水环境两相分层流数值模拟

以研究水环境两相分层流精细预报模型为目标,广泛地涉及了两相湍流精细模拟的理论和方法。用Eulerian坐标系中多流体模型统一描述两相各自的运动,并分别对两相本分的湍流输运观作以及地相间互作规律进计模拟,建立了水环境两相分层流的双流体模型对包含有浮力和密度分层的两相湍流进行了数值模拟,计算结正确地反映了分层及紊动特征,与实测结果吻合较好     

半干法烟气脱硫过程的数值模拟

对增湿脱硫实验装置进行了数值模拟研究,依据流体动力学原理建立气液固三相耦合模型：即质量、动量、能量和湍动能耗散输运方程,在构造脱硫装置的网格模型基础上,通过有限元数值计算方法,借助流体软模拟计算了反应器内的脱硫过程,考虑脱硫剂加入量、反应温度、烟气流量工艺因素的影响时该活性脱硫剂的脱硫性能,将模拟值与实测值进行了对比,误差较低,表明本模型及其参数具有一定的准确性。     

雨滴表面惯性粒子捕集的湍流效应数值分析

雨滴对气溶胶粒子的清除系数与捕集效率密切相关,并依赖于雨滴附近的气流型式.考虑到实际大气背景均为湍流状态,分别对层流和湍流状态下大尺寸雨滴表面上惯性粒子的捕集过程进行了数值模拟,讨论了湍流脉动对不同粒子轨迹的畸变和扰动.结果表明,层流条件下的模拟结果与已有的实验结果具有很好的一致性.若对雨滴的绕流附加一个湍流强度,则雨滴附近流动速度的随机变化将对粒子的运动轨迹产生明显的影响,导致惯性粒子在湍流状态下被雨滴捕获的效率大于层流捕集效率,湍流脉动效应对粒子捕集效率的提高幅度随粒子尺度的增大而减弱.     

温度和盐度分层流的二维应力-通量代数湍流模型

以Navier Stokes方程和应力 通量代数湍流模型为基础,建立了温度和盐度分层流的应力 通量代数模型,模型不仅在控制方程中计及密度变化,而且在应力和通量的代数关系中含有浮力项,从而自动地计及浮力对紊动的影响.另外紊动平均量控制方程中的紊动项是由应力 通量模型计算,较好地体现了湍流各向异性的特征.为验证模型的正确性,对同时存在温度和盐度梯度的密度分层流进行了数值模拟计算,结果正确地反映了分层及紊动各向异性的特征,与实测结果吻合较好.     

双区静电除尘器的数值模拟研究

采用数模拟的方法研究了双区静电除尘器内流场分布、颗粒荷电及颗粒运动等难以直接测量的物理过程,构建了双区静电除尘过程完整的数值模型.采用泊松方程、电流连续性方程和匀强电场方程描述电场,采用N-S方程和雷诺应力标准湍流模型描述流场,采用拉格朗日法描述颗粒运动轨迹.通过截面风速与颗粒去除率的模拟值与实验值的对比,验证了数值模型在模拟内部流场和颗粒运动时的准确性.数值模拟结果表明：双区静电除尘器内部流场分布对入口风速的变化非常敏感;颗粒荷电方式占比由颗粒粒径决定;荷电区内颗粒向极板的趋近过程由流体曳力和电场力共同完成,收尘区内的趋近过程则由电场力主导;入口流速通过改变颗粒前进速度和内部流场形态来影响颗粒运动轨迹.     

