基于CFD的内构件强化内循环流化床流场结构

基于Fluent的某滑阀内部流场仿真与分析张静;高东玲;王晓辉【摘要】基于Fluent流场仿真软件,对某滑阀内部流场进行数值模拟和可视化研究.在相同计算条件下,分别对不同阀口开度下的三维模型进行稳态模拟仿真,得到滑阀内部流场的速度压力、流量特性以及流量系数的变化规律:在相同的压差条件下,随着阀口开度的增大,阀口处的最大速度、流场的最低压力、流量系数都随之降低.通过改变节流槽的形状进行仿真比较,得到流量系数与节流槽截面形状密切相关,在阀口开度相同的条件下,随着进出口压差的增大,半圆形节流槽滑阀的流量系数变化比较明显.研究为滑阀的优化提供了有效数据,并且对同类型产品的相关研究具有一定参考价值.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P56-59)【关键词】滑阀;流速压力;压力流量特性;流量系数;半圆形节流槽【作者】张静;高东玲;王晓辉【作者单位】兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TH137引言液压阀是液压系统中非常重要的元件，主要通过控制流体的压力、流量和流动方向来满足工作要求，使各类执行元件实现不同的动作[1]。

液压控制阀的内部结构比较复杂，主要由阀体、阀芯、操纵控制机构等主要零部件组成。

滑阀类的阀芯是圆柱形，通过阀芯在阀体孔内的滑动来改变液流通路开口的大小，以实现对液流压力、流量及方向的控制。

非全周开口滑阀具有水力半径大，抗阻塞的特点，其流量范围大，易得到较小的稳定流量，在液压比例阀和伺服阀中得到了广泛应用[2]，节流槽滑阀的特性分析对液压阀的性能提升起着很重要的作用。

近几年随着计算机科学技术的不断发展以及计算流体力学理论的丰富。

人们借助CFD技术对液压阀复杂内部流场进行数值模拟和可视化分析，成为液压领域的热点。

本文网址：/cn/article/doi/10.19693/j.issn.1673-3185.03028期刊网址：引用格式：刘维勤, 张亚强, 夏天禹, 等. 基于CFD−非线性有限元双向耦合的集装箱船波浪下结构崩溃数值仿真[J]. 中国舰船研究, 2023, 18(6): 134–142.LIU W Q, ZHANG Y Q, XIA T Y, et al. Numerical simulation of structural collapse of container ship in waves based on two-way coupling of CFD nonlinear FEM[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2023, 18(6): 134–142.基于CFD−非线性有限元双向耦合的集装箱船波浪下结构崩溃数值仿真扫码阅读全文刘维勤1，张亚强1，夏天禹1，陆晔2，杨萌3，吴卫国4，宋学敏*11 武汉理工大学 船海与能源动力工程学院，湖北 武汉 4300632 中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 2140823 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 4300644 武汉理工大学 绿色智能江海直达船舶与邮轮游艇研究中心，湖北 武汉 430063摘 要:［目的］充分考虑载荷非线性和物面非线性因素的影响，研究集装箱船在波浪下结构响应及动态结构崩溃模式。

［方法］首先，基于CFD 平台建立船舶水动力模型，采用重叠网格法实现船体水动力模型动边界网格与远场流体域的欧拉网格间的匹配，在流体全域内采用流体体积法模拟自由面非线性，在流场全域内求解三维N–S 方程，实时求解非线性波浪载荷；然后，建立可模拟船舯崩溃行为的船舶非线性有限元模型，基于显式动力学非线性有限元法计算包含塑性和屈曲的时域崩溃响应；最后，实现水动力模型与结构有限元模型在湿表面上的流体压力和节点位移的传递，以此进行CFD 求解器与非线性有限元求解器间的双向迭代耦合，并实时计算4 600 TEU 集装箱船结构崩溃过程中的非线性波浪载荷和结构崩溃响应。

循环流化床多尺度传质模型和CFD模拟的开题报告一、题目：循环流化床多尺度传质模型和CFD模拟二、研究背景循环流化床被广泛应用于化工、环保、粉末冶金等领域。

其具有高效传质、催化、易于连续化等优点，已成为化工行业中不可缺少的基础设施。

然而，循环流化床中存在着多尺度传质过程，传质过程复杂，需要更为精确的模型和仿真方法。

因此，本课题旨在建立循环流化床多尺度传质模型，并进行CFD模拟，以深入研究循环流化床多尺度传质规律，为循环流化床的运行优化和新型循环流化床的设计提供理论支持。

三、研究内容1. 建立循环流化床多尺度传质模型通过分析循环流化床内的流体力学、热传输、物质传输等过程，建立循环流化床多尺度传质模型，包括鼓泡层内的传质模型、毛细层内的传质模型、颗粒层内的传质模型等。

2. CFD模拟循环流化床内多尺度传质过程利用ANSYS Fluent等软件，建立循环流化床的CFD模型及网格，求解循环流化床内多尺度传质过程的数值解，得出循环流化床内温度、浓度等场和粒子的运动轨迹等信息。

3. 试验验证通过循环流化床实验验证所建立的循环流化床多尺度传质模型和CFD模拟结果的准确性。

四、研究意义本课题的研究成果将为循环流化床内多尺度传质过程的理解提供理论支持，为循环流化床优化运行、工艺改进提供科学依据；同时，将为新型循环流化床的设计提供参考，推动循环流化床技术的发展和应用。

