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关键词： 宏观偏析   元胞自动机   格子玻尔兹曼方法   铸锭凝固   数值模拟  

摘要： 碳钢铸锭凝固过程中产生的宏观偏析会导致铸锭力学性能分布不均，且难以通过热处理消除，因此准确预测宏观偏析的分布及其形成机理对优化生产工艺具有重要意义。本文通过对格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method， LBM）的迁移部分进行修正，构建了严格满足质量、动量和热量守恒的元胞自动机（Cellular Automata， CA）-LBM耦合模型，该模型充分考虑了微观组织的演化行为。通过多物理场作用下单枝晶生长的数值验证，证实了模型具有良好的计算精度和稳定性。基于该模型，对Fe-0.34C钢铸锭的凝固过程进行了数值模拟，成功预测了顶部正偏析、底部负偏析、A型偏析和V型偏析的分布特征。进一步通过不同散热速率(200、400和800 W/(m2·K))下的凝固过程模拟发现，随着散热速率的增加，宏观偏析的分布范围和偏析程度显著增强，且在800 W/（m·K）的散热速率下首次计算出顶部负偏析现象。研究结果表明，上述宏观偏析的形成主要源于溶质-热自然对流与固液界面推进的相互作用。

关键词： 水轮机   数值模拟   叶片修型   压力脉动   水力噪声  

摘要： 【目的】为研究大型混流式水轮机水力噪声特性及水力噪声控制策略，针对某大型混流式水轮机运行过程中产生的水力啸叫声问题，【方法】采用雷诺时均方法对转轮叶片出水边修型前后的某大型混流式水轮机在啸叫声工况下进行了数值模拟，监测核心过流部件内测点的压力脉动，基于流声耦合对转轮及尾水管等过流部件的外场声压级及内场声功率级分布进行了分析，探讨转轮叶片出水边修型前后流场的分布规律及水力噪声减弱的原因。【结果】结果显示：在蜗壳、转轮、尾水管等过流部件中均监测到300～400Hz的异常压力脉动频率，转轮内部出现较大声功率级区域位于转轮叶片的出水边附近。【结论】结果表明：复杂涡流是引起水轮机水力噪声的原因之一，通过对转轮叶片出水边修型可以达到减弱水轮机的水力噪声的目的。

关键词： 氢能   质子交换膜燃料电池   非均匀流道   数值模拟   输出性能   传质  

摘要： 在传统蛇形流道的基础上，提出交变式、渐变式、喇叭式及分散式等非均匀样式的流道结构，通过建立等温、稳态PEMFC三维仿真模型，分析非均匀流道对PEMFC传质及输出性能的影响。结果表明，相比普通蛇形流道，非均匀流道可有效改善流道内反应气体及产物的输运与分布，强化电化学反应过程，具有更高的膜电流密度，且可进一步平衡输运性能与压力损失匹配，有效提高PEMFC能量利用效率。其中，多样性分散流道（MD-Ⅵ）使PEMFC峰值电流密度提高了10.2%，峰值功率密度提高了14.2%，非均匀设计有望为PEMFC流道结构创新及优化提供更多思路。

关键词： 板坯连铸   数值模拟   结晶器混浇  

摘要： 在多品种、小批量、高品质钢种市场需求日益增长的背景下，本研究建立了板坯连铸结晶器异钢种混浇三维数值模型。采用低雷诺数κ-ε湍流模型、能量方程和Darcy源项，实现结晶器内钢液流动与凝固的耦合模拟。在几何模型设计过程中，结晶器有效长度为800 mm，计算区域延长至5 000 mm，采用两阶段耦合策略实现凝固-流动与混浇过程的全程模拟。通过网格无关性验证确定最终网格数量为70万，保证计算精度与效率平衡。系统研究了铸坯断面宽度（1 600、2 000、2 400 mm）对混浇过程的影响规律。结果表明，随着铸坯宽度从1 600 mm增至2 400 mm，下部涡流中心呈下移趋势，液面平均流速由0.16 m/s升至0.31 m/s，同时混浇坯长度显著缩短；以拉速1.10 m/min工况为例，宽度由1 600 mm增至2 400 mm时，混浇坯长度从14.12 m缩短至9.36 m。本研究建立了混浇流场结构变化与混浇坯长度的内在关联机制，阐明了断面宽度促进不同钢种混合的机理，并创新性提出了两阶段耦合策略的模拟方法。本研究结果为工业生产中异钢种混浇工艺的优化设计提供了理论依据和数据支撑，对提高连铸设备利用率具有重要的指导意义。

