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直接空冷凝汽器空气侧热流性能的跨尺度模拟

电力建设 2015年第8期36卷 15-21页

作者：程通锐杜小泽杨立军电站设备状态监测与控制教育部重点实验室(华北电力大学) 北京市102206

针对冬季直接空冷凝汽器的防冻工业需求,将翅片管和空冷单元这2个尺度的模型耦合起来,既考察翅片管束的整体流动换热性能,又考察直接冷却翅片管内凝结水的冲击换热特性,为确定冬季低温运行条件下空冷凝汽器管内凝结换热甚至结冰计算提供... 详细信息

针对冬季直接空冷凝汽器的防冻工业需求,将翅片管和空冷单元这2个尺度的模型耦合起来,既考察翅片管束的整体流动换热性能,又考察直接冷却翅片管内凝结水的冲击换热特性,为确定冬季低温运行条件下空冷凝汽器管内凝结换热甚至结冰计算提供第3类热边界条件。建立了空冷单元模型和翅片管模型,然后,将三维进口风条件下的翅片管级数值模拟结果简化成输入-输出代理模型;从空冷单元系统级数值模拟中获得系统级边界-迎风面的速度分布;进而将翅片管数值模拟代理模型应用到系统边界上,得到了系统边界上翅片管冲击换热特性以及翅片管平均对流换热特性的空间分布。数值计算结果表明,冲击换热系数比平均对流换热系数大一个数量级;在迎风面上冲击换热系数和平均对流换热系数均呈现出上低下高、左右不对称的特点;冲击换热系数随着转速的下降而下降。

关键词：直接空冷凝汽器跨尺度模拟传热冻结

Voronoi-based结构纤维过滤介质含尘阶段过滤性能及跨尺度模拟

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Voronoi-based结构纤维过滤介质含尘阶段过滤性能及跨尺度模拟

作者：曹博文安徽工业大学

学位级别：硕士

在冶金、化工、能源、建筑环境等领域,纤维过滤设备(布袋除尘器、滤筒除尘器、空气过滤器)作为一种经济有效的气-固分离设备,已被广泛应用于颗粒物的排放控制与室内环境中的细颗粒物净化。国内外研究者分别在微观尺度层面(纤维滤料微观... 详细信息