五、研究方法1. 理论研究法：分析循环流化床的多尺度传质过程，建立相应的数学模型。

2. CFD数值模拟法：利用ANSYS Fluent等软件，建立循环流化床的CFD模型及网格，求解循环流化床内多尺度传质过程的数值解。

3. 实验方法：采用循环流化床实验验证所建立的循环流化床多尺度传质模型和CFD模拟结果的准确性。

六、进度安排第一年：1.收集文献，研究循环流化床内多尺度传质过程的机理和模型；2.建立循环流化床多尺度传质模型；3.进行CFD模拟。

4.进行初步的数学模型和CFD模拟结果的分析和讨论。

第４１卷第６期Ｖｏｌ．４１Ｎｏ．６２０２０青岛理工大学学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｉｎｇｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ基于犆犉犇的某变频发电机组流场数值模拟谭礼斌１，２，袁越锦１，黄　灿２，唐　琳２（１．陕西科技大学机电工程学院，西安７１００２１；２．隆鑫通用动力股份有限公司技术中心，重庆４０００３９）摘　要：为研究某变频发电机组流场特性，基于ＣＦＤ方法，采用ＳＴＡＲ ＣＣＭ＋１１．０６流体仿真软件对某变频发电机组整机外流场进行数值模拟，并研究变频器外壳与风扇罩、拉盘间隙对风量分布的影响．结果表明变频发电机组原模型的总进风量最大，变频器风量最小，变频器散热存在风险；变频器外壳与风扇罩、拉盘间的间隙减小，风扇风阻增大，总进风量减小，变频器及变频器侧的电机（电机１）的风量及表面平均风速明显增大．间隙尺寸的合理设计可以平衡风扇进风量和变频器风量，保证整机散热的合理性．出口端的电机（电机２）的循环风和新鲜冷却风的占比要合适，为保证电机２的散热，建议保留原机组风扇２的出风口结构设计．发电机组整机流场特性的评估分析及风量分配影响因素探究结果可为发电机组产品的结构改进与风量匹配提供理论支撑．关键词：变频发电机组；数值模拟；流场特性；间隙；合理匹配中图分类号：ＴＫ７３０．２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３ ４６０２（２０２０）０６ ０１４３ ０８收稿日期：２０２０ ０７ ３１基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１８７６１０９）；国家“十三五”重点研发计划项目子课题（２０１７ＹＦＤ０４００９０２ １）；陕西省国际科技合作计划重点项目（２０２０ＫＷＺ ０１５）作者简介：谭礼斌（１９９１ ），男，重庆永川人．博士研究生，工程师，主要从事热能工程及流体力学方面的研究．Ｅｍａｉｌ：１３６４９７９９３０＠ｑｑ．ｃｏｍ．犖狌犿犲狉犻犮犪犾狊犻犿狌犾犪狋犻狅狀狅犳犳犾狅狑犳犻犲犾犱犳狅狉犳狉犲狇狌犲狀犮狔犮狅狀狏犲狉狊犻狅狀犵犲狀犲狉犪狋狅狉狌狀犻狋犫犪狊犲犱狅狀犆犉犇ＴＡＮＬｉ ｂｉｎ１，２，ＹＵＡＮＹｕｅ ｊｉｎ１，ＨＵＡＮＧＣａｎ２，ＴＡＮＧＬｉｎ２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００２１，Ｃｈｉｎａ；２．ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｅｎｔｅｒ，ＬｏｎｃｉｎＭｏｔｏｒＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００３９，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｂａｓｅｄｏｎＣＦＤｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆａｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｎｉｔｉｓｎｕ ｍｅｒｉｃａｌｌｙｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｆｌｕｉｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅＳＴＡＲ ＣＣＭ＋１１．０６，ａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｃｌｅａｒａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓｈｅｌｌ，ｆａｎｃｏｖｅｒａｎｄｐｕｌｌｐｌａｔｅｏｎｔｈｅａｉｒｆｌｏｗｄｉｓｔｒｉｂｕ ｔｉｏｎａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔｏｔａｌａｉｒｉｎｌｅｔｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｎｉｔｗｉｔｈｏｒｉｇｉｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｔｈｅｌａｒｇｅｓｔ，ｂｕｔｔｈｅａｉｒｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｔｅｒｉｓｔｈｅｓｍａｌｌｅｓｔ，ｓｏｔｈｅｒｅｉｓｒｉｓｋｏｆｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｆｏｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｈｅｃｌｅａｒａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓｈｅｌｌ，ｔｈｅｆａｎｃｏｖｅｒａｎｄｔｈｅｐｕｌｌｐｌａｔｅｄｅｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅｆａｎｗｉｎｄｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅｔｏｔａｌｉｎｌｅｔａｉｒｑｕａｎｔｉｔｙｄｅｃｒｅａｓｅｓ，ａｎｄｔｈｅａｉｒｑｕａｎｔｉｔｙａｎｄｔｈｅｓｕｒｆａｃｅａｖｅｒａｇｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｔｈｅｆｒｅ ｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｔｅｒａｎｄｔｈｅｍｏｔｏｒｏｎｉｎｖｅｒｔｅｒｓｉｄｅ（ｍｏｔｏｒ１）ｉｎｃｒｅａｓｅｓ．Ｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｌｅａｒａｎｃｅｓｉｚｅｃａｎｂａｌａｎｃｅｔｈｅａｉｒｆｌｏｗｏｆｔｈｅｆａｎａｎｄｔｈｅａｉｒｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ａｎｄｅｎｓｕｒｅｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｍａｃｈｉｎｅ．Ｔｈｅｐｒｏ青岛理工大学学报第４１卷ｐｏｒｔｉｏｎｏｆｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇａｉｒａｎｄｆｒｅｓｈｃｏｏｌｉｎｇａｉｒｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒａｔｏｕｔｌｅｔｓｉｄｅ（ｍｏｔｏｒ２）ｓｈｏｕｌｄｂｅａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｈｅａｔｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｏｆｍｏｔｏｒ２，ｉｔｉｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｏｋｅｅｐｔｈｅｏ ｒｉｇｉｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆａｉｒｏｕｔｌｅｔｏｆｆａｎ２ｏｆｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｎｉｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｅｖａｌｕａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｉｒｑｕａｎｔｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎ ｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔａｎｄａｉｒｑｕａｎ ｔｉｔｙｍａｔｃｈｉｎｇｆｏｒｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｎｉｔ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｎｉｔ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｃｈａｒａｃｔｅｒ ｉｓｔｉｃｓ；ｃｌｅａｒａｎｃｅ；ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｍａｔｃｈｉｎｇ发电机组作为一种备用发电的动力机械，目前在高校、商场及中小型超市等公共场所运用广泛．发电机组在开发设计过程中，机组散热性能是重点关注的问题之一．发电机组散热性能的好坏直接影响产品性能或产品运行状况．随着计算机仿真技术的迅速发展及广泛运用，基于虚拟仿真开发平台快速评估产品性能已经成为工程机械研究与开发的一个发展趋势［１ ３］．陈国平等［４］通过ＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍ ｉｃｓ，计算流体动力学）分析获得了机组流速及压力场分布，为产品性能评估提供了数据支撑．戚中浩等［５］利用流体分析软件ＮＵＭＥＣＡ对机组机舱外流场进行了流场数值模拟分析，探究了空气进出口位置对实验测量结果的影响．