地下水曝气修复过程的三维数值模拟

地下水曝气法是去除挥发性有机污染物的重要原位修复方法之一,目前已得到广泛应用,但其现场设计主要依据经验,缺乏系统的设计标准.为深入了解曝气去除污染物过程,并为现场设计提供重要参考依据,针对地下水曝气过程开展了数值模拟研究.水气两相渗流数值模型以水压力和气压力作为基本未知量,利用达西定律和质量守恒原理可以建立水气两相渗流过程的控制方程.利用Van Genuchten(VG)模型及Mualem公式,建立渗透系数-饱和度-基质吸力(K-S-P)三者之间的关系.污染物的去除过程则是在水气两相渗流的基础上,引入污染物的溶质运移、相间交换及生物降解模型.采用开发的有限元数值模型,对地下水曝气过程及污染物去除过程进行三维数值模拟,并将三维数值模拟的结果与二维数值模拟的结果进行对比.结果表明,三维模型的曝气影响区域偏小,在曝气口附近,水有效饱和度最小;在曝气口上方,水饱和度先增大后减小.考虑气体所受的浮力作用或不考虑气体可压缩性均会使计算得到的曝气影响区域偏小.污染物去除边界与曝气影响区域的边界基本一致,在曝气区域内,溶质交换过程大大促进了污染物的去除速率;在曝气区域外,污染物的去除主要通过生物降解作用,去除较慢.结果表明实际工程地下水曝气修复系统设计时,应使得曝气影响区域覆盖污染区域以得到较好的修复效果.研究结果表明,两相渗流模型结合污染物迁移转化模型的三维有限元数值模拟可以较好地模拟地下水曝气法去除污染物的全过程,对地下水曝气的设计、应用与效果评价具有重要指导意义.     

旋风分离器内流场的数值模拟及方法分析

基于交错网格的SIMPLE方法对切向入口旋风分离器内的流场进行了数值模拟 ,为了分析验证不同湍流模型的适用效果 ,分别选用了标准的k -ε模型、Smith修正的模型和Chen Kim修正的模型。通过对同一工况模拟结果与实验数据的比较 ,发现Smith修正的湍流模型更适合于预报像旋风分离器内这种具有返转流动的强旋流场     

油污染全场模拟的湍浮力流动k-ε模型

以通用的k-ε湍流模型为基础,针对油—水两相流动体系的特点,提出了油污染全场模拟的湍浮力流动k-ε模型.模型不仅在控制方程中计及了密度变化,而且在控制方程中加进了浮力项,并对湍流Schmidt数也作了浮力修正.从而计及了浮力对紊动的影响.结果表明,模型的模拟效果非常满意.     

污水排海扩散器的数值模拟与模型试验

在污水排海工程的设计工作中,采用数值模拟与模型试验相结合的方法是一种有效的设计手段。本文结合某污水排海整治工程,首先采用HydroInfo-1D管网模型对该工程排污扩散器进行数值模拟,得到相应各喷口的流量、流速和弗劳德数,然后设计水工模型试验对数值模拟结果进行验证。模拟结果显示,两种排放流量工况下该扩散器各喷口出流均具有很好的均匀性,且弗劳德数均大于1,满足设计规范的要求。此外,通过将实验结果与计算结果对比,发现两种工况下流量的计算值与实验值的最大误差分别为2.18%和2.42%,流速的最大误差分别为2.19%和2.43%,说明该模型的计算结果具有较高的精度。研究结果表明:该模型可以准确的对污水排海扩散器进行模拟,且管道的设计结构参数满足实际运行要求。     

新型波纹板导流墙氧化沟水力特性的数值模拟

提出新型波纹板导流墙氧化沟结构,并基于N-S方程和k-ε紊流模型,采用有限体积法,对新型波纹板导流墙氧化沟的水流流态和水流速度分布进行数值模拟。同时与无延长导流墙和平板导流墙的数值模拟进行比较,研究结果表明:新型波纹板导流墙对降低氧化沟隔墙背后的水流低速区范围和改善污泥沉积有促进作用。     

On vortex loops and filaments: three examples of numerical predictions of flows containing vortices

Vortex motion plays a dominant role in many flow problems. This article aims at demonstrating some of the characteristic features of vortices with the aid of numerical solutions of the governing equations of fluid mechanics, the Navier-Stokes equations. Their discretized forms will first be reviewed briefly. Thereafter three problems of fluid flow involving vortex loops and filaments are discussed. In the first, the time-dependent motion and the mutual interaction of two colliding vortex rings are discussed, predicted in good agreement with experimental observations. The second example shows how vortex rings are generated, move, and interact with each other during the suction stroke in the cylinder of an automotive engine. The numerical results, validated with experimental data, suggest that vortex rings can be used to influence the spreading of the fuel droplets prior to ignition and reduce the fuel consumption. In the third example, it is shown that vortices can also occur in aerodynamic flows over delta wings at angle of attack as well as pipe flows: of particular interest for technical applications of these flows is the situation in which the vortex cores are destroyed, usually referred to as vortex breakdown or bursting. Although reliable breakdown criteria could not be established as yet, the numerical predictions obtained so far are found to agree well with the few experimental data available in the recent literature.     

