基于CFD-DEM的旋风除尘器内气固流动特性研究

为了研究旋风除尘器内气固流动特性,采用CFD-DEM耦合算法研究不同入口气体速度下旋风除尘器内颗粒流态、静压、径向速度及轴向速度分布特征。结果表明:煤屑颗粒在离心力和径向曳力的作用下以螺旋颗粒条带靠近除尘器的壁面稳定向下移动,随着入口风速的增加煤屑颗粒条带变宽,条带与除尘器的第1次接触的拐点上移,螺距减小;除尘器内部压力轴向变化较小,径向变化较大,随着入口气体速度增加,除尘器壁面附近高压区范围和压力也随之增加,除尘器上方和下方的负压区变宽并朝轴向方向延伸;随入口气体速度增加,除尘器内径向速度和轴向速度逐渐增加,煤屑颗粒在除尘器中部聚集较多,煤屑停留时间变长,入口气体速度为15 m/s时,煤屑颗粒在除尘器内停留时间最长。     

水力侵彻煤岩液固非接触区应力波传播特性研究

为探索水力作用下煤岩液固非接触区应力波波动规律,以及岩性、水力参数对应力波传导的影响特征,基于流体力学、损伤力学及流固耦合罚函数算法等,建立了水力侵彻煤岩三维数值模型。研究结果表明:水力侵彻煤岩液固非接触区应力波沿射流径向由非线性波动渐变为弹性波动,应力波波形渐宽,周期增长,振幅减小;波阵面传导速度随距离增加显著降低;应力峰值呈强衰减、缓衰减以及稳定衰减三阶递减趋势;水力侵彻下焦煤内水力诱发应力波的传导速度高于无烟煤,而相同位置处无烟煤的应力峰值要大于焦煤;射流速度与应力峰值具有显著的正相关性,射流速度越大应力波衰减也越为迅速;应力波传播到不同属性分界面会发生明显的反射、透射及绕射现象,应力波穿过分界面时发生了大幅衰减。     

煤层钻孔密封液径向渗流模型及工程应用

针对顺层瓦斯抽采过程中,因钻孔形变较大、封孔长度不足及封孔方法不合理等因素造成抽采钻孔及其周围煤体漏风严重、抽采瓦斯浓度偏低、流量衰减速度较快及稳定性差等技术难题,基于多孔介质渗流理论、流体平衡理论、"固封液-液封气"钻孔密封技术原理,研究了承压密封液在煤层钻孔内的径向渗流规律,建立了不可压缩流体径向驱气稳定渗流物理模型、密封液径向渗流运动数学方程及相关参数计算公式,进而提出了固液耦合壁式密封顺层瓦斯抽采技术。结果表明,采用固液耦合壁式密封技术可对抽采钻孔及周围煤体裂隙实施动态密封,使得瓦斯抽采过程浓度稳定,单孔平均浓度提高4~5倍,平均抽采瓦斯体积分数达到89%以上,显著提高了本煤层瓦斯的抽采效率。     

取芯过程中煤芯温度分布特征模拟研究*

针对取芯过程瓦斯解吸受煤芯的温度影响不明,造成煤层瓦斯含量测不准的问题,开展对取芯过程煤芯温度分布特征研究。采用自主研制的取芯管自动测温装置在赵固二矿原生结构煤层（f=1.71）进行深度20 m的取芯试验,获得取芯管管壁温升变化规律,变化曲线分为4个阶段:缓慢上升、加速上升、减速上升、缓慢下降阶段;应用COMSOL建立含瓦斯煤传热模型,将管壁的温度变化设置为边界条件,模拟取芯过程煤芯与管壁之间的热交换。结果表明:在取芯时间30 min内,煤芯平均温度快速上升,之后上升速度趋于平稳;在煤芯内,相同时刻,等间距的轴向与径向距离,径向较轴向的温度梯度较大,径向传导快于轴向传导;取芯过程煤芯径向温度Ta与径向距离d、时间t满足指数函数关系。研究结果可为测定取芯过程煤芯的瓦斯损失量提供参考依据。     

垂直支管位置对等径三通管内爆炸气流及流场的影响分析

三通管支管位置变化影响管内爆炸气流分布及爆炸后果，为研究其影响规律，构建等径垂直支管三通管道模型，通过数值模拟和试验测试，计算和分析爆炸气流传播、流场变化、速度峰值及压力峰值规律。结果表明：在垂直支管B与水平支管C长度相同的工况下，C内的速度峰值整体大于B,两支管内的最大气流速度峰值均出现在分岔处，为228 m/s,比A管小26.7%;初次点火正向气流传播和末端反射的正向传播气流均会导致三通处流场气流旋涡、强湍流动能区域和速度峰值；支管位置不同工况下，三通管内气流速度峰值最大值均出现在水平管内；垂直支管内气流速度峰值随监测点距离增加均呈下降趋势，垂直支管内速度峰值与压力峰值呈现明显的反比关系。     