利用ＣＦＤ数值模拟方法对发电机组内部流场进行数值模拟分析，可快速获得相应的速度及压力等流场细节信息，为产品性能的评估提供理论支撑．基于此，本文利用ＣＦＤ分析软件对某开架变频发电机组流场进行数值模拟分析，研究变频器及电机流场分布的合理性，并探究变频器外壳与风扇罩、拉盘的间隙对流场分布的影响，为发电机组流场优化提供理论参考及仿真数据支撑．１　发电机组流场的犆犉犇分析１．１　物理模型某变频发电机组三维模型采用ＣＡＴＩＡ２０１４软件按照１∶１比例建模，如图１所示．发电机组主要零部件包括发动机主体、电机、变频器、冷却风扇、油箱、机架、消声器、空滤器等．采用流体分析软件ＳＴＡＲ ＣＣＭ＋１１．０６中多面体网格和边界层网格生成技术对整机模型进行网格划分，对局部区域（冷却风道、风扇及电机等重要气流流经部件）进行局部网格加密，网格划分完成后数量约为１０００万个．经网格无关性验证，１０００万个网格可以获得较准确的风量预测值．若网格数量较少，出口格栅、发动机散热片、风扇与风扇罩间隙等小尺寸网格质量较差；网格数量大于１０００万个，计算时间耗时会越来越长．本文计算采用１６核计算机求解，耗时约１２ｈ．该机组网格及计算域网格如图２所示．发电机组原模型变频器外壳与拉盘、风扇罩间存在间隙，为了研究间隙（变频器外壳与拉盘间隙、变频器外壳与风扇罩间隙）、风扇２出口位置等结构对风量分配的影响，设计了３种不同的模型方案，如图３所示．其中方案１为连接变频器外壳与风扇罩１间间隙；方案２为连接变频器外壳与风扇罩１间间隙，且风扇２出口加挡板；方案３为连接变频器外壳与拉盘１间间隙，且风扇２出口加挡板．图１　变频发电机组三维模型示意４４１第６期 谭礼斌，等：基于ＣＦＤ的某变频发电机组流场数值模拟图２　变频发电机组网格模型示意图３　原模型及３种结构方案示意１．２　数学模型及边界条件本文假设变频发电机组内气流流动状态为稳态流动，流体介质为不可压缩流体，整个流动过程不考虑热量交换，因此数值计算中只针对流体连续性方程、动量方程进行求解［６ ７］．湍流计算模型选择犽 ε两方程湍流模型，压力、速度耦合采用ＳＩＭＰＬＥ算法，采用压力基求解器（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｂａｓｅｄ）求解［８］．壁面函数选取ＳＴＡＲ ＣＣＭ＋１１．０６软件中推荐的Ｔｗｏ ＬａｙｅｒＡｌｌｙ＋ＷａｌｌＴｒｅａｔｍｅｎｔ．发电机组流场模拟分析需要的相关边界条件设置如下：１）旋转域．风扇的旋转采用ＭＲＦ（ＭｏｖｉｎｇＲｅｆｅｒｅｎｃｅＦｒａｍｅ，旋转参考坐标系）实现．２个风扇的转速都为３６００ｒ／ｍｉｎ．２）流体域．消声器入口流量为２０ｇ／ｓ（质量流量入口）；空滤器出口流量为２０ｇ／ｓ；虚拟计算域入口边５４１青岛理工大学学报第４１卷图４　计算域示意界为滞止入口（ＳｔａｇｎａｔｉｏｎＩｎｌｅｔ），出口边界为压力出口（ＰｒｅｓｓｕｒｅＯｕｔｌｅｔ）．实验测试环境温度为２８℃；流体属性选择为标准大气压下空气，定压比热容为１００３．６２Ｊ／（ｋｇ·Ｋ），导热系数为０．０２７Ｗ／（ｍ·Ｋ），动力黏度为１．８５×１０－５Ｐａ·ｓ．计算流体域及边界示意如图４所示．ＳＴＡＲ ＣＣＭ＋流体计算软件运行时，通过自动耦合求解连续性方程、犖 犛方程及犽 ε两方程湍流模型方程等数学模型方程，计算完成后即可获得相应的流场细节信息．２　犆犉犇计算结果分析２．１　风量分布变频发电机组风量分配对比分析如图５所示，其中方案１主要是研究变频器与风扇罩１间间隙对风量分配的影响；方案２主要是在方案１基础上研究加挡板之后风量分配的变化；方案３主要是研究变频器与拉盘间间隙对风量分配的影响．由图５可以看出：１）原模型下风扇１的总风量最大，但进入变频器的总风量最小．风扇１的总风量随着变频器外壳与风扇罩１之间的间隙变小而减小，而进入变频器的总风量随着变频器外壳与风扇罩１之间的间隙变小而增大．造成这种现象的原因是间隙减小，造成风扇前端的风阻增大，从而导致进入风扇的总风量减小，而前端压力的增加，会引起更多的风从变频器进风口吸入，从而使进入变频器的总风量增加．相比原模型，方案１与方案２中风扇１总风量下降３３％，而变频器风量增加４７％；方案３中风扇１总风量下降１３％，而变频器风量增加３５％，所以变频器外壳与风扇罩１之间的间隙大小是影响风扇１总风量与变频器总风量的关键因素．２）各方案风扇２的总风量均非常小，但吹向电机２线圈的风量明显比风扇２的总进风量大４０％～６０％，说明吹向电机２线圈的新鲜冷风大约只有一半，其他都是在风扇２里循环回流的风．对比方案１与方案２，加挡板使风扇２总进风量减小，其他几乎没有改变．２．２　速度分布原模型及各方案下变频器表面速度分布云图如图６所示．从图６可以看出，原模型对应的变频器表面速度分布最差，散热性能不好．原模型下变频器的表面平均风速仅为０．８６ｍ／ｓ．方案１及方案２对应的变频器表面速度分布更好且相对比较均匀，方案１对应的变频器平均风速为２．２３ｍ／ｓ，方案２对应的变频器平均风速为２．２１ｍ／ｓ．连接变频器外壳与风扇罩１间的间隙，可以大幅度地提升变频器表面平均速度，但同时也会对风扇入风总风量造成很大影响．方案３对应的变频器表面速度分布比原模型略好，平均风速为１．６５ｍ／ｓ．图７为原模型及各方案下电机１的表面速度分布云图．图８为电机表面平均风速对比．综合图５—８可以看出，方案１、方案２、方案３中电机１在风量、表面平均风速以及分布均匀性上均好于原模型，其中方案１、方案２中电机１的风量增加２５％，方案３中电机１的风量增加１１％．方案１、方案２、方案３中电机２的表面平均风速好于原模型．因此，通过减小变频器与拉盘、风扇罩间的间隙，可以提升进入变频器风量的同时，也可以提升电机表面速度分布．然而，间隙减小，风扇前端的进风阻力增大，导致进入风扇的总进风量都比原模型的风量小．６４１第６期 谭礼斌，等：基于ＣＦＤ的某变频发电机组流场数值模拟图６　变频器表面速度分布云图图７　电机１表面速度分布云图７４１青岛理工大学学报第４１卷 发动机冷却风道截面示意及各截面风量对比如图９、图１０所示．从图１０可以看出，缸头火花塞侧、箱体火花塞侧高温区域的风量分布相对挺柱侧的风量分布更大，有利于火花塞及其附近高温区域的冷却．原模型下各截面的风量分布最大，其原因是进入系统的总风量值（风扇入口风量）越大，分配到发动机冷却风道上的风量基本就越大．方案１和方案２下各冷却风道风量分布基本一致．方案３在火花塞侧区域的风量分布略高于方案１和方案２，在挺柱侧区域的风量分布则低于方案１和方案２．发动机冷却风道截面速度分布云图如图１１所示．整体速度分布趋势基本一致，原模型的速度分布最好，其次为方案３，方案１和方案２的速度分布基本一致．该速度分布趋势与冷却风道的风量分布是保持一致的．图９　发动机冷却风道截面示意２．３　改进建议根据原模型和３种方案的流场对比分析，可以得出发电机组原模型的风扇进风量最大，进入变频器的风量最小，说明变频器的散热存在一定风险．风扇１的总风量随着变频器外壳与风扇罩１之间的间隙变小而减小，而进入变频器的总风量随着变频器外壳与风扇罩１之间的间隙变小而增大．电机１的风量随变频器外壳与风扇罩１之间的间隙变小而增大．因此减小间隙提升变频器和电机风量的同时，会造成系统整体冷却风量的降低．风扇２出风口处添加挡板后，风扇２总进风量减小，但电机２风量的减小并不明显，且电机２内部循环风占电机２冷却风量的比值提升至６５％，电机２的散热风险进一步加大．从流场分布来看，各方案变频器、电机１、电机２上的速度分布均比较均匀（差异为速度大小），不存在速度死区，流场分布也较好．８４１第６期 谭礼斌，等：基于ＣＦＤ的某变频发电机组流场数值模拟图１１　发动机冷却风道截面速度分布云图针对发电机组原模型，若要提升其散热性能，建议调整变频器外壳与风扇罩１之间的间隙以平衡风扇１风量和变频器风量，在保证进风量的同时提升变频器风量；同时建议风扇２出风口保留原模型的结构不变，从而保证进入电机２新鲜冷却风量的占比．针对同类型的发电机组，上述提升机组散热性能的改进建议同样满足．３　结论利用ＳＴＡＲ ＣＣＭ＋对某变频发电机组原模型和３种结构方案进行了流场数值模拟，对比分析了发电机组的风量分配规律及其间隙尺寸对风量分布的影响，以期为相应的结构设计提供理论支撑．依据流场分析结果及间隙尺寸研究可以得出如下结论：１）原模型风扇进风量最大，进入变频器的风量最小，变频器的散热存在一定风险；可通过提升进入变频器的风量来进行改善．２）变频器外壳与风扇罩、拉盘间的间隙对风量分布影响较大，风扇总风量随变频器外壳与风扇罩之间的间隙变小而减小，而变频器总风量随变频器外壳与风扇罩间间隙变小而增大；电机风量则随变频器外壳与风扇罩间间隙变小而增大．在进行间隙尺寸设计时，要合理设计变频器外壳与风扇罩的间隙，平衡风扇进风量和变频器风量，在保证进风量的同时提升变频器风量．３）电机２内部循环风和新鲜冷却风基本各占一半，为保证新鲜冷却风的风量，建议风扇２保留原模型的结构不变，从而保证进入电机２新鲜冷却风量的占比．９４１青岛理工大学学报第４１卷参考文献（犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊）：［１］　钱娟，王东方，缪小东，等．基于ＣＦＤ的汽车外流场数值模拟及优化［Ｊ］．制造业自动化，２０１６，３８（４）：７４ ７６．ＱＩＡＮＪｕａｎ，ＷＡＮＧＤｏｎｇ ｆａｎｇ，ＭＩＡＯＸｉａｏ ｄｏｎｇ，ｅｔａｌ．ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｍｏｄｅｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｃａｒｂｏｄｙｂａｓｅｄｏｎＣＦＤ［Ｊ］．ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，２０１６，３８（４）：７４ ７６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［２］　ＲＹＮＥＬＬＡ，ＣＨＥＶＡＬＩＥＲＭ，ＡＢＯＭＭ，ｅｔａｌ．Ａｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｔｕｄｙｏｆｎｏｉｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｒｉｇｉｎａｔｉｎｇｆｒｏｍａｓｈｒｏｕｄｅｄｓｕｂｓｏｎｉｃａｕｔｏ ｍｏｔｉｖｅｆａｎ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＡｃｏｕｓｔｉｃｓ，２０１８，１４０：１１０ １２１．