在冶金、化工、能源、建筑环境等领域,纤维过滤设备(布袋除尘器、滤筒除尘器、空气过滤器)作为一种经济有效的气-固分离设备,已被广泛应用于颗粒物的排放控制与室内环境中的细颗粒物净化。国内外研究者分别在微观尺度层面(纤维滤料微观结构)和宏观尺度层面(纤维过滤设备)对纤维过滤技术进行了较为深入的研究。但目前纤维过滤介质微观结构的三维重建方法仍处于发展阶段,故严重限制了其过滤性能的研究。同时,纤维过滤设备的结构涉及的尺度跨度巨大,目前缺少有效的尺度之间数据传递机制,能够将微观尺度下和宏观尺度下的气-固两相流动关联起来。因此,本文基于实验和数值模拟的手段,深入研究纤维过滤介质三维重建及其含尘阶段过滤性能与跨尺度模拟方法。在微观尺度层面,采用Voronoi算法构建具有可控结构参数(纤维直径、填充密度)的纤维过滤介质微观尺度模型。采用数值模拟和半解析模型分析的方法对比研究了不同结构和操作参数下Voronoi-based结构纤维过滤介质的过滤性能,并采用文献中的相关实验数据验证了数值模拟结果的准确性。在此基础上,基于跨尺度模拟的方法,建立了有效的尺度之间数据传递机制,将微观尺度下的流动和宏观尺度下的流动关联了起来,并且对CFD多孔介质模型进行二次开发,从而构建了容尘阶段纤维过滤介质压力损失计算模型(宏观尺度模型)。同时,将过滤器容尘阶段压力损失-容尘量的实验测试数据与宏观尺度模型的模拟结果进行对比,验证宏观尺度模型的准确性。结果表明:1、与分层结构模型相比,Voronoi结构模型的建模过程是基于在三维空间中创建点和线所构造的空间拓扑信息,其能够很好的表征纤维-纤维的交叉以及层-层之间的渗透特性。此外,在重建模型中采用球冠连接的方式计算纤维贯穿处的体积,能够获得较为准确的填充密度。2、考虑层间连接的Voronoi结构模型的流场受内部结构影响较大。其压力损失的数值模拟结果比层状结构大,与实验值的偏差基本在15%以内。同时,基于数值模拟结果拟合出一种新的纤维过滤介质(SVF=5%-25%、d=15-25μm)无因次压力损失关联式,可以为宏观尺度模型研究纤维过滤介质容尘阶段的压力损失提供清洁状态下的渗透率。3、针对亚微米颗粒,采用Stokes-Cunningham曳力定律并结合Saffman升力和布朗力可以准确预测扩散和惯性共同作用下的颗粒捕集。随着Pe和SVF的增加,数值模拟结果与半解析模型计算值之间的偏差增大。针对微米颗粒,采用Spherical曳力定律并考虑重力作用时,过滤效率的半解析模型计算值普遍高于数值模拟结果。此外,存在一个Stk的阈值,当Stk大于该阈值时,数值模拟结果与半解析模型计算值的偏差较小。4、将纤维过滤介质微观尺度模型清洁状态下的粘性阻力系数提供给CFD多孔介质模型作为初始参数。同时,基于欧拉-拉格朗日法并利用ANSYS-Fluent中的用户自定义函数(UDF)对其进行二次开发,从而实现了多孔介质区域对颗粒的捕集与负载以及压力损失随粉尘负荷的动态变化。5、通过控制多孔介质网格单元孔隙率阈值的方式,开发了不同捕集机制的程序,实现了颗粒在多孔介质中沿厚度方向不同的分布形式。对于相同填充密度的宏观尺度模型,随着阈值的提高,压力损失的增长率降低。对于标定后的不同填充密度的宏观尺度模型,其数值模拟结果与经验模型计算值的偏差均小于20%。6、依据空气过滤器性能检测标准(EN779:2012)搭建空气过滤器性能测试的实验台。将592*592*292-4V-F9型过滤器压力损失-容尘量的实验测试数据与宏观尺度模型的模拟结果相对比,偏差基本在30%以内。故本文提出的宏观尺度模型拓宽了容尘阶段纤维过滤介质压力损失计算的研究途径。此外,跨尺度模拟方法可以为相应的气-固两相流模拟提供技术指导。

关键词：纤维过滤介质 Voronoi-based结构模型 CFD多孔介质模型含尘阶段过滤性能跨尺度模拟

化工分离流动模拟中的SPH方法及跨尺度耦合算法研究

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化工分离流动模拟中的SPH方法及跨尺度耦合算法研究

作者：邓嘉胤浙江大学

学位级别：硕士

由于目前手性药物和生物制剂的分离制备中广泛存在生产效率低下、高污染和高能耗等问题,本研究试图采用微流控技术设计出一种具有大通量分离能力的微型分离单元,称之为“微筛”。微筛装置依托于微机电技术（MEMS）,其基本结构由刻蚀在... 详细信息