关键词： 电缆接头   电磁压接   可分离式线圈   数值模拟   实验研究  

摘要： 电磁压接技术可明显提升电缆接头的力学和电学性能，然而一体式电磁成形线圈严重限制了电磁压接技术的实际工程应用。首先提出了盘形可分离式线圈结构，建立了盘形线圈电磁学仿真模型，计算线圈工作过程中电流及磁场分布情况。此外，利用动力学分析软件仿真不同充电电压下管件的形变速度，结果表明充电电压过低时管件可能在减速阶段发生碰撞，进而影响形变效果。通过仿真分析与理论计算相结合的方式，分析了线圈匝数对磁场线圈能量利用效率的影响，在回路参数较小时4匝盘形线圈具有最高的能量利用效率。最后，使用可分离式线圈进行电缆压接实验。结果表明：随着放电电压的提高，外管的形变不均匀度降低，接头接触电阻降低、抗拉力提高。当放电电压高于16 kV时，电缆中间接头性能满足要求。

关键词： 共轭传热   螺杆压缩机   数值模拟   高温热泵   形变  

摘要： 为提高高温热泵用螺杆压缩机的能效水平，针对高温热泵的高温升特点，基于试验数据，通过包含共轭传热的CFD模型计算了螺杆转子温度分布。利用螺杆转子温度分布，采用有限元方法计算了转子变形特性。基于变形特性，计算了3种试验工况下螺杆转子轴向变形量、吸排气端热态的啮合间隙以及齿顶变形量。综合3种工况的最大变形量，调整转子各处间隙的布置安排并计算新间隙布置下不同工况螺杆压缩机的性能。结果表明：转子周向温度分布均匀性较好；将中心距增大0.02 mm，吸气端啮合间隙减小0.045 mm，齿顶间隙减小0.05 mm，3种工况下螺杆压缩机的质量流量能够提升3.49% ～ 5.57%。研究结果可为高温热泵用螺杆压缩机的间隙计算与设置提供理论依据。

关键词： 液滴生成   多相流   格子玻尔兹曼方法   扩散界面方法   微流控技术  

摘要： 液滴微流控技术在化学分析、生物检测及材料制备等领域具有巨大的应用潜力，被动生成液滴方法主要依赖微通道几何特性与剪切流动就能够快速实现液滴生成。其中，十字微通道作为典型结构，其流体参数和对称性差异对液滴生成过程的影响尚未得到充分研究。因此，本文采用格子Boltzmann方法开展对称与非对称十字微通道内的液滴生成过程的数值模拟研究，系统分析了毛细数、粘度比及流道对称性的作用机制。本文首先通过平板剪切流动下液滴变形和理想固体表面静止液滴这两个经典算例验证了数值模型的计算可靠性，然后围绕对称十字微通道内水相流体“界面浸入-剪切断裂-液滴迁移和融合”三个流动阶段展开研究，分析了毛细数和两相粘度比的协同作用机制。在此基础上，进一步量化了流道对称性对十字微通道内液滴生成过程的影响。相关研究结果为微流道设计和液滴微流控的流体参数调控提供了理论依据，并进一步推动液滴微流控技术的应用和发展。