［３］　ＢＥＲＮＩＦ，ＣＩＣＡＬＥＳＥＧ，ＦＯＮＴＡＮＥＳＩＳ．Ａｍｏｄｉｆｉｅｄｔｈｅｒｍａｌｗａｌｌｆｕｎｃｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｇａｓ ｔｏ ｗａｌｌｈｅａｔｆｌｕｘｅｓｉｎＣＦＤｉｎ ｃｙｌ ｉｎｄｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｐａｒｋ ｉｇｎｉｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＴｈｅｒｍａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７，１１５：１０４５ １０６２．［４］　陈国平，税一晋．基于ＣＦＤ的发电机组内部空间流场分析研究［Ｊ］．移动电源与车辆，２０１３（４）：１３ １９．ＣＨＥＮＧｕｏ Ｐｉｎｇ，ＳＵＩＹｉ Ｊｉｎ．Ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｆｉｅｌｄｆｌｏｗｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｓｉｄｅｇｅｎ ｓｅｔｃａｎｏｐｙｂａｓｅｄｏｎＣＦＤｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｍｏｖ ａｂｌｅＰｏｗｅｒａｎｄＳｔａｔｉｏｎＶｅｈｉｃｌｅ，２０１３（４）：１３ １９．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［５］　戚中浩，赵萍，李杰，等．２ＭＷ风力发电机组机舱外流场分析［Ｊ］．东方汽轮机，２０１２（３）：１２ １５．ＱＩＺｈｏｎｇ ｈａｏ，ＺＨＡＯＰｉｎｇ，ＬＩＪｉｅ，ｅｔａｌ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄａｒｏｕｎｄｔｈｅｎａｃｅｌｌｅｏｆ２ＭＷｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ［Ｊ］．ＤａｎｇｆａｎｇＴｕｒｂｉｎｅ，２０１２（３）：１２ １５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［６］　ＺＨＡＮＧＣ，ＵＤＤＩＮＭ，ＲＯＢＩＮＳＯＮＣ，ｅｔａｌ．ＦｕｌｌｖｅｈｉｃｌｅＣＦＤｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆｒｏｎｔ ｅｎｄｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｎｒａｄｉａｔｏｒｐｅｒ ｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃｏｏｌｉｎｇｄｒａｇ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＴｈｅｒｍａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１８，１３０：１３２８ １３４０．［７］　谭礼斌，袁越锦，徐英英，等．基于ＳＴＡＲ ＣＣＭ＋的某低速电动车用散热器数值模拟分析［Ｊ］．陕西科技大学学报，２０２０，３８（３）：１４５ １５２．ＴＡＮＬｉ ｂｉｎ，ＹＵＡＮＹｕｅ ｊｉｎ，ＸＵＹｉｎｇ ｙｉｎｇ，ｅｔａｌ．ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｒａｄｉａｔｏｒｆｏｒａｌｏｗｓｐｅｅｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｖｅｈｉｃｌｅｂａｓｅｄｏｎＳＴＡＲ ＣＣＭ＋［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２０，３８（３）：１４５ １５２．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［８］　付珊，郭健翔，徐文，等．生物安全柜流动噪声的数值模拟［Ｊ］．青岛理工大学学报，２０１５，３６（６）：８７ ９２．ＦＵＳｈａｎ，ＧＵＯＪｉａｎ ｘｉａｎｇ，ＸＵＷｅｎ，ｅｔａｌ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｌｏｗｎｏｉｓｅｏｆｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｓａｆｅｔｙｃａｂｉｎｅｔｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｉｎｇｄａｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１５，３６（６）：８７ ９２．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）（责任编辑　赵金环）（上接第９５页）［１５］　王超，李淑娟，柴鹏，等．单晶ＳｉＣ微切削机理分子动力学建模与仿真研究［Ｊ］．兵工学报，２０１８，３９（８）：１６４８ １６５４．ＷＡＮＧＣｈａｏ，ＬＩＳｈｕ ｊｕａｎ，ＣＨＡＩＰｅｎｇ，ｅｔａｌ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｍｉｃｒｏ ｃｕｔｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌＳｉＣｂｙｍｏｌｅｃｕｌａｒｄｙｎａｍｉｃｓ［Ｊ］．ＡｃｔａＡｒｍａｍｅｎｔａｒｉｉ，２０１８，３９（８）：１６４８ １６５４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１６］　ＺＨＵＰｅｎｇ ｚｈｅ，ＱＩＵＣｈｅｎ，ＦＡＮＧＦｅｎｇ ｚｈｏｕ，ｅｔａｌ．Ｍｏｌｅｃｕｌａｒｄｙｎａｍｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｎａｎｏｍｅｔｒｉｃｃｕｔｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆａｍｏｒｐｈｏｕｓａｌｌｏｙ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＳｕｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ，２０１４，３１７：４３２ ４４２．［１７］　ＢＯＮＮＹＧ，ＴＥＲＥＮＴＹＥＶＤ，ＰＡＳＩＡＮＯＴＲＣ，ｅｔａｌ．Ｉｎｔｅｒａｔｏｍｉｃｐｏｔｅｎｔｉａｌｔｏｓｔｕｄｙｐｌａｓｔｉｃｉｔｙｉｎｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｓ：ＴｈｅＦｅＮｉＣｒｍｏｄｅｌａｌｌｏｙ［Ｊ］．ＭｏｄｅｌｌｉｎｇａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，１９（８）：０８５００８．ＤＯＩ：１０．１０８８／０９６５ ０３９３／１９／８／０８５００８．［１８］　言兰．基于单颗磨粒切削的淬硬模具钢磨削机理研究［Ｄ］．长沙：湖南大学，２０１０：２９ ３０．ＹＡＮＬａｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｇｒｉｎｄｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｈａｒｄｅｎｅｄｃｏｌｄ ｗｏｒｋｄｉｅｓｔｅｅｌｂａｓｅｄｏｎｓｉｎｇｌｅｇｒａｉｎｃｕｔｔｉｎｇ［Ｄ］．Ｃｈａｎｇｓｈａ：ＨｕｎａｎＵｎｉ ｖｅｒｓｉｔｙ，２０１０：２９ ３０．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１９］　ＬＥＷＩＳＪ，ＳＣＨＷＡＲＺＥＮＢＡＣＨＤ，ＦＬＡＣＫＨＤ，Ｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｇｒａｄｉｅｎｔｓａｎｄｃｈａｒｇｅｄｅｎｓｉｔｙｉｎｃｏｒｕｎｄｕｍａｌｐｈａ Ａｌ２Ｏ３［Ｊ］．ＡｃｔａＣｒｙｓ ｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃａＳｅｃｔｉｏｎＡ，１９８２，３８：７３３ ７３９．［２０］　王健全，田欣利，唐修检，等．面向工程陶瓷的单颗金刚石磨粒划擦磨损规律［Ｊ］．金刚石与磨料磨具工程，２０１２，３２（３）：１ ６．ＷＡＮＧＪｉａｎ ｑｕａｎ，ＴＩＡＮＸｉｎ ｌｉ，ＴＡＮＧＸｉｕ ｊｉａｎ，ｅｔａｌ．Ｗｅａｒｒｕｌｅｏｆｓｉｎｇｌｅｄｉａｍｏｎｄｇｒｉｔｗｈｅｎｓｃｒａｔｃｈｉｎｇｏｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃｅｒａｍｉｃｓ［Ｊ］．Ｄｉａｍｏｎｄ＆ＡｂｒａｓｉｖｅｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１２，３２（３）：１ ６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［２１］　ＤＡＷＭＳ，ＦＯＩＬＥＳＳＭ，ＢＡＳＫＥＳＭＩ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｅｍｂｅｄｄｅｄ ａｔｏｍｍｅｔｈｏｄ：Ａｒｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅｏｒｙａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅＲｅｐｏｒｔｓ，１９９３，９（７／８）：２５１ ３１０．（责任编辑　赵金环）０５１。