由于目前手性药物和生物制剂的分离制备中广泛存在生产效率低下、高污染和高能耗等问题,本研究试图采用微流控技术设计出一种具有大通量分离能力的微型分离单元,称之为“微筛”。微筛装置依托于微机电技术（MEMS）,其基本结构由刻蚀在硅晶片和石英等基体上的微尺度流道组成,通过流体动力学作用可使流经微通道的不同组份产生迁移速度差,从而实现无堵塞、大通量和可调控的分离制备。但是由于此类流道尺度微小,在局部位置流动会呈现明显的稀薄效应,以致于传统的分析设计方法不能指导此类装置的设计。本论文旨在探索一种适用于微筛装置内部流场分析的数值模拟方法以指导微流道的结构设计。该装置中的流动具有以下特点:连续流动与稀薄流动并存;流动介质多为固液两相流和多相流;分离过程中常伴随电磁及化学作用等。针对此类流动特性,本论文提出了一种基于光滑粒子流体动力学（SPH）和直接模拟蒙特卡洛法（DSMC）的跨尺度耦合算法以求解连续流动与稀薄流动相耦合的跨尺度效应问题。该方法的突出优点在于,两种子方法均为基于物理模拟的非定常粒子算法,易于耦合计算复杂的流动问题,并且可以方便地实现三维问题的模拟。论文中首先给出了SPH方法和DSMC方法分别模拟连续粘性不可压流动和过渡流区域流动时的控制方程组和边界条件的实现方法,在此基础上确定了耦合方法的计算流程和相关的技术细节,并采用Fortran语言编写了两种子方法的计算程序。本文还主要论证了SPH方法用于化工分离流动模拟的可行性,自主编程并进行了一系列数值计算。首先用标准算例验证了SPH方法的理论模型和计算程序的准确性;通过比较确定选用五次样条核作为计算低雷诺数下的粘性连续流动时的核函数;采用SPH方法和有限体积法分别对同一管道流动进行了对比计算,证明了本文提出的边界缓冲区方法在实现SPH方法中的流体边界条件时的有效性,解决了SPH方法模拟管道流动时的一个关键问题;巧妙地使用SPH方法对化工分离流动中常见的固液两相流及固液耦合作用进行了模拟尝试,获得了较好的结果;在跨尺度计算方面,目前两个子程序已经能够分别模拟连续的和稀薄的二维管流问题,二者的耦合计算程序还处于调试和优化阶段,各个参数对于计算精度和计算速度的影响规律仍在探索中。总之,本论文研究为化工分离流动的模拟及跨尺度算法的实现奠定了坚实的基础并为进一步研究指明了方向。

关键词：跨尺度模拟耦合算法 SPH DSMC 化工流动模拟

频率波数域内地壳层半空间剪切位错源宽频地震波传播模拟

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岩石力学与工程学报 2022年第3期41卷 543-558页

作者：梁建文吴孟桃巴振宁天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300350 天津大学土木工程系天津300350

剪切位错源地震波传播模拟是近断层地震动研究的理论基础,然而现有确定性方法在高频地震动求解和跨尺度计算中存在一定的不足。提出一种剪切位错源宽频地震波多尺度传播模拟的频率-波数域方法,能有效解决从高波速地壳尺度(公里级)到低... 详细信息

剪切位错源地震波传播模拟是近断层地震动研究的理论基础,然而现有确定性方法在高频地震动求解和跨尺度计算中存在一定的不足。提出一种剪切位错源宽频地震波多尺度传播模拟的频率-波数域方法,能有效解决从高波速地壳尺度(公里级)到低波速岩土尺度(米级)成层半空间宽频(覆盖0.1~10 Hz的工程结构敏感频段)地震响应问题。利用Fourier-Hankel变换将柱坐标系下的三维波动方程由时间-空间域转换到频率-波数域内,并结合震源作用处的位移-应力间断条件,由修正刚度矩阵方法求得位错源引起的黏弹性层状半空间动力响应。首先与经典Haskell方法比较验证提出方法的正确性和精度,进而建立天津地区地壳结构中跨尺度场地模型,重点讨论震源频率和近地表软弱夹层对地震地面运动的影响。研究结果表明:(1)新方法在宽频地震动和含低波速细分土层的模拟中十分适用,能够清晰观测到位错源作用下地震波在层界面的反射、转换和透射等复杂传播过程及引起的地面运动特征;(2)软弱场地地面运动受震源频率影响明显,高频地震动作用使得地震辐射能量强度及范围增大,或将导致更为严重的地面破裂和结构破坏;(3)不同埋深和厚度的近地表软夹层对软弱场地地震反应均有重要影响,场地“滤波放大”和软夹层“隔震”的叠加使得地表响应变得十分复杂。

关键词：地震工程剪切位错地震动输入频率–波数域方法宽频地震动跨尺度模拟

睿图-大涡系统支撑北京冬奥会气象服务保障的评估分析

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气象 2023年第6期49卷 733-744页

作者：刘郁珏苗世光黄倩倩李玉焕张亦洲北京城市气象研究院北京100089

为满足北京冬奥组委对气象预报提出的“百米级、分钟级”精细化需求,针对延庆和张家口赛区分别构建了由中尺度气象模式与大涡模拟耦合的百米微尺度预报系统“睿图-大涡”(RMAPS-LES),并对其2020—2022年赛事月份(2—3月)预报效果进行了... 详细信息

