偏差/％数值模拟结果/ＭＰａ水流阻燃料/氧化剂流阻燃料支路氧化剂支路燃料支路氧化剂支路－１.８０.１０３０.０８５０.１０１０.０８３０.１０７０.０８９０.１０４０.０８５燃料支路氧化剂支路燃料支路氧化剂支路＋１.８０.０９９０.０８２０.１０４０.０８５０.１０３０.０８５０.１０９０.０８９表５㊀推进分系统交汇至液路压传流阻位置混合比偏差/％数值模拟结果/ＭＰａ水流阻燃料/氧化剂流阻燃料主路氧化剂主路燃料主路氧化剂主路－１.８０.０３３０.０２７０.０４７０.０３８０.０３６０.０３００.０５６０.０４６燃料主路氧化剂主路燃料主路氧化剂主路＋１.８０.０３９０.０３２０.０５６０.０４６０.０３３０.０２７０.０５００.０４１表６㊀Ａ星液路流阻数值模拟结果位置混合比偏差/％燃料/氧化剂流阻/ＭＰａ数值模拟结果在轨数据误差/％燃料路氧化剂路燃料路氧化剂路－１.８０.１１２０.１２１－７.４０.１２１０.１２６－４.００.１１９０.１２１－１.６０.１３１０.１２６＋４.０燃料路氧化剂路燃料路氧化剂路＋１.８０.１１４０.１２１－５.８０.１３１０.１２６＋４.００.１１２０.１２１－７.４０.１２９０.１２６＋２.４３㊀结语本文基于ＡＭＥＳｉｍ建立了Ａ星和Ｂ星的氧化剂和燃料的液路模型ꎬ通过数值模拟的手段对液路流阻进行计算ꎬ并与已有的在轨飞行及地面测试数据进行比较ꎬ验证了数值模拟模型的有效性ꎬ为推进系统流阻数值模拟提供帮助ꎮ参考文献:[１]张忠利ꎬ张蒙正ꎬ周立新.液体火箭发动机热防护[Ｍ].北京:国防工业出版社ꎬ２０１６.[２]汪广旭ꎬ郭灿琳ꎬ石晓波ꎬ等.基于时滞模型的纵向燃烧不稳定性分析[Ｊ].推进技术ꎬ２０１６ꎬ３７(６):１１２９￣１１３５.[３]杨俊ꎬ何永英ꎬ连仁志ꎬ等.双组元落压推进系统应用现状及关键技术[Ｊ].火箭推进ꎬ２０１６ꎬ４２(４):２１￣２５ꎬ５７.[４]窦唯.液体火箭发动机用过滤器流阻特性及试验[Ｊ].导弹与航天运载技术ꎬ２０１１(１):１０￣１３.[５]赵婷ꎬ陈夏超ꎬ杨成虎ꎬ等.面向高轨卫星的液体轨控发动机研制进展[Ｊ].火箭推进ꎬ２０１８ꎬ４４(１):１￣７ꎬ２１.[６]杨成骁ꎬ王长辉.液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热研究[Ｊ].推进技术ꎬ２０２０ꎬ４１(７):１５２０￣１５２８.[７]王慧洁ꎬ许坤梅.液体火箭发动机燃烧室壁液膜冷却的数值模拟[Ｊ].航空动力学报ꎬ２０１８ꎬ３３(１１):２６６０￣２６６８.[８]王行仁.建模与仿真技术的发展和应用[Ｊ].机械制造与自动化ꎬ２０１０ꎬ３９(１):１￣６ꎬ４５.[９]罗茂春.航空发动机控制系统多学科仿真平台[Ｊ].机械制造与自动化ꎬ２０２０ꎬ４９(３):９４￣９７.[１０]施开志.气动系统主要元件的建模和系统仿真的研究[Ｄ].哈尔滨:哈尔滨工业大学ꎬ２００６.收稿日期:２０２０１２０４６５１博看网 . 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湍流的理论与实验研究
湍流的理论与实验研究湍流的理论与实验研究湍流是流体力学界公认的难题，被认为是经典物理学中最后一个未被解决的问题。
自然界和工程领域的绝大多数流动都是湍流，因此湍流研究具有重大意义。
近年来，随着实验测量技术和数值模拟能力的不断增强，学术界对高雷诺数和高马赫数湍流有了许多新的认识。
我国科学界也结合国家重大战略需求和学科发展前沿，分析国际上湍流研究的特点、现状和发展趋势，希望对湍流产生机制和流动本质进行深入研讨，加强与航空、航天、航海等相关单位和部门间的沟通与联系，推动湍流研究的发展。
针对国内学科发展现状，尤其是实验研究相对薄弱的特点，国家自然科学基金委员会数理科学部、工程与材料科学部和政策局，于2014年3月20-21日在北京联合举办了第110期双清论坛，论坛主题为“湍流的理论与实验研究”。
来自全国15个单位的近50位流体力学与工程领域的专家学者应邀出席。
与会专家通过充分而深入的研讨，凝练了该领域的重大关键科学问题，探讨了前沿研究方向和科学基金资助战略。
本期特刊登此次论坛学术综述。
一、湍流研究的重要意义自1883年雷诺（Reynolds）发现湍流以来，湍流问题的研究一直困扰着众多学者。
著名物理学家费曼曾说，湍流是经典物理学中最后一个未被解决的难题；2005年《科学》杂志在其创刊125周年公布的125个最具挑战性的科学问题中，其中至少两个问题与湍流相关。
在我们日常生活中，湍流无处不在。
自然界和工程应用中遇到的流动，绝大部分是复杂的湍流问题。
在自然界，从宇宙星系的时空演化，到星球内部的翻滚流动，从大气环流的全球运动，到江河湖泊的区域流动，都有湍流的身影。
在工程领域，从陆地、海洋、空天等交通运载工具，到原子弹、氢弹、导弹、战斗机、舰船等国防武器的设计；从全球气象气候的预报，到地区水利工程的设计；从传统行业如叶轮机械、房桥建筑、油气管道，到新兴行业如能源化工、医疗器械、纳米器件的设计，都需要了解和利用湍流。
因此，湍流流动的研究不仅仅是一个学科发展的问题，更具有重要的工程应用价值。
发动机冷却系统内纳米流体强化换热模拟