基于CFD的强化裂解炉管设计柏德鸿;宗原;赵玲【摘要】通过计算流体力学（CFD）的方法，将丙烷裂解反应动力学与流动方程、能量方程耦合，考察了在普通裂解炉管中加装中空立交盘（hollow cross-disk, HCD）内构件对管内流动及裂解反应的影响。

结果发现，HCD内构件通过壁面几何形状变化重布了流场结构，以合理的压力损失为代价产生径向速度，并诱导产生纵向涡剪切破坏边界层，强化了流体的湍动程度，降低热阻，提高了温度分布均匀性。

相比于普通炉管，加入中空立交盘后，裂解管丙烷转化率提高7.24%，烯烃选择性提高3.67%，乙烯收率降低0.87%，但丙烯收率大幅上升16.50%，烯烃总收率上升6.94%。

此外发现，纵向涡产生的径向流动促进了近壁区高温流体和管中心区相对低温流体的换位，流体温度最高下降了0.7℃；与普通炉管相比，新型裂解管出口处重组分浓度下降了28.33%，说明加入中空立交盘可防止近壁面高温区域过度裂解，有助于抑制结焦。

在此基础上，结合模拟所得的场分布数据，定量分析了HCD强化传热和传质的机理，并就阻力损失和强化效果做出综合评价。

%Computational fluid dynamics (CFD) method was employed to study the effect of a novel internal-hollow cross disk (HCD) on flow and cracking in coil by coupling flow and energy equations with cracking reaction kinetics. Simulation results implied that geometrical structure change of inner wall surface by HCD embedment in cracking coil re-distributed patterns of flow field and strengthened radial velocity at reasonable pressure loss. The resulting longitude vortex disrupted flow boundary layer and improved near-wall turbulence, which in turn reduced thermal resistance and enhanced homogeneity of temperature distribution.Compared to regular cracking coils, the coil with HCD modification increased C3H8 conversion by 7.24%, olefin selectivity by 3.67%, and overall olefin yield by 6.94%which C2H4 yield had a slight decrease of0.87%while C3H6 yield had a notable rise of 16.50%. Moreover, radial velocity from longitudinal vortex was found to promote exchange of near-wall high-temperature fluid to central low-temperature fluid with maximum temperature difference between fluids of 0.7℃. At the outlet, concentration of coking component of C6 and higher, was found decreased by 28.33%in coil with HCD than that in counterpart, indicating that HCD introduction could prevent near-wall high temperature and over-cracking and inhibit occurrence of coking. HCD strengthening mechanisms on heat and mass transfer were quantitatively analyzed and an overall evaluation was performed with consideration of pressure loss and performance improvement.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2017(068)002【总页数】10页(P660-669)【关键词】裂解炉管;流场结构;反应流;计算流体力学【作者】柏德鸿;宗原;赵玲【作者单位】化学工程联合国家重点实验室，华东理工大学，上海 200237;化学工程联合国家重点实验室，华东理工大学，上海 200237;化学工程联合国家重点实验室，华东理工大学，上海 200237【正文语种】中文【中图分类】TQ021.1乙烯工业是石油化学工业的龙头，管式裂解炉是生产乙烯的主要设备，其能耗占总能耗的50%～60%[1]。

基于CFD技术的管道过滤器内部流场模拟及其结构优化设计巴鹏;房元灿;谭效武【摘要】采用计算流体动力学(简称CFD)方法对XYZ-100稀油站所使用的2FXG-32型过滤器内流场进行模拟分析,并根据模拟结果对过滤器结构进行优化.结果表明,经过结构优化后的过滤器减小了漩涡、死水区等水流状况,减少了能量损失;增大了有效过滤面积,提高了过滤效率;优化后过滤器结构紧凑,降低了生产和制造成本.%Internal flow field features of 2FXG-32 filter for XYZ-100 lubricant machine was analyzed by using CFD.Structure optimization for filter was carried out based on the results of simulation. The results indicate that the flow phenomenon such as whirlpool and stagnant water zones is decreased, the loss of energy is reduced, the filtration area is increased effectively and the filtration efficiency is improved. The simulated filter has compact structure, the cost of production and manufacture is reduced.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2011(036)004【总页数】4页(P98-101)【关键词】过滤器;数值模拟;CFD;流场分析;结构优化【作者】巴鹏;房元灿;谭效武【作者单位】沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳,110159;沈阳理工大学机械工程学院,辽宁沈阳,110159;伊威泰克太阳能设备(沈阳)有限公司,辽宁沈阳,110179【正文语种】中文【中图分类】TH117.2过滤器是XYZ-100型稀油站管路系统中重要的液压元件[1],目前在管路过滤器这一行业还没有一套严格的国家标准,在过滤器的设计中,基本上还是依据传统设计方法和经验设计产品,不注重内部结构中的压头损失及过滤效率研究。

《基于计算流体力学的膜生物反应器流场计算与结构优化》一、引言膜生物反应器（Membrane Bioreactor，MBR）作为一种新型的污水处理技术，其核心优势在于高浓度的污泥负荷和低排放的优点。

流场分布的合理性对MBR的性能有着显著影响，因此，对MBR的流场进行精确计算与结构优化显得尤为重要。

本文旨在基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）对膜生物反应器的流场进行计算，并进一步进行结构优化。

二、计算流体力学基础计算流体力学是一种通过计算机模拟流体流动、传热和质量传递等物理现象的技术。

在MBR的流场计算中，CFD可以模拟复杂的三维流场，通过求解Navier-Stokes方程和湍流模型等基本物理定律，实现对MBR内流体流动特性的定量分析。

三、膜生物反应器流场计算首先，构建MBR的三维模型。

然后根据实验条件设置模型的初始参数和边界条件，包括进水流速、出口压力等。

在求解过程中，选用适当的湍流模型，如k-ε模型或大涡模拟模型（LES）等，来模拟流体的流动过程。

通过对模型的数值计算，得到MBR内部详细的流场分布信息。

分析流体在反应器中的速度、压力和浓度分布情况，进而判断流场的均匀性和稳定性。

同时，还可以通过分析流体的剪切力分布情况，评估膜的受力和磨损情况。

四、结构优化策略根据流场计算结果，提出以下结构优化策略：1. 优化进水和出水口的设计：通过对进水和出水口的位置、尺寸和角度进行调整，优化进出水流量分配和流动方向，从而提高流场的均匀性和稳定性。

2. 增加搅拌装置：在反应器中增加搅拌装置，如机械搅拌或气升式搅拌等，以增强流体在反应器中的混合程度，提高传质效率。

3. 优化膜组件布局：调整膜组件的排列方式和间距，以改善膜表面的剪切力分布，减少膜的磨损和堵塞现象。

4. 优化反应器结构：对反应器的几何形状、高度和直径等参数进行优化，以提高流体在反应器内的流通效率和处理效果。

基于CFD的汽车空调系统内部流场分布模拟一、汽车空调系统概述汽车空调系统是现代汽车舒适性和安全性的重要组成部分，它不仅能够调节车内温度，还能控制湿度、过滤空气，为驾驶员和乘客提供舒适的驾乘环境。

随着汽车工业的发展，人们对汽车空调系统的性能要求越来越高，这促使了空调系统设计的不断优化和创新。

1.1 汽车空调系统的基本组成汽车空调系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器和风机等部件组成。

压缩机负责压缩制冷剂，使其温度和压力升高；冷凝器将高温高压的制冷剂冷却，使其液化；膨胀阀控制制冷剂的流量，使其在蒸发器中迅速膨胀并吸收热量；蒸发器是制冷剂吸热的主要场所，通过吸收周围热量来降低车内温度；风机则负责将冷热空气送入车内。