为满足北京冬奥组委对气象预报提出的“百米级、分钟级”精细化需求,针对延庆和张家口赛区分别构建了由中尺度气象模式与大涡模拟耦合的百米微尺度预报系统“睿图-大涡”(RMAPS-LES),并对其2020—2022年赛事月份(2—3月)预报效果进行了对比检验。结果表明,微尺度RMAPS-LES相对于中尺度模式CMA-BJ对站点风、温表现出了较高的预报技巧。冬奥全站点三年平均的逐时2 m温度、10 m风速、瞬时风向的绝对误差分别为1.85℃、2.11 m·s^(-1)、44.43°,较CMA-BJ分别降低了28%、23.6%、30.33%。RMAPS-LES具有详细刻画大气微尺度湍流运动的优势,其风速脉动值概率密度分布接近正态分布,与观测相近。研究还发现,在动力降尺度时,不同尺度模拟区域之间需采用过渡技术以加速大涡模拟区域内湍流的快速生成。RMAPS-LES采用了基于网格位温随机扰动的湍流生成方案,能有效缩短过渡区,快速达到能量平衡。其技术路线对风电厂微观选址、精细气象环境评估等预报精度要求较高的气象保障服务亦有借鉴意义。

关键词：北京冬奥会高分辨率预报大涡模拟复杂地形跨尺度模拟

添加乙腈对离子液体-Ni3(HITP)2超级电容器影响的分子动力学模拟

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添加乙腈对离子液体-Ni3(HITP)2超级电容器影响的分子动力学模拟

作者：叶挺华中科技大学

学位级别：硕士

超级电容器因其具有功率密度高、循环寿命长、工作温度范围宽等优点在电能储存等领域发挥重要作用。然而制约其发展的因素为较低的能量密度。超级电容器的能量储存主要通过电极/电解质处形成的几纳米厚的双电层来实现,电极与电解质材料... 详细信息

超级电容器因其具有功率密度高、循环寿命长、工作温度范围宽等优点在电能储存等领域发挥重要作用。然而制约其发展的因素为较低的能量密度。超级电容器的能量储存主要通过电极/电解质处形成的几纳米厚的双电层来实现,电极与电解质材料的选取对超级电容器的储能性能至关重要。一方面,导电有机金属骨架(Metal-Organic Framework,MOF)因其孔隙率高、结构高度有序、性质易调节等优点,在能源存储等方面呈现出广阔的发展前景。另一方面,作为一种新型绿色电解质,离子液体具有很好的热稳定性、极低的挥发性、不可燃等优点,并且可以承受较高的工作电压,从而能极大地提升超级电容器的能量密度。因此,导电MOF与离子液体的组合有望为超级电容器提供更高的能量密度与功率密度。本文首先给出基于恒电压分子动力学模拟与传输线理论的跨尺度模拟框架,并系统地求出在不同边界条件下传输线模型的理论解,然后通过该理论框架分析了由导电MOF电极和离子液体组成的超级电容器的储能机理与充电特性。结果表明以纯离子液体[Bmim][PF]作为电解质的超级电容器的电容特性以及阻抗特性均不理想,这是因为体系中阴阳离子之间存在强烈的相互作用,使得给电极施加电压时阴阳离子难以离解,且离子进入电极孔内具有很大的能垒。为提高其性能,本论文考虑向体系中添加有机溶剂乙腈(Acetonitrile,ACN),模拟结果表明ACN的添加使得超级电容器电容性能提高2～3倍,孔内阻抗性能降低4～5倍,这主要得益于ACN会改变离子液体体系中阴阳离子的配位结构,减弱阴阳离子之间的相互作用。伞形采样算法结果表明,ACN可以有效降低离子进入电极孔内的能垒。基于传输线模型的跨尺度分析框架得到的电化学性能曲线与电化学实验测量得到的结果均吻合良好,这也反映出这套跨尺度分析框架的正确性以及模拟计算结果的准确性。

关键词：超级电容器导电有机金属骨架离子液体传输线模型跨尺度模拟