一种细水雾喷雾除尘装置除尘性能影响因素数值模拟

为探究细水雾喷雾除尘参数对除尘性能的影响，构建欧拉气相-欧拉粉尘-离散雾滴相耦合的3相流计算模型，同时考虑除尘过程中雾滴蒸发的影响，在气液固3相耦合基础上加入蒸发模型。将建立的模型与文献中的试验数据进行对比校验，数据偏差在15%内，表明所建模型可靠。基于建立的模型，开展了雾滴粒径、雾滴速度、尘域环境温度、风机风速等参数对除尘性能影响的模拟研究。结果表明：1)在模拟范围内，考虑雾滴蒸发综合作用影响下，较大雾滴粒径时，喷雾除尘效率随雾滴粒径的减小而增大，当雾滴粒径小于20μm时，喷雾除尘效率随雾滴粒径的减小而减小；2)喷雾除尘效率随雾滴速度的增大而增大，但当雾滴速度增加到25 m/s以上时，喷雾除尘效率随雾滴速度的增大而减小；3)喷雾除尘效率随尘域环境温度的升高而下降；4)喷雾除尘效率随风机风速的升高而下降。研究结果可为细水雾喷雾除尘装置的设计与使用提供理论参考。     

圆形巷道围岩弹性应力场的复变函数解析

为得出圆形巷道围岩弹性应力分布特征,采用复变函数对圆形巷道围岩弹性应力进行解析,得到了与应力函数解法相同的应力场解析表达式,证明了复变函数解法求解巷道围岩应力场的可行性.对圆形巷道边界应力分布规律及沿水平线的应力分布规律进行了分析,结果表明:1)圆形巷道边界的径向应力和剪应力等于0,环向应力集中系数随侧压系数和位置角度变化而变化,与巷道半径无关;2)沿水平线的圆形巷道围岩剪应力等于0,径向应力和环向应力集中系数随侧压力系数和巷道半径变化而变化;3)沿水平线方向,侧压系数对巷道围岩径向应力的影响大于环向应力影响.还分析了侧压系数对巷道围岩应力的影响规律,讨论了侧压系数等于0、大于0小于1、等于1和大于1等4种情况下的巷道边界环向应力分布情况,得出了巷道边界环向应力的拉压区域及环向应力集中系数最大位置.     

埋地PE燃气管道弯头挖掘破坏有限元分析

为分析挖掘载荷对PE燃气管道弯头的失效特征及影响因素，利用Abaqus建立了挖掘斗齿 管道弯头 土体多体动力学模型，将管道破坏过程分为接触、屈服、挖裂和挖穿4个阶段，分析了不同挖掘条件下，弯头破坏的力学响应。研究结果表明:管道被挖裂之前，外侧应力、应变大于内侧，此后弯头形变量明显增加，内测应力、应变大于外侧；挖掘速度越慢，管道椭圆度越大；斗齿沿轴向挖掘时，变形从齿 管接触面两端产生，沿径向挖掘时，危险点出现在齿 管接触中心位置，后者变形更大；同样径厚比的弯头，管径越小，挖穿时形变越大。     

厦门云顶隧道爆破监测与分析

通过对厦门市云顶隧道爆破振动的监测与分析,确定了爆破振动引起的地表质点振动速度峰值与比例药量之间的经验公式。得出了地表质点振动主振频率主要集中在低频段;当存在一定厚度的表土层时,主振频率随距离的增加而减小的趋势并不明显;总体上存在主振频率随距离的增加而往下降的态势;不同距离的振动速度主频呈现出不同的分布趋势,同时,不同距离的振动速度主频表现出分布范围的集中程度不同。笔者提出了沿垂直方向、水平径向和水平切向振动时不同距离地震波衰减规律的经验公式。     

旋风除尘器内生物质飞灰颗粒浓度分布特性研究

鉴于生物质气化站旋风除尘器内飞灰颗粒的浓度较高且难以测量,其分离效率与高温强旋湍流场密切相关,为获得其内部飞灰颗粒的浓度分布特性,研究分离效率与生物质燃气温度及其速度的关系,借助计算流体力学(CFD)软件,并结合气化站旋风除尘器的特点建立仿真模型;然后以气化炉产出的高温燃气为研究对象,应用气体-颗粒耦合模型对风流-飞灰的耦合运移情形进行数值研究。结果表明:旋风除尘器环形空间内出现"顶灰环"现象;筒体空间对飞灰的分离能力明显优于环形空间;锥体和筒体内颗粒浓度分布曲线为两边高、中间低的浴盆曲线;燃气温度升高,飞灰在同一径向位置的浓度升高;旋风除尘器分离效率有随燃气进口速度的增加而先增高后降低的趋势。     