发动机冷却系统内纳米流体强化换热模拟彭稳根;刘元春;胡彦伟;何玉荣【摘要】为了提高发动机的经济性、可靠性,研究了以纳米流体作为冷却系统内的新型高效换热工质时的传热效果.分别对水、TiO2纳米流体、Al22O3纳米流体和CuO纳米流体的冷却效果进行了模拟研究,得到了冷却系统的换热系数及压力分布图.研究结果表明:TiO2、Al2O3和CuO这3种纳米流体能显著提高发动机的散热性能,与水相比,三者的平均表面换热系数分别提升了10.82%、8.43%和11.24%,而泵功则分别只增加了1.06%、1.30%和1.98%.以纳米流体作为冷却介质时,能以很小的泵功损失增加量带来换热系数的大幅度提高,有利于增强冷却系统的换热.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2011(043)001【总页数】5页(P109-113)【关键词】纳米流体;发动机冷却系统;强化传热;数值模拟【作者】彭稳根;刘元春;胡彦伟;何玉荣【作者单位】哈尔滨工业大学,能源科学与工程学院,150001,哈尔滨;哈尔滨工业大学,能源科学与工程学院,150001,哈尔滨;哈尔滨工业大学,能源科学与工程学院,150001,哈尔滨;哈尔滨工业大学,能源科学与工程学院,150001,哈尔滨【正文语种】中文【中图分类】TP242随着科学技术的发展，发动机的传热负荷和传热强度日益增大，其使用环境也日益苛刻.传统的关于强化换热的研究集中在对发动机冷却系统结构的改进上，但对于大功率输出发动机，其冷却效果仍不尽如人意;因此，应用传热效果更好的纳米流体作为发动机的冷却介质以提高其冷却散热性能成为一种可替代的选择［1-4］. 1995年，美国 Argonne国家实验室的 Choi等［5］提出了纳米流体(nanofluids)这个概念，即在液体中添加固体纳米颗粒以提高流体的导热系数.而纳米流体的强化传热机理主要包括2方面原因:1)固体颗粒本身的导热系数要比液体的大很多，并且将纳米颗粒加入液体中后，在固液界面上会形成一层厚度为几个原子距离的液膜，而液膜层内的液体分子受纳米颗粒表面原子排列的影响，趋向固相，其热导系数也远大于液体的，从而大大增强了流体导热系数.2)纳米颗粒的微尺度效应.由于纳米颗粒尺度极小，作用在颗粒上的微作用力如范德瓦耳斯力、静电力和布朗力等都不可忽略.由于布朗运动十分强烈，从而引起布朗扩散、热扩散等现象，使得颗粒与液体间有微对流现象存在，这种微对流促进了能量的传递.同时，纳米颗粒的团聚现象的形成及作用都会增大纳米流体的导热系数，从而增强了纳米流体的对流换热过程.因此，纳米流体作为一种新型高效传热工质，若应用于发动机冷却系统之中，可以大大提升系统的换热性能，使发动机在更优化的温度下工作，同时，能使冷却系统做得更小、更轻，节约冷却系统制造耗材和成本，从而节约能源，降低成本.本文分析并对比了以水和3种典型的纳米流体作为冷却介质对发动机的冷却换热特性的影响.由于传统上发动机通常都以水作为冷却介质，故本文应用的3种纳米流体——TiO2纳米流体、Al2O3纳米流体和CuO纳米流体均采用水作为基液，其中纳米颗粒的体积分数皆为4%.1 计算方法1.1 冷却系统的物理及计算模型本文应用UG(Unigraphics NX)平台首先建立包含气缸体和气缸盖的三维机体模型，在抽取其内表面后进行曲面缝合，从而得到了与机体完全耦合的冷却系统内腔的三维模型，如图1所示.冷却系统气缸体内腔是由2个内外径分别为94 mm和140 mm的主缸体组成，其高为180 mm;而上部的气缸盖内腔的尺寸为250mm×169 mm× 61 mm，中间连接上下腔体的是8个高为21 mm、直径为8～10 mm的柱形通道.整个冷却系统的入口截面是36 mm×55 mm的矩形截面，出口处的柱形通道直径为35 mm，长为30 mm.图1 冷却系统内腔的三维模型通过对模型的考察，考虑到气缸体内的冷却腔具有一定的规则性，而气缸盖内的冷却腔则十分复杂，因此本文以Gambit®2.3为基础，对气缸体内的冷却腔应用六面体结构化网格技术划分网格，这种网格划分方案不但可以尽量减少网格数量，而且具有计算精度高、适应算法多等优点;而对气缸盖内的冷却腔，由于其几何曲面多且形态结构十分复杂，故只能应用四面体非结构化网格技术划分网格.最终，整个发动机机冷却腔的总网格数量为1.22×106，网格结构如图2所示.图2 发动机冷却系统网格划分1.2 控制方程由于纳米流体与单相流体十分相似，并具有特殊的物理性质，故将其作为单相流体来考查纳米流体的流动及传热特性是可以接受的.本文认为冷却系统内的流体为均匀、不可压缩的黏性流体，其黏度及导热系数随温度而变化.控制方程包括连续性方程(质量守恒)、动量方程(动量守恒)和能量方程(能量守恒).连续性方程为动量方程为能量方程为在方程(1)～(3)中，ρl为纳米流体密度，vl为速度，p为压力，μ为黏度，g为重力加速度，c为比热容，k为导热系数，T为流体的温度.1.3 纳米流体物性纳米流体的密度和比热容可按式(4)和(5)进行计算:其中，ρ为密度，cp为比热容，φ为纳米颗粒的体积份额，下标nf、f和p分别表示纳米流体、基液及纳米颗粒.在本文中，黏度随温度变化的计算公式采用如下指数形式:式中μr为纳米流体的相对粘度，T为温度.