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关键词： 固体氧化物燃料电池   氢气   多场耦合   数值模拟   性能优化  

摘要： 固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cells，SOFC）是一种高效的清洁能源装置。针对中温阳极支撑下氢气固体氧化物燃料电池，建立了数值模型，并充分考虑电化学、流体力学、热力学等多物理场耦合过程，对电池内部热源进行了分析，以了解操作和结构参数对SOFC性能的影响。将相关实验结果与模型数据进行对比，结果显示，在1023K的温度下，实现了0.9378 W cm-2的峰值功率密度，相比于923K温度，提升了约80.6％，增加电池长度半径（7.5mm～9.5mm）和阳极厚度（1.0mm～1.8mm），平均电流密度和峰值功率密度分别提升了12.1％和8.38％。研究结果为后续优化电池结构和操作参数来提高SOFC的性能奠定了基础。

关键词： 液固两相流   流型识别   动态模态分解   流体力学   数值模拟  

摘要： 液固两相流的自然现象极为常见，与人类的各种生产、生活过程息息相关。为避免管道内发生堵塞，获取管道内液固两相流的流型对于校正实时流量和确保整个系统运行安全非常重要。基于动态模态分解(DMD)算法，结合预处理措施，对液固两相流的流型进行重构，并搭建实验台对结果进行验证，采用相对误差评价了重构效果。研究结果表明：基于DMD的液固两相流流型的识别方法所得到的还原流型与真实流型虽存在一定的差别，但误差处于可接受范围，能够较为客观地反映液固两相流流型演变过程。相较于实验法和数值模拟的方法，基于DMD的液固两相流流型的识别方法在数据处理、精度、效率和适用性方面具有显著优势，并且不受限于特定场景，无需提供数据的内在逻辑，可同时获得具有单一频率和增长率的模态和构建降阶动力学模型，节省计算资源。

关键词： 轴流压气机   转子叶尖   非同步气流激励   分离涡数值模拟   不稳定流动  

摘要： 为了揭示轴流压气机转子叶尖非同步气流激励的产生机制,针对某1.5级压气机计算模型,基于分离涡模拟(detached eddy simulation,DES)和非定常Reynolds平均模拟(unsteady Reynolds averaged Navier-Stokes,URANS)方法对近失速工况下压气机全周非定常流场进行了数值模拟,重点分析了压气机转子叶尖非同步气流激励频率、不稳定流动的周向模态特征以及转子叶尖不稳定流动结构。结果表明:近失速工况下,转子叶尖非同步气流激励频率的出现伴随着压力脉动幅值的急剧增加,静压波动幅值可达20%以上,转子叶尖非同步气流激励呈现宽频特征,其频率范围涵盖1.58EO～17.86EO,相对与绝对坐标系下非同步气流激励频率满足频率叠加关系。转子叶片非同步气流激励主要由叶尖吸力面径向分离涡引起,DES数值模拟相比URANS可以获得更精细更丰富的不稳定涡结构,其周向模态数更高。由于转子吸力面气流分离发生在80%叶高以上区域,因此非同步气流激励出现时压气机转子并未失去做功能力。

关键词： 对流换热系数   转捩区   平板   数值模拟   广义表达式  

摘要： 本研究旨在探讨平板强制对流过程中边界层划分及局部对流换热系数的预测方法，以解决该领域尚未达成共识的问题。研究采用CFD数值模拟方法，分析了平板在不同风速和温差条件下的强制对流换热特性，并通过实验和数值模拟数据验证了模型的准确性。基于壁面摩擦系数，提出了一种新的平板边界层划分方法，将边界层细分为层流区、转捩区和湍流区，并分析了各区域内对流换热系数的分布特征。进一步考虑平板长度、风速和温差等主要影响因素，利用250种不同工况的CFD数值模拟数据，构建了平板局部对流换热系数数据库。基于该数据库，提出了平板局部对流换热系数的广义表达式：层流区和湍流区的表达式通过修正现有理论公式得到，而转捩区的表达式则基于CFD数值模拟数据拟合得出。研究结果表明，提出的广义表达式在样本内和样本外验证中均表现出良好的预测精度，最大误差为8.2%。当平板长度不超过8 m(L≤8 m)时，转捩区在换热过程中仍具有显著影响，所提出的转捩区局部对流换热系数广义表达式在不同风速和温差条件下均具备良好的适用性与预测精度。研究成果为平板强制对流换热的工程应用提供了理论依据和数据支持。

关键词： 固体推进剂   温度循环载荷   数值模拟   装药试验   结构完整性  

摘要： 为研究高低温循环载荷对推进剂装药结构完整性的影响，开展固体推进剂装药温度循环载荷试验，通过FBG传感器监测技术和激光轮廓扫描技术对推进剂药柱的温度场和变形位移进行监测，结合数值模拟结果进行对比分析。结果表明：在高低温循环载荷作用下，从外表面向药柱内部传热过程中温度变化逐渐减缓，整个药柱温度场呈梯度分布；数值模拟结果与试验结果吻合性较好，传感器监测技术可以实现对药柱内部温度监测。受高低温载荷影响，推进药柱发生膨胀和收缩变形，激光扫描技术能够有效观测药柱变形情况；在温度循环试验过程中推进剂药柱出现开裂，发生开裂的时间与仿真结果保持一致，表明试验方法具有有效性和适用性，可作为一种评估装药结构完整性的参考手段。