水平管分层流下微孔泄漏特性数值模拟和实验分析

在油气田开发过程中,通常采用气液相混输模式,管道受腐蚀等因素影响容易出现穿孔而发生两相流泄漏。为分析两相流泄漏特性,对管内常见流型分层流下的微孔泄漏特性进行数值和实验分析;采用VOF耦合Level set算法分析了不同影响因素下的气液两相泄漏特性,设计了1种管道泄漏收集装置,进行室内两相流泄漏实验,并验证了数值预测模型的准确性。研究结果表明:气液两相流经过管壁泄漏口时会发生相分离,泄漏特性受小孔方位、管路内外压差、气液相流速影响较大;泄漏口位于管路侧壁时的泄漏特性与其他角度下的泄漏特性有所不同,可用泄漏影响区内的气液分布进行解释;当泄漏口位于管路底部时,存在临界液相分流系数,当液相分流比小于此临界值时,泄漏流体为单相液体。VOF耦合Level set算法的数值方法可为管路泄漏量预测和相分离特性分析提供参考。     

Analysis of dust distribution in silo during axial filling using computational fluid dynamics: Assessment on dust explosion likelihood

In this study, the dust distribution in a silo during axial filling was modelled using a commercial computational fluid dynamics (CFD) code. The work focused on the dust concentration distribution in the silo, for evaluating the likelihood of a dust explosion in the silo. The simulation was conducted using a combination of renormalized (RNG) k-epsilon and discrete phase models, with standard pressure interpolation and a second order upwind scheme. The predicted dust concentration distribution showed a good agreement with experimental data adopted from the literature. It was found that the dust concentration distribution was influenced by mean velocity and turbulence flow. The simulation results suggest that the cornstarch concentration inside the silo was always above the lower explosion limit (LEL), hence requiring a mitigating action or a control system to reduce the explosion risk.     

串接组合式迷宫螺旋泵的气液两相流数值模拟及试验研究

为研究串接组合式迷宫螺旋泵在实际污水处理过程中的曝气增氧效果和内部的流动情况,应用计算流体力学FLUENT软件,基于混合物多相流模型,对串接组合式迷宫螺旋泵内部三维多相流场进行了数值模拟,分析了不同含气率条件下流场的压力、速度、气相分布情况,分析得出:泵的压力梯度在不同含气率下有所不同,但压力分布都是沿着轴向方向增加,增压效果明显;转子流域的速度明显高于定子流域,且随着含气率的增大,转子流域速度越来越小,定子流域速度越来越大;泵整体含气率比较均匀,随着含气率的增大,出口流域含气率明显高于进口流域和螺旋环流域,有大量气体聚集的现象。试验结果表明:泵的扬程模拟曲线和试验曲线基本吻合,扬程误差值在7%左右,说明数值模拟结果较为准确,串接组合式迷宫螺旋泵在进行气液混输时出口气泡均匀,水中含氧量多,具有良好的曝气增氧效果。     

悬停状态双旋翼气动干扰与安全间隔研究*

为了保证旋翼无人机编队飞行时的安全性,探究双旋翼间的气动干扰作用,采用计算流体力学仿真的方法,研究悬停状态下不同间隔的双旋翼流场干涉特征和气动参数变化。首先通过单旋翼实验和数值结果对比,验证数值方法的有效性;然后分析不同间隔双旋翼流场干涉的截面速度分布和涡量分布特征;最后讨论双旋翼作用下间隔对气动参数的影响。研究结果表明:气动干扰主要影响2#旋翼的流场特征和气动参数;当两旋翼无横向间隔时,流场可保持对称性,气动力变化主要表现为拉力和扭矩的降低;当横向间隔0.5D≤X≤1.0D时,2#旋翼速度场和涡量场扩散范围受限,其流场出现明显非对称特征;在X=0.5D且1.0D≤Z≤3.0D间隔时2#旋翼受到显著俯仰力矩作用,为悬停较危险区域。     