在实际应用中，纳米颗粒的体积份额不能太大，比如达到9%时，就会出现温度达到一定值时纳米流体黏度过大的现象［8］.根据式(6)，4种冷却介质的粘度随温度的变化曲线如图3所示，对于颗粒粒径≫10 nm的纳米流体，颗粒粒径对黏度值的影响很小，可以忽略［9］.图3 黏度随温度的变化曲线公式(7)可计算纳米流体的导热系数［10］:式中:knf为纳米流体的有效导热系数;kf为基液导热系数;kp为纳米颗粒导热系数;ω为经验数据，表示吸附层导热系数与基液导热系数的比值; φp为纳米颗粒的体积份额;Λ、γ、kcp为复合值，可由其他参数算出;GT为纳米颗粒的总势能;ds为颗粒间平均间距;ρcp为复合纳米颗粒的质量密度;cc-cp为复合纳米颗粒的比热容;KB为波尔兹曼常数;T为纳米流体温度;rp为复合纳米颗粒半径;η为基液的黏度. 本文中采用的4种冷却介质的导热系数随温度的变化曲线如图4所示.图4 导热系数随温度的变化曲线1.4 初始及边界条件本文应用Fluent®6.3作为计算软件，并选用三维黏性标准k-ε湍流模型进行稳态计算.考虑到计算几何结构复杂性以及网格数量问题，为了节省计算机内存和计算时间，在近壁面处采用壁面函数法处理.为了获得更好的收敛性，本文应用SIMPLE算法处理速度和压力耦合关系，并采用一阶逆风格式对方程进行离散化.模拟计算中所需的参数如表1所示.表1 模拟计算所需参数?2 结果分析与讨论为了验证数值模型的可靠性，本文首先给出了基液的传热性能的模拟结果，如图5［11］所示.图中分别比较了Re数为1 050和1 600的2种工况下流体传热Nu 数沿轴向分布的模拟、试验和经验公式计算结果.其中，Nu数定义为Nu=hD/kl，D为传热管内径，h为对流换热系数，h=|kl(∂T/∂r)w/ (Tw-Tave)|.Tw、Tave分别为传热管壁温和纳米流体横截面平均温度(Tw由壁面处温度可得，Tave由面积加权积分得到).由图5可知，基液传热性能的模拟结果和试验结果、经验公式在定性上都是相互吻合的，在定量上模拟结果和试验数据误差也比较小(＜10%).因此，采用本文数值模型的模拟结果是可靠的.图6为4种冷却介质的换热系数的比较.模拟结果显示，在热边界条件设为恒定壁面温度的情况下，冷却介质为水时的冷却效果最差，平均表面换热系数为624.43 W/(m2·K)，而冷却介质为TiO2纳米流体、Al2O3纳米流体和CuO纳米流体时的平均表面换热系数分别达到 692.0、677.05和694.64 W/(m2·K).可以看出，TiO2纳米流体和CuO纳米流体的冷却效果相差不大，稍高于Al2O3纳米流体，但相对于水则有显著的提高，TiO2纳米流体、CuO纳米流体和Al2O3纳米流体的平均表面换热系数分别增加了10.82%、11.24%和8.43%.图5 基液的传热Nu数另一方面，水、TiO2纳米流体、Al2O3纳米流体和CuO纳米流体的体积流量都为0.001 188 m3/s，因此，单位平均表面换热系数所需的流体流量分别为1.903E-06、1.717E-06、1.755E-06和1.710E-06 m3/s.这就意味着，在对流换热量相同的情况下，以纳米流体作为冷却介质能有效减少所需冷却介质的流量，从而降低泵功率.从图3、4可以看出，虽然CuO纳米流体的导热系数与TiO2纳米流体相比高得多，但由于其黏度相对后者也大大增加，所以最终CuO纳米流体的平均表面传热系数只比TiO2纳米流体略有提高.因此，在选择冷却介质时，不仅要考虑导热系数对传热的影响，同时，黏度的影响也是不可忽略的.同时，在冷却系统中存在3个局部区域:入口段、连接上下缸体的8个圆柱体通道段和出口段.由于流体流动速度很快，热量交换十分强烈，因此传热效果明显优于其他区域.以TiO2纳米流体为例，圆柱体通道处的表面换热系数最大，最高可达到3 618.2 W/(m2·K).而通过对气缸体内腔的内、外表面和气缸盖内腔的外表面的换热系数分布特性的研究表明，这些局部区域处的换热系数数值较低，传热效果很差，说明在这些狭长、尖锐的流动死角等流体无法有效掠过的区域，由于无法及时带走热量，往往散热不足，在实际中容易产生局部高温.在4种冷却介质的冷却下，冷却系统内的压力分布如图7中所示.经计算后得到，水、TiO2纳米流体、Al2O3纳米流体和CuO纳米流体在入口截面上的绝对压力分别为111 183.8、112 367.3、112 629.9和113 385.2 Pa，即3种纳米流体的泵功相对水分别增大了1.06%、1.30%和1.98%，可见泵功增加很少.表2中列出了纳米流体相对水的换热系数及泵功增加量，从表中可以看出，在相同的体积份额(4%)下，TiO2纳米流体、Al2O3纳米流体和CuO纳米流体都以很小的泵功损失增加量带来换热系数的大幅度提高，这对增强冷却系统的换热是十分有利的.图6 换热系数分布图7 压力分布表2 纳米流体相对水的换热系数及泵功增加量?另外，从图7中可以看出，气缸体内腔区域内的压力值很高，但各处差别不大，分布较为均匀.而在连接上下缸体的8个圆柱形通道处，压力剧降，3种纳米流体工况下的压降都超过6 kPa.同时，出口区域也是压力集中下降区，压降达到2～3 kPa.