关键词： 燃料分层分布技术   铁矿石烧结   数值模拟   料层厚度  

摘要： 优化烧结工艺和提高能源利用效率是目前铁矿石烧结工艺的研究重点课题。燃料分层分布烧结（Fuel layered distribution sintering， FLDS）技术具有有效提高热量均匀分布和降低燃料消耗的特点。本研究以平均熔体质量分数、熔体峰值温度和火焰锋前速度为性能指标，综合分析了料层厚度对铁矿石烧结工艺的影响。结果表明，采用FLDS技术，当料层厚度为800～900 mm时，可显著优化烧结杯内热量分布。但是，料层过厚会降低铁矿石的烧结效率，因此，需要通过改变其他工艺参数弥补厚料层烧结效率较低的缺陷。本研究为厚料层烧结工艺优化提供了理论依据。

关键词： 极破碎围岩   高边墙   数值模拟   钢支撑   变形控制  

摘要： 高边墙地下洞室围岩变形控制一直是地下工程施工的一大挑战,开挖过程中围岩变形破坏问题突出,针对某水电站极破碎围岩开挖过程高边墙变形破坏问题,提出钢支撑控制围岩变形方法。基于数值模拟与现场监测,对不同类型钢支撑结构与围岩支护效果进行定量评价。研究结果表明,圆形钢管钢支撑结构明显优于组合工字钢支撑结构。采用钢管钢支撑支护后边墙围岩变形得到有效控制,塑性区范围、深度明显减小,应力集中现象有所改善,围岩稳定性显著提高。现场监测与数值模拟结果相互吻合并验证了钢支撑支护效果。相关成果可为极破碎岩体条件高边墙地下洞室围岩变形控制提供借鉴参考。

关键词： 土壤污染   溶质运移   数值模拟   包气带  

摘要： 为了清楚了解重金属在包气带运移，利用HYDRUS-2D软件对某化工厂的污染包气带进行数值模拟，构建土壤水分与溶质迁移的数学模型；用该模型模拟Cr6+、Cd2+在研究区地下非饱和带中的运移，并监测Cr6+、Cd2+在土壤介质中的迁移轨迹。结果表明：Cr6+、Cd2+在地表深度1 m以内明显富集，且在垂向上富集规律相似，Cd2+在渗漏2 000 d后到达潜水面，渗漏3 650 d后在潜水面的质量浓度为6.18 μg/L。在距渗漏点1 m处，Cr6+、Cd2+均在渗漏2 000 d后到达潜水面，且在渗漏3 650 d后在潜水面的质量浓度分别为12.35、1.89 μg/L。

关键词： 石英胶结   黏土矿物包壳   颗粒包壳   相场建模   砂岩   储层质量   石英次生加大  

摘要： 石英颗粒表面的黏土包壳是决定砂岩储层孔隙度和渗透率大小的关键因素，直接影响碎屑岩储层质量。基于共轴石英胶结的的多相场模型，通过数值模拟实验来研究黏土包壳参数对砂岩储层中石英胶结量、孔隙度、渗透率及其相互关系的影响。研究主要取得5项进展：(1)为了在三维数字砂岩模型的石英颗粒上模拟出逼近实际的各种黏土包壳形态，研发了一套新的预处理工作流程。(2)分别对发育石英单颗粒和多颗粒的砂岩开展共轴生长胶结的数值模拟实验，揭示出控制石英胶结量的主要包壳参数，即暴露锥面的生长、横向包裹作用、包壳覆盖率和包壳形态等。(3)黏土包壳形态对胶结具有显著影响，其中层状包壳形态的胶结速度较快；包壳覆盖率与砂岩孔隙度和渗透率呈正相关关系。(4)石英颗粒结晶垂直方向上胶结物生长速度最小，演化中后期斜角方向生长速度较水平方向更快。(5)动态演化过程模拟结果与实际对比验证显示，20,40d后的包壳形态模拟结果与室内物理实验及天然样品中观察到的形态高度相似，证实了包壳三维数值建模新方法的有效性。该套黏土包壳数值模拟方法和研究成果有助于改进砂岩储层表征结果和预测模型。

关键词： 时序控制断裂爆破   多孔模型   数值模拟   裂纹扩展  

摘要： 近年来时序控制断裂爆破技术在部分矿山工程和水利设施的建造过程中得到了广泛的应用，为探究时序控制断裂爆破技术对岩体中裂纹扩展机理的影响，采用强度等级为C50的混凝土材料分别浇筑了3孔，5孔和9孔的试验模型，用雷管代替炸药进行岩体模型多孔爆破试验，测试爆生裂纹扩展路径和成缝效果。使用LS-DYNA软件对不同工况下的岩体模型爆破过程进行模拟，选用RHT本构模型表征岩石动态破坏行为，并采用流固耦合算法模拟爆炸应力波与岩体的相互作用，同时以炮孔之间的间距和各个炮孔的起爆时间为控制变量，通过改变这些变量来建造不同的数值模型，并使用后处理软件提取数值模拟结果。最后与模型试验结果进行对比分析，探讨岩体中爆生裂纹扩展规律。结果表明：时序控制断裂爆破技术在促进岩体中裂纹沿预定方向扩展有一定的引导作用，先后爆孔起爆时序与先后爆孔之间的间距均会影响裂纹成型效果，且炮孔数量越多越明显；合理设计起爆时序与孔间距可显著提升炸药能量利用率，降低围岩损伤，为复杂地质条件下的精准爆破施工提供理论依据与技术支撑。