采用大涡PIV研究Taylor-Couette流及其对混凝过程的影响

采用大涡PIV方法对Taylor-Couette流场的湍动能及湍动能耗散率进行了估算,并利用数值模拟对其进行验证,结合絮凝实验,综合对比速度矢量、湍动能分布、湍动能耗散率分布及对应流场中混凝过程的絮体图像,探究了湍动能与湍动能耗散率对絮凝效能的影响.结果表明,大涡PIV法与数值模拟在雷诺数较高的情况下有较好的一致性,且雷诺数越大一致性越好.在Taylor-Couette涡流场中,随着雷诺数的增大,湍动能与湍动能耗散率数值不断增大,且在流场中的分布由规律有序到紊乱最终趋于各向均匀一致.而混凝过程中湍动能与湍动能耗散率的数值大小及其在流场中的空间分布情况,均对产生絮体的大小和浊度去除率有较大影响.     

卡鲁塞尔氧化沟水力学特性的大涡模拟

本文基于大涡模拟中的Smagorinsky-Lilly模型,对Carrousel氧化沟模型进行了水力学特性模拟,并研究了沟内流速和涡量分布规律.速度与压力耦合求解使用了压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法,采用VOF(Volume of fluid)方法追踪自由液面.模拟结果表明,回流现象主要出现在上中层混合液中,逆流现象主要出现于上层混合液中;转轮与转刷的推流作用是造成水面变化剧烈的原因;距转轮与转刷较近的区域、转速较快的转轮与转刷区域及直道段转刷下游水面较高一侧中上层区域的涡量较大.根据实验验证,本次模拟结果和实验值吻合度较好,Smagorinsky-Lilly模型可以准确模拟氧化沟水力学特性.     

紊流作用下泥沙释放磷的试验及数值模拟

为研究水体紊动对泥沙释放污染物的影响,引入近似均匀紊流模拟装置,开展不同强度紊动作用下泥沙运动释放磷动态过程及基本规律的试验,研究表明:紊动扩散作用对泥沙解吸释放磷有着十分重要的影响,紊动较弱时,泥沙尚未起动,床面泥沙颗粒吸附的磷元素解吸至孔隙水中,在垂向紊动扩散作用下输送至上覆水中,将使得上覆水中溶解态磷浓度增大;紊动作用较强时,泥沙逐渐悬扬至水体中,悬浮泥沙颗粒吸附的磷元素直接解吸至上覆水中,泥沙浓度越高,溶解态磷含量增长速率越大,达到平衡的时间越短.通过耦合紊流模型、水流泥沙数学模型、污染物对流扩散模型和Langmuir吸附动力学方程建立了紊动作用下泥沙释放磷的垂向一维数学模型,针对试验条件进行数值模拟,模拟结果与试验数据吻合较好,平均相对误差低于10%,可为模拟天然水体中泥沙悬浮释放磷的时空演化提供参考.     

横向极板电除尘器二维流场的数值模拟

对横向极板电除尘器内二维流场进行了数值模拟,流场模拟采用k-ε双方程模型,计算采用SIMPLE算法。利用有限体积法对计算区域进行离散,用前处理软件GAMBIT对几何模型进行网格划分,FLUENT流体计算软件对内部流场进行数值模拟,得出了内部流场随入口流速的增加,湍动性增加,阻力损失也会增大。     

城市街区污染散布的数值模拟与风洞实验的比较分析

将专门设计的一项中性层结条件下风洞的污染物浓度测量实验，与已建城市小区尺度模式在相同条件下的污染扩散模拟结果进行了比较分析．分析了该模式流场模拟的有效性．结果表明：总体上，数值模拟与风洞实验结果符合较好；进一步分析发现，数值模拟结果中建筑物背风侧空腔区湍涡的中心比风洞实验结果略高，空腔区的范围比风洞实验所示范围大，建筑物迎风侧位移区比风洞实验所示小．此差异可能是由两者边界条件的不同引起的．     