这表明，在实际发动机中，连接上下缸体的圆柱体形通道和出口区域是阻力的主要来源，对流体的流动产生重大影响.3 结论1)以TiO2纳米流体、Al2O3纳米流体和CuO纳米流体作为冷却介质可以显著提高发动机的散热性能，其平均表面换热系数较水分别有10.82%、8.43%和11.24%的提升.2)以 TiO2纳米流体、Al2O3纳米流体和CuO纳米流体作为冷却介质虽然会引起发动机冷却系统入口和出口间总压降的增大，从而引起冷却系统泵功的增加，但由于增加不多(分别只增加1.06%、1.30%和1.98%)，所以以增加较小的泵功为代价带来散热性能的大幅提高是可以接受的.3)发动机冷却系统内的换热分布并不均匀，最强区和最弱区相差较大.而换热较弱的往往是那些结构狭长、尖锐的区域，这是由于流体无法有效掠过这些表面，从而造成局部换热系数很低;因此，在实际的发动机设计中，应合理布置冷却系统的结构，避免这些死角区域的出现，从而提高换热均匀性，避免局部高温区域的出现. 4)本文模拟的是在常壁面温度条件下，应用纳米流体作为冷却工质时的发动机冷却系统的换热的效果，与实际工作中的发动机工况有一定的出入，所得结果有待今后进一步由实验验证.参考文献:［1］NGUYEN C T，ROY G，GAUTHIER C，et al.Heat transfer enhancement using Al2O3-water nanofluid for an electronic liquid cooling system［J］.Applied Thermal Engineering，2007，27(8/9):1501-1506. ［2］KULKARNI D P，VAJJHA R S，DAS D K，et al.Application of aluminum oxide nanofluids in diesel electric generator as jacket water coolant［J］.Applied Thermal Engineering，2008，28(14/15):1774-1781. ［3］PALM S J，ROY G，NGUYEN C T.Heat transfer enhancement with the use of nanofluids in radial flow cooling systems considering temperature-dependent properties［J］.Applied Thermal Engineering，2006，26(17/18): 2209-2218.［4］李强，宣益民.航天用纳米流体流动与传热特性的实验研究［J］.宇航学报，2005，26(4):391-394.［5］CHOI U S.Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles ［J］.ASME，FED，1995，231/MD-66: 99-105.［6］KIM J，KANG Y T，CHOI C K.Analysis of convective instability and heat transfer characteristics of nanofluids［J］.Physics of Fluids，2004，16(7):2395-2401.［7］XUAN Yimin，ROETZEL W.Conceptions for heat transfer correlationof nanofluids［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2000，43(19):3701-3707.［8］NGUYEN C T，DESGRANGES F，GALANIS N，et al. Viscosity data forAl2O3-water nanofluid-hysteresis:is heat transfer enhancement using nanofluids reliable?［J］.International Journal of Thermal Sciences，2008，47(2):103-111.［9］王春永.基于微混合对流热传导效应的纳米流体有效热导率分析［D］.武汉:华中科技大学，2007.［10］MURSHED S M S，LEONG K C，YANG C.A combined model for the effective thermal conductivity of nanofluids［J］.Applied Thermal Engineering，2009，29 (11/12):2477-2483.［11］何玉荣，韩杰才.Al2O3/H2O纳米流体管内流动和对流换热行为的数值模拟研究［C］//第十五届全国复合材料学术会议论文集.哈尔滨:中国力学学会，2008:1049-1052.。
《哈工大(威海)教授(博士)研究方向和研究成果汇总表》