关键词： 地表水-地下水   水量交换   复杂含水层   橡胶坝   数值模拟  

摘要： 现有模型主要研究单一地下含水层与地表水水量交换，未考虑复杂含水系统中地表水与潜水、承压含水层补给的差异性，深入研究地下水-地表水之间的水量交换关系对于地下水资源的开发利用具有重要的科学意义与应用价值。在研究区水文地质调查、钻探和地表-地下水位长期监测的基础上，建立区域尺度的地下水数值模型，定量分析典型水文年河流-复杂含水层水量交换的动态变化关系，将河流从上游至下游划分为四个河段，分别计算了拦蓄河流不同河段与潜水、承压含水层的水交换量。研究表明，河道橡胶坝拦蓄改变了河流-地下水的补给关系，在无橡胶坝时地下水向河段4排泄，而建坝后河段4补给地下水；不同河段的水交换通量的大小存在显著的差异性，在橡胶坝的影响下河流对地下水的补给通量大小顺序为：河段2<河段1<河段4<河段3；在有坝条件下枯、平、丰水年整个河流向潜水含水层的补给量分别增加了749.24×104、744.37×104和773.10×104m3/a，同时向承压含水层的补给量分别增加了133.21×104、140.83×104和164.74×104m3/a，河道拦蓄明显增加了河流对地下水的补给量。

关键词： 大流量涌水   灌浆材料   时变性   抗冲性能   数值模拟   HSC   HPSC  

摘要： 大流量涌水下渗漏区的封堵治理需要灌浆材料具有良好的抗冲性能，其黏度一般较高，且能在短时间内快速凝固，时变特性显著。基于研发的HSC与HPSC两种新型灌浆材料，结合多物理场耦合的数值模拟方法，对多组工况下浆液的抗冲性能进行了定量分析。结果表明：HSC与HPSC灌浆材料具有凝结时间短、黏度增长迅速等特点，可用于大流量涌水下封堵治理；在小流量下(0.15 m3/（s·m）),HPSC与HSC浆液相比较为接近，抗冲性能差别不明显；在大流量(0.75 m3/（s·m）)条件下，随着冲刷时间的延长，HPSC浆液相比降低较小，其与HSC及普通水泥浆液相比差逐渐增大，当冲刷360 s后浆液相比分别为18.9%、9.2%和8.0%。综上，HSC浆液能满足较小流量下抗冲要求，且可灌性较好；凝结时间较短、抗冲性更强的HPSC浆液可适用于大流量涌水渗漏区灌浆封堵中，但需注意其可灌性问题。

关键词： 沉积数值模拟   流量   辫状河   沉积演化   构型解剖  

摘要： 【目的】辫状河的沉积演化、形态及规模，受流量这一关键因素的影响，但目前尚未系统分析其对辫状水道、心滩及内部结构影响程度。【方法】采用Delft3D软件通过5组不同流量三维沉积数值模拟实验，探究不同流量下辫状水道、心滩的演化、形态样式及规模差异，再现不同流量辫状河多沉积类型砂坝内部叠置样式和构型特征，总结砂质辫状河沉积特征和演化规律。【结果】（1）流量与辫状河的沉积演化速率成正比。低流量辫状河演化程度低，砂坝以向下迁移为主，不易被河道分割；而高流量辫状河演化程度高，砂坝以侧向迁移为主，心滩合并、被分割的动态平衡过程较普遍。（2）流量是决定辫状水道平面样式和水深的主导因素。流量越大，河道越宽、直、深，分岔少，演化成熟阶段辫状水道网络复杂；而流量较小的辫状河河道，河道水浅、窄、分岔多，演化成熟阶段辫状水道以相对固定的交织河网为主。（3）流量进一步影响辫状水道和心滩的协同演化过程。流量越大，心滩样式更复杂，出现规模较大的复合改造坝和河边滩，其内部叠切关系更复杂，更易发育窜沟。（4）虽然砂质辫状河心滩内部结构具有很强的空间变异性，但仍存在相似点。相同点在于自下而上均发育顺流加积体、侧积体、垂向加积体，不同点在于流量越大，心滩内部侧积体占比增加。（5）流量与增生体规模呈正相关，但与长宽比、长厚比呈反相关，其中低流量辫状河心滩长宽比中位数为3.5，高流量辫状河心滩长宽比为4.5。【结论】提出了流量与砂质辫状河的心滩及内部增生体的规模成正比的观点，明确了砂质辫状河受流量影响沉积特征和规模差异，为地下复杂储层构型解剖提供依据。