1.2 汽车空调系统的工作原理汽车空调系统的工作原理基于制冷剂在不同压力和温度下的相变过程。

制冷剂在压缩机中被压缩成高温高压的蒸汽，然后进入冷凝器，通过散热管将热量传递给外界空气，从而液化成高压液态。

液态制冷剂通过膨胀阀节流降压后进入蒸发器，在低压低温下迅速蒸发，吸收周围的热量，使车内空气温度下降。

最后，蒸发后的制冷剂蒸汽被压缩机吸入，完成一个循环。

二、CFD技术在汽车空调系统中的应用计算流体动力学（CFD）技术是一种利用数值方法和算法对流体流动和热传递过程进行模拟的技术。

在汽车空调系统设计中，CFD技术可以帮助工程师预测和分析空调系统内部的流场分布、温度场分布和压力场分布，从而优化系统设计，提高空调性能。

2.1 CFD技术的优势与传统的实验方法相比，CFD技术具有以下优势：- 节省时间和成本：CFD模拟可以在设计阶段预测空调系统的性能，减少实验次数和成本。

- 灵活性高：CFD技术可以模拟各种工况和参数变化，为设计提供更多的选择。

- 细节分析：CFD可以提供空调系统内部的详细流场信息，帮助工程师发现潜在的问题和优化点。

2.2 CFD模拟的步骤CFD模拟通常包括以下步骤：- 几何建模：根据实际空调系统或设计图纸建立三维几何模型。

基于CFD技术的管内流动精细仿真方法孙致月;陈翾;赵世明【摘要】利用数值仿真方法模拟管内流动具有适应性好、高效方便的优势.充分考虑到管道壁面对管内流动的作用,引入湍流双层流动模型分别对近壁面和管道中心流场进行求解.采用增强壁面处理方法描述壁面对流场参数的影响关系,选取了合理的边界条件和计算区域以消除管道物理模型对流场边界的反作用,基于CFD技术发展了一种可对管内流动进行精细模拟的数值方法.通过对典型直管和三维细长管道的计算结果的分析,表明所建立的数值方法准确模拟了管道入口处流场的发展过程,通过对数值计算结果与理论计算结果的对比分析,表明所建立的数值方法正确、模拟精度较高.%Computational fluid dynamics (CFD)is considered as a robust,efficient and convenient meth-od to solve the internal flow field of pipe.In order to simulate the impacts of presence of pipe walls,the two-layer turbulent model was employed to define the near-wall region and fully-turbulent region's flow respectively.The enhanced wall treatment was used to calculate flow field in near-wall region.Proper boundary conditions and simulation region were selected to prevent pipe's structure affecting the bounda-ry conditions reversely,also to achieve more accurate simulation ed these models,an accu-rate computational method of pipe flow was built based on CFD technique.The internal flow field of two kinds of typical pipes,straight pipe and 3D curving pipe,were solved to use the built computational method.The flow field is quantitatively described well,such as the developing process when the fluid j ust flows into pipe.Parts of results can be attained numerically aswell as analytically were compared, and the validity and accuracy of the computational method are proved.【期刊名称】《中北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(038)005【总页数】6页(P599-604)【关键词】管内流动;数值仿真;CFD;精细模拟【作者】孙致月;陈翾;赵世明【作者单位】中国人民解放军 91336 部队,河北秦皇岛 066001;中国人民解放军91336 部队,河北秦皇岛 066001;中国人民解放军 91336 部队,河北秦皇岛066001【正文语种】中文【中图分类】O368管内流动是一类重要的流动形态，它广泛存在于机械、能源、化工、航空航天、船舶等实际工程应用中[1-5]. 管内流动的正向问题是充分了解已有管道的流动及压力损失状态，为管道流动驱动等机构提供设计依据；反向问题则是在已存外部条件下，优化管道结构而获得期望的流动状态和压力损失.研究管内流动的方法主要有理论分析、实验方法和仿真方法. 理论方法基于流动遵循的一般规律求解流动状态，由于求解方程复杂、流动状态多样性致使获得方程解析解较为困难，理论方法求解中往往需要做简化假设，仅能求解简单形状管道如圆管、充分发展流动、粘性作用适中等特殊条件下的管内流动状态，在求解管道能量损失时，仅能在缓变流假设条件下计算管道沿程损失和简单形状的局部损失，对于其它更多的复杂情况则无能为力. 实验方法虽能弥补理论方法的部分劣势，却也存在管内流动参数测量困难、无法测量管内全流场参数等不足，同时还存在实验实施周期长、成本高等显著缺点. 计算流体力学(CFD)技术将求解流动区域采用有限体积或有限元方法网格化处理，并对流动控制方程在各网格上进行差分，采用求解偏微分方程的数值方法求解各控制方程. 相比实验方法，数值仿真方法可以获得全流场参数，并具有理论方法所缺失的适应性强、求解方便等优势，已成为研究流场状态的重要方法，获得了广泛的工程应用. 管内流动的特点是受管道的约束，精细仿真的关键是充分考虑管道壁面对流动的影响. 文献[6]采用简化的代数应力模式代替雷诺应力模式对典型的管道内流动进行了计算和分析，在一定程度上模拟了部分流动特性，但在管道外壁附近计算精度不足. 文献[7-9]针对工程实际问题进行了管道内或类似模型流动的数值计算，侧重于问题本身，没有对管内流动数值方法进行专门研究和验证，并认为管内流场数值模拟面临着严峻的挑战[7].本文在详细研究不同管内流动形态和特点的基础上，建立不同流动形态下管道流动的数学模型和仿真方法，并验证仿真方法的准确性.管内流动作为一种流动形态，满足描述流场状态的一般控制方程，考虑到数值求解的方便，采用守恒型的雷诺平均N-S方程描述管内流动(ρui)+(ρuiuj)=式中：下标i和j分别代表坐标方向；ρ为流动介质密度；u为速度；p为压力；μ+μt为等效粘性系数；μ为分子粘性系数；μt为Boussinesq湍流粘性系数.为了闭合控制方程，需要引入湍流模型计算μt. 湍流模型须与流场的特征密切相关，管内流动受管道壁面的影响十分显著，且流场一般具有细长非对称几何特征. 为充分地模拟管道壁面附近粘性起主导作用区域及湍流区域的流动特征，一种易想见的方法是对管道近壁面区域A和其它区域B分别采用不同的湍流模型.在区域A采用具有广泛适应性的k-ε湍流模型，输运方程为(ρε)+(ρεuj)=ρ.区域A湍流粘度μt,A的计算公式为以上各式中， Gk是速度梯度引起的湍流动能，σk，σε是普朗特数，C1ε, C2ε, Cμ是常数.区域B内也采用k-ε湍流模型，并将ε输运方程修正为区域B内湍流粘度μt,B的计算公式为式中：lε, lμ均与湍流雷诺数Rey相关. 定义式中： k为湍流动能； y为数值计算网格中心与壁面之间距离. Rey能反映计算网格与壁面的距离，可作为区域A、 B的区分参数，即式中是两区域的临界常数，定义由以上湍流输运方程可分别获得区域A、 B的湍流粘度，但存在一个问题，即两区域临界处湍流粘度不光滑，这与实际情况不符. 为改进这一问题，对区域A、B湍流粘度进行处理，根据计算网格处的Rey值对μt,A和μt,B值进行加权平均，得到式中：λε是Rey的函数.以典型三维细长管道为例描述管内流动仿真模型的建立方法. 管内流动仿真物理模型如图 1 所示.物理模型由3段截面直径不同的直管和两个不同形状的弯角组成，沿着直角坐标系z轴负方向，将3段直管分别标示为Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ，直管Ⅰ和直管Ⅱ之间采用变直径的90°拐角连接，直管Ⅱ和直管Ⅲ之间采用渐变直径的相切圆弧拐角连接. 各直管截面直径不同，直管尺寸分别为：直管Ⅰ截面直径为14 mm，长度为372 mm；直管Ⅱ截面直径为19 mm，长度为450 mm；直管Ⅲ截面直径为24mm，长度为600 mm.当管道入口总压和出口压力确定并存在压差的情况下，流体在管内产生流动，本文仿真中取流体为20 ℃的水，其物理性质见参考文献[10]. 求解计算域为管道出口、入口边界和壁面所围成的内部流动空间. 在计算域内分布六面体网格，为了提高计算精度减少网格数量，在计算域流场参数变化剧烈的位置对网格进行适当加密，整个计算域网格数量为1.11×106. 为了精确描述管道壁面对流动的影响，采用增强壁面函数处理方法，需要在流动粘性底层内(y+<5)分布足够数量的网格，如图 2(b)～(d)所示分别为管道截面和两拐角位置处网格分布.设定管道左端为压力入口边界，右端为压力出口边界，管道壁面为无滑移壁面边界. 采用有限体积法，在各网格点上用二阶迎风格式离散控制方程. 