哈工大（威海）教授（博士)研究方向和研究成果汇总表中共荣成市委组织部2015年9月哈工大（威海）教授（博士)研究方向和研究成果汇总表姓名年龄所属部门研究方向研究成果应用领域温广武52 学校办公室特种陶瓷与碳材料天然石墨深加工技术；陶瓷先驱体、陶瓷纤维及陶瓷基复合材料制备技术新材料张文丛44 科技发展处粉末冶金成形钛铝基复合材料粉末冶金制备新材料徐鸿博34 材料与工程学院电子封装、组装与可靠性电子产品环境可靠性，MEMS微电子器件金属密闭封装技术电子工程李卓霖31 材料与工程学院电子封装无铅焊点低温超声互连的机理与可靠性电子工程姚旺37 材料与工程学院电子封装材料水下LED的封装材料电子工程王春雨40 材料与工程学院膨胀石墨及石墨烯微片制备及应用技术开发石墨烯微片规模化制备技术、石墨散热膜制备技术、电子封装技术新材料李宇杰40 材料与工程学院电子装备海洋电子装备封装技术；LED 电子工程王华涛37 材料与工程学院纳米材料与器件低维纳米材料的可控合成和表征；微纳电子器件和传感器新材料覃春林36 材料与工程学院陶瓷材料先驱体法合成高温SiAlONC陶瓷；Sialon 、Si3N4纳米带纳米线的基础研究与应用研究新材料张鹏37 材料与工程学院微纳尺度塑性成形微纳尺度塑性成形机理与工艺材料工程于洋43 材料与工程学院高强韧镁、铝合金塑性加工技术及装备，难变形材料及难熔金属塑性成形技术及装备生物医用镁合金制备技术及装备,高温钛基复合材料塑性成形技术及装备材料工程刘洪伟38 材料与工程学院热冲压成形高强钢热冲压成形工艺材料工程王刚48 材料与工程学院超塑性成形气胀超塑性成形工艺材料工程初冠南36 材料与工程学院内高压成形薄壁件内高压成形工艺材料工程姚圣杰33 材料与工程学院轧制成形高强钢轧制工艺材料工程陈刚29 材料与工程学院半固体成形半固体触边成形工艺材料工程陈文振30 材料与工程学院轧制成形镁合金轧制工艺材料工程林艳丽33 材料与工程学院内高压成形管材内高压成形理论材料工程王传杰27 材料与工程学院微纳尺度塑性成形微纳尺度塑性成形机理与工艺材料工程孙金平36 材料与工程学院材料设计与计算生物医用材料第一性原理计算材料工程夏龙37 材料与工程学院陶瓷基复合材料低膨胀陶瓷基复合材料制备技术、新型陶瓷先驱体制备与应用技术新材料崔国荣35 材料与工程学院粉末冶金钛基复合材料壳状晶须增强复合粉体新材料钟博34 材料与工程学院复相陶瓷、吸波材料、纳米材料自润滑材料制备技术、吸波材料制备技术新材料张涛33 材料与工程学院高温过滤材料、多孔材料高温过滤材料、多孔材料材料工程檀财旺29 材料与工程学院激光焊接激光焊接工艺先进制造郭宁33 材料与工程学院水下焊接水下焊接材料与工艺先进制造宋晓国32 材料与工程学院钎焊、扩散焊钎焊、扩散焊工艺与装备先进制造王廷31 材料与工程学院电子束焊接电子束焊接工艺与装备先进制造刘多33 材料与工程学院钎焊、扩散焊钎焊、扩散焊工艺与装备先进制造张洪涛35 材料与工程学院高效化焊接技术高效化焊接技术工艺与装备先进制造周利33 材料与工程学院搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊接工艺及装备先进制造陈波32 材料与工程学院激光3D打印、激光焊接，焊接自动化与机器人化激光3D打印、激光焊接过程工艺与自动控制技术，焊接质量自动控制技术先进制造赵洪运49 材料与工程学院焊接焊接技术先进制造孙清洁35 材料与工程学院高效化焊接技术高效化焊接技术工艺与装备先进制造唐琳29 土木工程系土工合成材料土工织物的反滤性能应用材料工程钱宏亮38 土木工程系大跨空间结构、海洋结构、铝合金结构、巨型望远镜结500m口径巨型射电望远镜（FAST）,轻型钢结构装配模块化结构力学综合分析结构工程唐海红35 土木工程系桥梁与隧道工程钢管混凝土拱桥上部结构综合评估方法结构工程赵庆丽35 土木工程系结构工程既有隧道安全性评估方法结构工程曾森32 土木工程系计算结构力学底部框架砌块砌体结构研究结构工程陈国芳35 土木工程系桥梁工程大跨度斜拉－悬吊协作桥施工期风振研究结构工程王幼清60 土木工程系土体-结构体系相互作用类黄土湿陷特性及其工程对策研究,深基坑支护结构体系与土体相互作用研究结构工程张英姿36 土木工程系钢筋混凝土结构耐久性及抗震性能研究酸雨环境下钢筋与混凝土间动态粘结性能研究结构工程王化杰33 土木工程系大跨空间结构、复杂结构施工技术、结构健康监测技术、装配结构在役大跨空间钢结构安全性能评估研究结构工程陈再现34 土木工程系结构抗震性能及加固方法结构抗震方法及加固手段；结构试验装置结构工程徐龙军39 土木工程系抗震设计谱研究新一代抗震设计谱理论体系及其关键问题研究结构工程马新伟46 土木工程系海洋工程混凝土、高效节能墙体材料高性能混凝土早期粘弹力学性能研究与早期开列行为预测结构工程边文凤52 土木工程系复合材料、船舶设计多功能组合式海带养殖采收装备、海带分段切割机、渔船及海洋结构物复合材料化研究新材料刁鹏飞37 土木工程系蛋白质在外力条件下收缩外力作用下的蛋白质收缩力学工程刘荣刚42 土木工程系波动理论、光子晶体波导三维光成像系统结构工程刘璐32 土木工程系结构抗震设计自复位防屈曲支撑的性能及其结构抗震设计方法结构工程张鸿名31 土木工程系复合材料结构研究船用复合材料螺旋桨、复合材料压力容器设计与制备结构工程谭建宇39 汽车工程学院热能与动力工程工程热物理新能源郝晓文38 汽车工程学院热能与动力工程脱硫除尘技术动力工程杨建国51 汽车工程学院热能与动力工程脱硫除尘技术动力工程张继春37 汽车工程学院3D打印技术3D打印机先进制造崔文政30 