建筑扰动条件下大气流动与扩散的CFD模拟

用FLUENT模式对中性大气、单个建筑的气流扰动情况进行模拟,并以风洞试验数据检验模拟效果;将模拟方法应用于类似城市建筑阵列条件的大气污染扩散问题,并且与现场示踪试验比较. 结果表明:FLUENT对建筑扰动条件的平均风场模拟效果良好,FAC2(模拟值与试验值之比在0.5~2之间的比例)在水平与垂直风速下分别达到77.9%与61.0%;对湍流特征量的模拟偏差稍大,K(湍流动能)虽总体偏小,但FAC2仍达到了54.6%. 选择湍流闭合的标准K-ε(ε为湍流动能耗散率)方案、重整化群K-ε方案和雷诺应力模型方案对结果的影响均不大. 采用FLUENT模拟了类似城市街区建筑阵列条件的大气扩散个例, 模拟结果反映了建筑扰动导致的扩散烟流轴线相对于平均风向的非常规偏移,并且扩散浓度与示踪试验结果相符较好,下风向32与63m处的侧向模拟浓度峰值的相对误差分别为72.5%与36.9%. 相比于高斯模式ISC3,FLUENT对复杂建筑阵列条件的扩散模拟结果更符合实际,如污染物向上风向扩散以及在建筑物周围堆积与绕流的现象. FLUENT扩散模拟还显示:近源处相邻建筑街道峡谷中的最大浓度沿下风向“阶跃”式减小,排放源所在街道峡谷中的最大浓度可比相邻街谷中的高几倍甚至1个数量级以上.      

底隙十字挡板对四边形流化床流体力学性能优化数值模拟

通过置入内构件实现流化床底隙区多相流矢量由混沌到归一的转化可获得床体内流体流化性能的改善.基于此,以底隙区置入十字挡板的四边形流化床为研究对象,使用Fluent软件进行三维可视化模拟,利用Eulerian-Eulerian双流体模型模拟其在厌氧、水解及好氧条件下优化反应器流体力学性能的能力,考察置入挡板前后流化床内流场、液相运动速率、气体相含率及湍流耗散率的反馈变化,分析其对流体运动的影响,并提出工程优化设计的方向.结果表明:底隙区置入十字挡板后,四边形流化床内液体循环速度最大提升15.7%,在上升区截面上的分布更加均匀,液速峰值下降,有利于维持活性污泥的团聚作用,对提高流化床污泥负荷有利;整体气含率下降3.5%~6.9%,应用时可加入漏斗型内构件予以改进;在水解与好氧生物的模拟过程中,底隙区十字挡板的置入更能优化水力条件,湍流动能耗散率最大降低31.9%,对降低系统能耗提供了有利证据.研究证明,反应器内构件的设置通过流体力学性能的数值模拟可以成为一种优化开发的捷径技术.     

屋顶形状对街道峡谷内污染物扩散的影响

采用Spalart-Allmaras湍流模型,通过求解二维连续性方程,Navier-Stokes方程及污染物输运方程,模拟了具有不同屋顶形状的街道峡谷的流场及交通污染物浓度场.计算结果与风洞试验结果总体趋势一致.由于屋顶形状的不同,峡谷内的流场会形成顺时针或逆时针方向的旋涡,从而影响建筑物迎风面与背风面污染物浓度分布.在各种屋顶形状的街道峡谷中,壁面污染物浓度的相对大小与其附近的速度分布有直接关系.通过对街道峡谷建筑屋顶高度处垂直方向污染物通量的计算和比较,说明了不同屋顶形状的街道峡谷平均流扩散和湍流扩散的强弱,污染物湍流扩散通量值有可能为正或为负;同时,峡谷内剩余污染物浓度的大小表明了屋顶形状对污染物扩散出街道峡谷难易的影响.      

异波折板流场模拟分析与结构优化

基于FLUENT技术,以连续方程、Navier-Stokes方程及k-epsilon湍流方程作为流动基本控制方程,对异波折板絮凝反应流场进行了数值模拟,并通过网格独立性检验,保证了模拟结果的真实性.以流场速度分布、紊动动能、有效能耗作为评价标准,根据数值模拟提出了不同絮凝段的最优折板单元组合.结果表明,夹角90°的短折...