采用基于压力的隐式方法求解数值模型，用SIMPLE方法耦合速度和压力. 为了提高计算精度及收敛速度，用双精度储存及处理数据，并采用了多重网格方法求解方程.基于所建立仿真模型，对上文所述管内流动进行计算. 管内流动边界条件见表 1.流体流入管道后，在管道壁面的影响下，流场状态参数经历一个渐变发展的过程，并最终达到充分发展状态，此过程称为管内流动的发展过程. 为了使管内流动能达到充分发展流动状态，采用直径d=20 mm，总长度l=2 000 mm的细长直管进行计算. 如图 3 所示为管内流动达到充分发展状态后速度沿管道径向变化曲线.图 3 中，纵坐标为管道半径，由中心指向壁面，横坐标为无量纲速度，表示速度与管道中心速度之比. 由图可见，当管内流动充分发展后，管内流动速度沿径向分布较为平坦，这是典型的湍流流动速度分布特征. 经与管道径向速度幂次规律分布[10]对比，可见仿真计算结果与理论计算结果吻合较好. 在此种情况下，管道流动雷诺数Re=ρdv/μ=2×105，远远大于管道流动中层流向湍流转捩的临界雷诺数2 300，与图 3 所体现的速度分布特征相对应. 表明所建立的数值方法很好地模拟了管内流动参数径向分布特征.对于直径不变的圆管，由于管内各截面上速度相同，则管道壁面摩擦力相同，因此沿轴向管内流动静压呈线性关系降低. 如图 4 所示为仿真计算所得静压沿管道轴向变化的关系曲线，所得结果与理论分析相符.在不同工况下计算管道壁面摩擦系数f，并与普朗特公式[11]计算结果进行对比.对比结果如表 2 所示，可见所建立的数值仿真方法能较精确地得到管道壁面摩擦系数.采用所建立的数值方法对前文所述三维管道内流动进行计算. 在管道不同位置处设置观测面以显示管道流动状态，如图 5 所示，由管道入口向后分别编号：面1～面6，其中面1为管道入口，面6为管道出口. 面4位于直角坐标系XOY平面内，面1， 2， 3位于Z轴正方向上，面5， 6位于Z轴负方向上.图 6 所示为三维管道各观测面上压力变化对比关系图，纵坐标为各观测面上静压均值，横坐标为各观测面所在Z轴坐标. 由前述分析过程可知，水流进入管道后，经过充分发展过程后流动沿管道径向分布达到稳定. 三维管道直管Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ处直径逐渐增大，则其速度呈现逐渐降低的趋势. 由图 6 可见，沿管内流体流动方向，管道内压力总体呈下降趋势，这是由于管道截面积变化不大的情况下，管内压力损失主要反映为静压的降低. 面5处由于管道直径增大，管内流速降低显著，管道对流体产生扩压作用，静压的增大抵消了水力损失作用，压力总体表现为增大. 而面3处虽然管道直径增大，但是由于直角拐弯产生巨大水力损失，因此压力总体依然降低.管道内水力损失主要包括沿程损失和局部损失，流线曲折是引起管道内水力损失的重要因素. 如图7(a)所示为三维管道内流线图，由图可见均匀缓变流经过第一个直角拐弯后流体质点相互掺混、流线弯曲扭转，伴随分离、漩涡，管内流场突变为急变流，由于惯性作用甚至当流体重新进入直管内仍无法达到均匀.图7(b),(c)所示为直角拐弯处流线图. 由图7(b) 可见，流体流过弯管时，在弯管内侧形成分离区，产生漩涡. 由于流体质点离心力的不平衡，在弯管横截面上造成一个双漩涡形的二次流动，如图7(c)，与沿轴线的主流流动叠加后，流体质点运动呈螺旋形状，管道内流动更加复杂. 这也正是制约理论方法与实验方法精确预测管道流场、准确计算其水力损失的重要原因.相比而言，由于流场的极度紊乱，直角拐弯处局部能量损失系数较大，直角拐弯在管道设计中应尽量加以避免. 如图 7(d)所示为直管Ⅱ和直管Ⅲ之间渐变直径的相切圆弧拐角处流线图，可见虽然此处流线也有相互扭曲的现象，较之直角拐弯处漩涡等极端混乱的运动现象并未出现，可以预见其局部阻力损失系数较小.图 8 所示为三维管道各观测面上总压变化对比关系曲线，纵坐标为各观测面上总压均值，横坐标为各观测面所在Z轴坐标. 观测面2和3之间总压降低量为直角拐弯处压力损失，观测面4和5之间总压降低量为相切圆弧拐角处压力损失，可见直角拐弯处局部损失远大于后者，并在整个管道压力损失中贡献较大比例. 比较3段直管，其压力损失为沿程损失，斜率依次降低，这是流动速度降低和管道摩擦力相应变化后的综合反映.在充分考虑管道壁面这一影响管内流动的主要因素的情况下，应用特殊的湍流模型和增强的壁面处理方法模拟了壁面对管内流动的影响，采用CFD技术建立了一种通用的管内流动仿真方法. 采用该方法对圆直管道流场进行求解，并与特殊典型流态下的理论值进行了对比，该方法精确模拟了充分发展流动的速度径向分布，壁面摩擦系数仿真结果与理论值最大误差为5.1%；该方法很好地模拟了三维管道内复杂流场分布，尤其是直角拐弯和相切圆弧拐弯的流动特性和水力损失.应用数值仿真方法可以获得复杂管道的全流场、全参数的仿真结果，本文所建立精细仿真方法能用于描述和预测复杂管道流场状态和管道水力损失的计算，可用于对管道进行结构优化和辅助设计. 将本文所建立的数值方法应用于金属/水冲压发动机进水管道水动力预测，经与自由航行试验测量值对比，已印证该数值方法具有较高的精度.【相关文献】[1] 邓冬. 回转弯道对竖直U型管内液氮流动与传热的影响研究[D]. 上海：上海交通大学， 2014.[2] 王广飞，阎昌琪，孙立成，等. 窄矩形通道内两相流动压降特性研究[J]. 原子能科学技术，2011， 45(6)： 677-681.Wang Guangfei, Yan Changqi, Sun Licheng, et al. Investigation on resistance characteristics of two phase flow through narrow rectangular duct[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2011,45(6)： 677-681. (in Chinese)[3] 缪万波，夏智勋，罗振兵，等. 金属/水反应冲压发动机进水管路的工作特性[J]. 固体火箭技术，2007， 30(4)： 311-314.Miao Wanbo, Xia Zhixun, Luo Zhenbing, et al. Work properties of inlet pipeline ofmetal/water reaction ramjet[J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2007, 30(4)： 311-314. (in Chinese)[4] 龚斌，刘喜兴，杨帅，等. 90°圆形截面弯管内流动的大涡模拟[J]. 过程工程学报， 2013，13(5)： 760-765.Gong Bin, Liu Xixing, Yang Shuai, et al. Simulation on large eddy turbulent flow in a circular-section 90° bend[J]. The Chinese Journal of Process Engineering, 2013,13(5)：760-765. (in Chinese)[5] 徐强，郭烈锦，邹遂丰，等. 管内蒸汽射流凝结压力波特性的小波分析[J]. 工程热物理学报，2015， 36(7)： 1492-1495.Xu Qiang, Guo Liejin, Zou Suifeng, et al. Investigation on pressure wave induced by steam jet condensation in water flow in a vertical pipe[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2015, 36(7)： 1492-1495. (in Chinese)[6] 钱炜祺，符松. 弯曲管道内湍流流动的数值模拟[J]. 推进技术， 2001, 22(2)： 129-132.Qian Weiqi, Fu Song. Numerical simulation of turbulent flow in a turn-around duct[J]. Journal of Propulsion Technology, 2001, 22(2)： 129-132. (in Chinese)[7] 蔡报炜，王建军. 波浪管内流场与传热及阻力特性数值模拟[J]. 原子能科学技术， 2014，48(7)： 1194-1199.Cai Baowei, Wang Jianjun. Numerical study on flow field with heat transfer and flow resistance in wavy tube[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2014,48(7)： 1194-1199. (in Chinese)[8] 朱冬生，郭新超，刘庆亮. 扭曲管管内传热及流动特性数值模拟[J]. 流体机械， 2012,40(2)：63-67.Zhu Dongsheng, Guo Xinchao, Liu Qingliang. Heat transfer performance and flowresistance of twisted tubes in the tube side[J]. Fluid Machinery, 2012, 40(2)： 63-67. (in Chinese)[9] 刘大明. 汽油机缸内气流瞬态运动及近壁面流动特性的实验与模拟研究[D]. 天津：天津大学，2014.[10] 景思睿，张鸣远. 流体力学[M]. 西安：西安交通大学出版社， 2003.[11] 章梓雄，董曾南. 粘性流体力学[M]. 北京：清华大学出版社， 1998.。