汽车工程学院热能与动力工程纳米流体、传热计算与仿真动力工程王富强32 汽车工程学院计算热辐射学、传热计算及热控PCB及锂电池热控、太阳能利用技术，煤气化技术动力工程沈义涛33 汽车工程学院发动机技术、润滑油技术均质压燃发动机关键技术研究、内燃机分布式冷热电联供技术及工程示范、生物质气发动机研究动力工程王成安32 汽车工程学院计算热辐射学，传热计算及热控PCB及锂电池热控、太阳能利用技术，煤气化技术动力工程沈照杰30 汽车工程学院热能与动力工程纳米流体、传热计算与仿真动力工程崔胜民52 汽车工程学院新能源汽车锌空电池新能源张京明52 汽车工程学院新能源汽车再生制动系统新能源刘涛49 汽车工程学院车辆工程特种车辆技术交通运输刘清河38 汽车工程学院新能源汽车技术、制动能量回收技术新能源汽车整车集成及底盘控制技术、制动能量回收技术、锂离子电池管理技术新能源王大方37 汽车工程学院新能源汽车电机驱动技术新能源马琮淦28 汽车工程学院车辆工程汽车电机振动与噪声，NVH技术电子信息龚晓春39 汽车工程学院电子技术，嵌入式系统海洋船载数字通信装备、北斗定位导航系统。
Lapple型通用旋风分离器流动特性的数值模拟研究
第三届工程计算流体力学会议文集Lapp I e型通用旋风分离器流动特性的数值模拟研究王帅，高继慧(哈尔滨工业大学，哈尔滨150001)摘要：采用雷诺应力模型和欧拉模型相结合的手段，对一个Lapple型旋风分离器的流场特性进行了数值模拟研究。
研究表明，旋风分离器内部气相速度分布呈双层结构；气相的轴向速度在内外层分布不同，外侧涡旋整体运动方向向下，内侧涡旋整体运动方向向上，但是在分离器圆锥段顶部区域有可能存在下降流。
外侧涡旋整体向下运动的同时，气体在壁面处的切向速度不断提高，这是锥体段对旋风分离器流场的主要影响。
径向速度在分离器内部的分布具有不对称性。
欧拉模型可以考虑可颗粒与颗粒之间的相互作用，在考虑颗粒对气体的影响时较离散相模型更准确，其缺点是较难收敛。
欧拉模型的模拟结果表明，颗粒相在旋转向下的运动过程中逐渐向壁面附近移动，验证了颗粒相在分离器内的运动规律。
关键词：旋风分离器；数值模拟；雷诺应力模型；欧拉模型N u m erical Study of Flow Characteristic i n a Lapple Cyclone SeparatorShuai Wang，Jihui GaoA bs trac t：A n inv estigation has been carried out to study the flow characteristic i n a Lapple cyclone separator base don the RS M and E Illeri an M ulti phas e Model．It s howed tllat the distribution of the air tan ge nti al v elocity is c ompos ed of inn e r and e xt∞lal v ortex；the air ax ial vel o cit y is diff erent between the inner and ou t er layer：the inner vorte x m ov es d o w n wards。
液固流化床中颗粒流动特性的数值模拟_刘国栋
1
1. 1
液固两相流动的数学模型
连续性方程 （ ε ρ ） + ·（ ε i ρ i v i ） = 0 ． t i i
第7 期
刘国栋，等： 液固流化床中颗粒流动特性的数值模拟
· 1109·
v 其中： i 表示液相或颗粒相， ε 为 i 相体积浓度， t 为时间． 为速度矢量， ρ 为 i 相密度， 1. 2 液相动量守恒方程 （ ε ρ v ） + ·（ ε l ρ l v l v l ） = ε l ·τl + ε l ρ l g － t l l l ε l p － β （ v l － v s ） ． p 为液体压力， 其中： g 为重力加速度， β 为液 － 固 相间的曳力系数， τl 为液体应力张量． 液体的应力张量 τl 为
( ) μ = ( ·ε ) + c G σ
t 1 ε
k
ε － k
ρ l c2
ε ． k
2
2 μs ［ v s + （ v s ） ］ － （ ·v s ） I ． 3
T
{
}
其中： μ t 为湍流粘性系数； G k 为由平均速度梯度 所引起的湍动能的增量 μt = cμ ρl Gk = μt k2 ， ε u l +2 x
Simulation of hydrodynamics of particles in a liquidsolid fluidized bed
LIU Guodong，SHEN Zhiheng，WANG Shuai，WANG Jiaxing，LU Huilin
（ School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001 ， China，gdliu@ hit． edu． cn）
边坡稳定分析的颗粒流方法研究