Characterization of a medium velocity deluge nozzle for offshore installations

It is important to study the characteristics of the nozzle of the deluge spray to comply with the standards developed by the petroleum industry for offshore installations in Norway. Due to the stochastic nature of the decomposition processes and geometrical features within the nozzle, the deluge spray has a complex flow field. Since the flow field determines the performance of the spray, the present study performs an experimental characterization of a medium velocity deluge nozzle for validation of computational fluid dynamics (CFD) models. The experiment was conducted for a maximum supply water pressure of 8.0 bar (g), which is identical to the operating pressures of offshore installations. Formerly, characterization studies of deluge or sprinkler spray were mostly targeted on residential usage with lower supply water pressures. I utilized a laser-based shadow imaging system to capture high-speed images, which were later processed in MATLAB. A linear patternator was used to validate the results of the shadow imaging technique. The geometrical features of the deluge nozzle played an important role in determining the characteristics of the spray. In addition, the supply water pressure significantly affected the size and velocity distributions of the droplets, applied density (volume flux), and area coverage. However, the Sauter mean diameter did not vary significantly with the azimuthal or radial position of the droplet within the inner region of the spray. The measurements obtained in this study can be used to estimate the extinguishing efficiency of a deluge system for offshore installations with elevated supply water pressures. Deviations between measurements with shadow imaging and patternator technique are discussed and discrepancies are discussed.     

四角切圆燃烧锅炉冷态空气动力场试验研究

通过对330MW四角切圆锅炉燃烧器进行了炉内冷态空气动力场试验的研究，分析了B层燃烧器区域空气速度分布和衰减情况，研究了一次风速，一、二次风动量比和周界风风量等因素对四角切圆燃烧方式的炉内空气动力场的影响规律。试验结果表明，四角的一次风射流衰减特性基本一致，射流刚性良好。在改变二次凤与一次风动量比后，对炉内实际切圆直径影响较小。周界风可以增强一次风射流的刚性，燃烧器上下摆动只改变了炉膛火焰中心的位置，并未改变切圆大小。这为燃烧器安全稳定运行提供技术依据和运行参考。     

无上部抽吸装置储罐区人工龙卷风风场模拟

为了减少因储罐泄漏位置不确定造成的人员伤亡,指导应急疏散,提出利用人工龙卷风定向控制气体流动方向的模型。首先基于Fluent软件建立了储罐区域人工龙卷风数值模型,分析切向速度和压强沿径向变化规律,发现与经典Rankine涡模型切向速度沿径向分布规律一致,证实可在储罐区以射流相切的方式形成人工龙卷风风场。其次研究了涡流比和进风量对风场控制气流特性的影响,即分析形成的龙卷风风场最大切向速度、压强差变化规律,结果表明,涡流比越大,形成的龙卷风风场中切向速度和压强差越小,即气流向中心汇聚能力越弱;进风量越大,形成的龙卷风风场中切向速度和压强差越大,即气流向中心汇聚能力越强。研究表明,用人工龙卷风控制储罐泄漏气流方向是可行的。     

Computational fluid dynamics analysis of liquefied natural gas dispersion for risk assessment strategies

Computational fluid dynamics (CFD) simulations have been conducted for dense gas dispersion of liquefied natural gas (LNG). The simulations have taken into account the effects of gravity, time-dependent downwind and crosswind dispersion, and terrain. Experimental data from the Burro series field tests, and results from integral model (DEGADIS) have been used to assess the validity of simulation results, which were found to compare better with experimental data than the commonly used integral model DEGADIS. The average relative error in maximum downwind gas concentration between CFD predictions and experimental data was 19.62%.The validated CFD model was then used to perform risk assessment for most-likely-spill scenario at LNG stations as described in the standard of NFPA 59A (2009) “Standard for the Production, Storage and Handling of Liquefied Natural Gas”. Simulations were conducted to calculate the gas dispersion behaviour in the presence of obstacles (dikes walls). Interestingly for spill at a higher elevation, e.g., tank top, the effect of impounding dikes on the affected area was minimal. However, the impoundment zone did affect the wind velocity field in general, and generated a swirl inside it, which then played an important function in confining the dispersion cloud inside the dike. For most cases, almost 75% of the dispersed vapour was retained inside the impoundment zone. The finding and analysis presented here will provide an important tool for designing LNG plant layout and site selection.     

基于数值模拟的槽边射流吹吸罩控制面与控制风速研究

槽边射流吹吸罩已广泛应用,但以射流理论为基础的计算方法多通过经验确定关键控制参数,并进行设计和应用,忽略了一些因素对吹吸流场的影响,难以准确确定槽边射流吹吸罩控制面板位置和控制污染物所需最小风速的要求。因此,以苏联巴杜林的射流末端速度法为例,利用计算机流体力学计算技术,对不同送排风速情况下三维槽边射流吹吸罩的流场分布和毒物控制效果进行模拟分析,确定槽边射流吹吸罩控制面位于0.6～0.8 L的位置,一般取0.65 L的位置,为防止污染物扩散,控制面的风速不宜小于1.28 m/s。