基于CFD的电动汽车锂电池包内部流场模拟及其结构优化设计黄芳芳;宋开通;吴亚东【摘要】电动汽车动力电池作为动力源,在能量交换过程中会放出很多热量,因此电池包的流场分析尤为重要.采用计算流体动力学(简称CFD)的方法,对电池包风冷时的内部流场完成数值模拟与建模,且根据数值模拟的结果总结了均匀电池包内部流场的优化方案.结果表明,经过结构优化后,出口流量分配已基本保持一致,减少了能量损失,延长了电池的使用寿命.【期刊名称】《通信电源技术》【年(卷),期】2019(036)003【总页数】3页(P128-129,131)【关键词】电池包;CFD;流场;出口流量【作者】黄芳芳;宋开通;吴亚东【作者单位】奇瑞新能源汽车技术有限公司,安徽芜湖 241000;奇瑞新能源汽车技术有限公司,安徽芜湖 241000;奇瑞新能源汽车技术有限公司,安徽芜湖 241000【正文语种】中文0 引言锂离子电池作为动力源，在整车充、放电工况下均产生大量热量，造成风冷电池内部电池单体温度的升高和单体电池间的温差，大大降低了电池性能，甚至严重影响电池的使用寿命和整车安全[1]。

因此，需建立电池内部流场的理论模型，基于数值模拟技术分析电池包在充、放电过程中的流场分布，预估电池包的散热性能，优化电池包的散热结构，以提高风冷电池包的使用性能和循环寿命[2]。

由于CFD可靠性的不断提高[3]，它被广泛应用于研究流体机械流场问题领域。

本文基于CFD对风冷电池包的内部流场进行理论模型的建立与数值模拟，并根据数值模拟的结果提出优化方案。

1 锂电池包流场数值模拟1.1 控制方程风冷锂电池包的内部散热基本依靠强迫对流换热。

当前，解决强迫对流换热的主流方法为k-ε湍流模型，ε表示耗散率，k表示湍动能。

本文运用k-ε湍流模型进行锂电池包的内部流场仿真，并采用描述固体导热的控制方程、能量方程、动量方程、流体连续方程、ε方程及k方程等进行数学建模。

内热源导热控制方程：能量方程：动量方程：湍动能k和耗散率ε的方程为：式中：ρ为气体密度；t为时间；ui、uj、uk分别为三个方向上流体的平均速度；xi、xj、xk分别为三维直角坐标系方向上的分量；T为温度；μ为粘性系数；cρ为比热容；k为流体的传热系数；μt为湍动粘度；Gk是由于平均速度梯度产生的湍动能；C1ε和C2ε为经验常数1.44和1.92。

基于AcuSolve的汽轮机内部流场分析The Analysis of Steam Turbine’s Inner Flow FieldBased on Acusolve周俊杰郭朋飞（郑州大学化工与能源学院河南省郑州市450001）摘要：以某型号汽轮机为研究对象，利用Altair公司的CFD软件AcuSolve对汽轮机内部流场进行了分析讨论。

先建立动静叶片的单流道模型，然后导入AcuConsole进行流场分析，分析时采用S-A 湍流模型，利用参考坐标系法模拟动叶旋转流场，利用周期性方法减少计算量。

关键词：汽轮机AcuSolve 内部流场Abstract:Take one type of steam turbine as the research object. Using Altair company’s CFD software AcuSolve to analyze and study the inner flow field of steam turbine. Firstly, by establishing single flow channel model for single stage blade, then importing the model to AcuConsole for flow field analysis, the S-A turbulence model, the reference coordinate system and the method of periodic are used when simulating the steam turbine’s inner field.Key words: steam turbine，AcuSolve，inner flow field1 前言随着轴流叶轮机械的广泛应用及其设计技术的不断进步，汽轮机叶片设计技术已成为重要的研究领域，其设计水平的高低是制约汽轮机组性能至关重要的因素之一[1]。

基于CFD的化工管道内介质流态模拟栘陈志静;谭强【摘要】以某炼化企业一套200万t/a连续柴油加氢装置中加热炉出口至反应器入口之间的管道P1110为例,借助CFD软件对该管道内介质进行了流态模拟,并研究了易发生冲刷腐蚀的管道部件如异径管、三通接头、弯头等部位的流场特性.结果表明,流体流经管道部件后,其流态会发生较大变化,导致管道易发生冲刷腐蚀.【期刊名称】《广东石油化工学院学报》【年(卷),期】2018(028)004【总页数】5页(P90-94)【关键词】化工管道;流态模拟;腐蚀;CFD【作者】陈志静;谭强【作者单位】广东石油化工学院广东省石油化工装备工程技术研究中心,广东茂名525000;中国石油化工股份有限公司茂名分公司,广东茂名525000【正文语种】中文【中图分类】TQ050.9石化工业管道事故时常发生，极大地影响了企业的生产安全和经济效益。

研究表明，管道的腐蚀受很多因素的影响，其中管内流体的流动状况是影响管道腐蚀的关键因素之一。

利用计算机进行数值模拟有着成本低、速度快、资料数据完备、能全面模拟真实条件等优点，具有一定的技术经济价值。

Chinello L等［1］考虑了介质入射角度、速度等因素对冲刷腐蚀的影响，利用软件模拟了管道介质对管壁的冲刷作用。

陈佳和刘勇峰［2］利用CFD(Computational Fluid Dynamics)软件研究了三通管中壁面切应力的分布，从流体力学角度分析了管壁冲刷腐蚀的影响因素。

季楚凌［3］以稠油为介质分析了90°弯管的流场及冲刷腐蚀问题，研究了管壁面切应力的分布，并给出了90°弯管易发生冲刷腐蚀的部位。

虽然国内外学者对管道的冲刷腐蚀进行了大量研究，但是针对炼化企业装置中管道冲刷腐蚀进行数值模拟分析的研究并不多。

本文根据一套200万t/a连续柴油加氢装置加热炉出口至反应器入口之间的管道P1110发生的腐蚀情况，对整段管道进行了流态数值模拟，研究管内流体流动状态的变化对管壁腐蚀减薄的影响，并对典型管件进行了流体流动速率和切应力的分析，预测易发生冲刷腐蚀的部位，为石化管道安全运行和腐蚀防护提供理论参考。