边坡稳定分析的颗粒流方法研究张小雪;王滨生;迟玉鹏;吕志强【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2015(000)005【摘要】传统的边坡稳定性分析采用刚塑性模型，事先假定滑动面，按极限平衡状态进行计算。
滑移面的准确确定及参数选取对计算结果影响很大，此外土是一种散体材料，按采用连续性假设的弹性力学理论分析，在理论上矛盾。
针对这一问题，采用颗粒流理论，给出了颗粒流模拟方法，首先对粘土试样的双轴试验进行了数值模拟，并结合摩尔－库仑破坏准则，得到细观参数对宏观特性的影响规律，然后模拟演示了粘性土坡在自重作用下变形破坏的全过程。
模拟过程符合滑坡发生、发展、滑动的过程。
说明了颗粒流方法模拟边坡变形破坏力学行为的可行性和优越性。
【总页数】5页(P666-670)【作者】张小雪;王滨生;迟玉鹏;吕志强【作者单位】哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150001;黑龙江省六建建筑工程有限责任公司，黑龙江哈尔滨150076;哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TU432【相关文献】1.基于颗粒流的局部强度折减法在边坡稳定分析中的应用 [J], 代远;倪小东;周仁2.含砾滑带土三维颗粒流模型建模方法研究 [J], ZHENG Boning;DING Dayong;ZHANG Dan;GAO Lei;YANG Jie3.基于颗粒识别分析系统的碎屑流堆积物颗粒识别和统计方法研究 [J], 陈达;许强;郑光;彭双麒;王卓;何攀4.砂岩颗粒流平行黏结模型细观参数标定方法研究 [J], 黄宜胜;夏晓丹5.基于数字图像处理的颗粒流厚度动态提取方法研究 [J], 吴越;李坤;程谦恭;王玉峰;龙艳梅;姜润昱;宋章;刘毅因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
哈工程两相流第4节1
1
0.6 1.5β 2 Fr' 1/ 4
1
p pcr
式中: Fr g全Gd2液2 相弗劳德数;
Pcr- 临界压力，对于水 Pcr=22.12MPa.
上式，当 S 3, •P 时12M，P与a 试验值的误差
0.05
适用于：竖直管，当用于水平管时，要求G>1500kg/m2
二.米洛波尔斯基公式
W
Jg
Co J
Wgm
斜率：Co tg
截距：Wgm
(2).轴对称圆管内分布参数 Co 的确定
1).假定 和 的分j 布
j jc
1
y
m
r
w c w
1
y
n
r
2).推导得出分布参数 Co 表达式
用 表w 示
Co
1
m
2 n
2
1
w
用 表C 示
Co
m
2 n
2
1
c
n m
2
3).讨论 ① 若 沿截面分布均匀，如雾状流，则
3. 对两相流动作若干简化假设，进而建立计算 的流动模型。
经验公式计算法
阿曼德公式：五十年代（1955）
0.833•••• 0.9
范格拉里关系式
1 x
1
0.67
1
1
0.1
胡马克关系式（Hughwork）：
k
4.2 滑速比模型计算法
一.奥斯马奇金公式
S
q T ••
hf
hf— 单相强迫对流换热系数。
— 系数， 26exp p
6.2
p — 系统压力，MPa
欠热沸腾起始q hf
Fe-Mo-Nb合金中溶质拖曳晶粒长大动力学的相场模拟
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第<@期 ! ! 程 ! 刚 等 %G"4W+4U# 合 金 中 溶 质 拖 曳 晶 粒 长 大 动 力 学 的 相 场 模 拟
摘要轻水堆事故容错燃料DAG包壳铁铬铝铁素体合金中添加微量 W+U#元素能起到固溶强化和析 出的作用其中析出的 R/7")相分布在晶界亚晶界被认为能固定晶界阻 碍 晶 粒 长 大发 挥 提 高 合 金 热 稳定性能的作用另一种观点认为R/7")相的钉扎 效 应 小 于 溶 质 拖 曳 效 应 B:H在 提 高 合 金 热 稳 定 性方面不占主导为研究B:H 对晶界迁移的影响本文使用相场方法定量模拟晶粒生长过程中 W+U# 溶质元素对晶界迁移的阻碍在已有相场模型基础上引入多晶相场模型和溶质拖曳附 加 项并 推 导 出 其 具体表达式用于建模模拟结果显示与 经 典 稳 态 假 设 B:H 模 型 相 比相 场 方 法 观 察 到 非 稳 态 的 溶 质 分离过程此外还获得溶质在不同迁移速率晶界处的分布以及对应速率的B:H 耗散能确定了 U#W+ 元素的 B:H 作用范围研究结果表明该模型适 用 于 模 拟 多 晶 生 长 过 程 中 的 B:H能 为 深 入 理 解 材 料 中 W+U#溶质拖曳过程以及材料设计和性能预测提供有价值的信息 关 键 词 晶 界 迁 移 溶 质 拖 曳 相 场 模 型 铁 基 合 金 模 拟 中图分类号ARNM!!! 文献标志码D!!!文章编号<@@@4TLN<?@?N<@4<LJ@4@L '%=<@9PQNJ2K;9?@??92+&5(/%9@PLM
气液两相流中颗粒运动学建模的研究
气液两相流中颗粒运动学建模的研究作者：杜超来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2011年第05期摘要：汽车尾气处理技术具有难度大、科技含量高、意义重大等特点，本文通过对尾气颗粒进行综合受力分析，建立运动学方程，确定了颗粒运动过程中平衡状态的临界速度表达式。
同时，对气液两相流体中液滴的受力变形特点进行深入的研究明确了影响液滴大小的因素并建立了相对应的关联式，对关联式进行定量的分析从而深入认识运动规律，通过数学模型的建立为研究气液分离本质、开发研制新型高效尾气装置提供科学依据。
关键词：气液两相流液滴动力学建模0 引言随着我国经济水平的提高和城市发展规模的不断扩大，交通运输业得到了迅速的发展，汽车排放出来的尾气给我们的环境带来严峻的考验，由于人们对尾气危害认识不足以及处理不当，尾气排放标准无法达到更高要求，而现有的尾气净化方法大多存在除效率低、运行费用高以及操作维护复杂等问题。
因此，新技术、新工艺的采用已是迫在眉睫，为此本文重点从理论的角度对尾气中的颗粒和液滴进行动力学分析，深入认识其运动本质，找到影响液滴运动的主要因素并揭示其运动规律，通过颗粒动力学模型的建立为新型尾气设备的设计与开发提供理论指导。
1 两相流中液滴的动力分析当单独的颗粒在连续相中运动时，该颗粒将受到流体的两种作用力，一是形体阻力，表示颗粒运动过程中流体压力在球体表面上分布不均匀引起的流动阻力；另一种阻力为摩擦阻力表示由于球体表面上流体的剪应力引起的流动。
颗粒在流体中运动的总阻力时形体阻力与摩擦阻力之和，简称为曳力[1]。
液滴的受力主要包括影响颗粒运动的作用力和剪切力。
1.1 影响颗粒运动作用力分析影响颗粒运动的作用力。
包括自身重力、流体的浮力、流动阻力以及由这些力的合力所充当的离心力等。
在离心力场中一般颗粒自身的重力可以忽略不计，由于当两相的密度不相等时，离心力的作用总是使连续相流体与分散相颗粒有一定的径向速度差u0，此时颗粒沿半径方向的受力方程为：当颗粒的径向受力达到平衡时，上式变为：上式中u0为正时，表示颗粒与连续相流体在径向沿着相反方向运动；当u0为负时，表示颗粒与连续相流体在径向沿着相同方向運动。
颗粒-流体两相流中颗粒团聚物存在的临界条件
颗粒-流体两相流中颗粒团聚物存在的临界条件
吴文渊;李静海;杨励丹;郭慕孙
【期刊名称】《工程热物理学报》
【年(卷),期】1992(13)3
【摘要】本文应用颗粒与颗粒相互碰撞的平均自由程和流体对颗粒动量传递的释放时间等概念,分析团聚物形成的机理,并导出团聚物存在的最大空隙率ε_(max)的表达式。
【总页数】5页(P324-328)
【关键词】颗粒-流体;两相流;颗粒;团聚物
【作者】吴文渊;李静海;杨励丹;郭慕孙
【作者单位】中国科学院化工冶金研究所;哈尔滨工业大学
【正文语种】中文
【中图分类】O359.1
【相关文献】
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2.撞击流环隙喷嘴在超临界流体技术制备药物超微颗粒中的应用研究 [J], 郝明洁;胡德栋;陈晓娜
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哈尔滨工业大学计算颗粒流体力学及两相流技术研讨会成功举办
北京海基科技于2012年9月14日在哈尔滨工业大学能源科学工程学院举办了“计算颗粒流体力学及两相流技术研讨会”。
本次研讨会上，海基科技的技术工程师与参会的哈尔滨工业大学的师生共同探讨专业的计算颗粒流体力学软件Barracuda和离散元模拟软件EDEM的创新性技术特色和工程应用实例。
本次会议吸引了哈尔滨工业大学能源科学学院、机电工程学院、土木工程学院、市政环境学院、东北农业大学、东北大学以及黑龙江工程学院的师生参与，会上讨论热烈。
以下是本次会议的图片信息
EDEM简介
EDEM是世界上第一款基于离散元技术的通用CAE软件，通过模拟散状物料加工处理过程中颗粒体系的行为特征，协助设计人员对各类散料处理设备进行设计、测试和优化，其基于1971年Cundall提出的专门处理非连续介质问题的离散元方法（Discrete Element Method，简称DEM）。
利用其独特的功能，用户可以以一种更加恰当的方式对颗粒生产、加工过程进行研究，从而获得对散料处理过程崭新的认识。
EDEM被广泛应用于工程机械、矿山机械、农业机械、制药、石油化工、冶金工业、能源工业等所有涉及颗粒的设备和工艺的优化设计。
目前，国内已有近80家用户在使用EDEM辅助科研和产品设计工作。
Barracuda简介
Barracuda是由美国CPFD Software, LLC采用自己开发的CPFD专利技术，专业模拟工业级尺度的流体-颗粒系统动力学及化学反应的商用软件包。
Barracuda软件与化工、石化、能源、冶金等工业领域对流态化研究需求完全匹配，确立了它在这些领域流化装置模拟中的领导地位。
众多政府研究机构和世界财富500强企业选用它来做流化设备设计和工艺过程优化。
典型用户包括：阿尔斯通、埃克森美孚、陶氏化学、道康宁公司、美国能源部国家能源技术实验室、利安德巴塞尔工业公司、石川岛播磨重工业株式会社、新奥集团、中科院过程所、上海GE煤炭多联产技术研究室、清华大学化工系、中国科学院工程热物理所、中冶赛迪、神华集团NICE等。