自由面对潜艇尾流场流动特性影响研究

潜艇周围绕流场流动特性会影响潜艇的机动性能, 特别是近水面航行时, 自由面的存在会增大潜艇尾流场的复杂程度.为探究潜艇在近水面航行时自由液面对潜艇尾流场流动特性的影响机理,借助大型水下三维粒子图像测速技术开展潜艇尾流场流动特性研究.首先通过美国泰勒水池标准模型实验结果对试验方法准确性进行验证; 随后,用验证后的模型试验方法对潜艇尾流场进行测量,得到不同潜深工况、不同速度下的桨盘面轴向速度以及脉动速度,同时辅以数值模拟对试验无法测得的兴波波系及中纵剖面速度场加以补充,从兴波角度阐述了自由面对潜艇尾流场流动特性影响机理. 研究结果表明:潜艇在近水面航行时, 随着Fr增大,桨盘面处轴向速度云图中上方等值线整体趋于扁平化, 较4D潜深工况,1.5D潜深工况出现局部脉动速度极大值, 且脉动速度结构整体下移; 自由面存在时,艇体与自由面间流场速度明显增大, 特别在桨盘面区域, 流场速度明显提升.随着Fr增大, 桨盘面处的自由液面高度逐渐降低,这就导致了桨盘面位置出现更大的流体速度, 即造成了桨盘面伴流场挤压现象.      

上限法在薄板轧制中的应用

推导了薄板轧制时单三角速度场,多三角形速度扬和简化滑移场的上限解,与R.B.Smis公式进行了比较。三角形速度场在轧制压力的计算上与Smis公式基本吻合,简化滑移场在一定的ε及l_c/h_c下也能给出可靠的解。此外,本文还提出了利用上限解正确估计摩擦因素和描述轧制变形区内金属流动图景的方法。     

边长为6m的立方体其周围流场的数值研究

使用CFD方法研究立方体周围流场.Silsoe研究院建造了一个边长为6 m的立方体作为研究钝体周围的压力场和速度场的实验对象.相应于这个立方体的全尺度实测结果、风洞实验结果和数值计算结果在很多文献中可以查到.本文使用标准k-ε模型和RNGk-ε模型,考察当来流速度为对数率速度剖面时,不同的来流湍动能设置对计算结果的影响,所得计算结果与已有的全尺度实测结果作比较,得到了有意义的结论.     

锥射流模式下乙醇静电喷雾液滴速度特性分析

研究液滴在静电喷雾下的速度特性是理解喷雾形态的形成及演化的关键.结合锥射流模式下乙醇静电喷雾实验数据,建立了静电喷雾二维轴对称模型.基于离散相液滴运动方程、连续相空气运动方程、电场方程以及用户自定义函数,进行了数值求解,获得了锥射流模式下的乙醇静电喷雾形态、空间电场分布以及液滴速度场分布.考虑了不同空气入口流速的影响,得到了乙醇/空气同轴射流静电喷雾形态的变化规律.结果表明,喷雾外围液滴与空气流场有较强的相互作用,导致喷雾中轴线附近的液滴速度分布变化较小,而在喷雾外围处的液滴速度分布沿径向剧烈变化;随着空气入口速度的增大,乙醇/空气同轴射流静电喷雾形态先趋于发散,当空气入口速度大于喷雾外围液滴轴向速度时,喷雾形态则趋于聚拢.因此,除改变施加电压、液体流量和电极结构外,通过控制空气入口速度来影响喷雾液滴速度场,也可获得不同的静电喷雾效果.     

A STUDY ON DROPLET VELOCITY OF ETHANOL DURING ELECTROSPRAYING PROCESS AT CONE-JET MODE

研究液滴在静电喷雾下的速度特性是理解喷雾形态的形成及演化的关键.结合锥射流模式下乙醇静电喷雾实验数据,建立了静电喷雾二维轴对称模型.基于离散相液滴运动方程、连续相空气运动方程、电场方程以及用户自定义函数,进行了数值求解,获得了锥射流模式下的乙醇静电喷雾形态、空间电场分布以及液滴速度场分布.考虑了不同空气入口流速的影响,得到了乙醇/空气同轴射流静电喷雾形态的变化规律.结果表明,喷雾外围液滴与空气流场有较强的相互作用,导致喷雾中轴线附近的液滴速度分布变化较小,而在喷雾外围处的液滴速度分布沿径向剧烈变化;随着空气入口速度的增大,乙醇/空气同轴射流静电喷雾形态先趋于发散,当空气入口速度大于喷雾外围液滴轴向速度时,喷雾形态则趋于聚拢.因此,除改变施加电压、液体流量和电极结构外,通过控制空气入口速度来影响喷雾液滴速度场,也可获得不同的静电喷雾效果.     

基于流动速度场控制的弯曲管件双凸模挤压过程有限元模拟

采用材料流动速度场控制的方法,在DEFORM-3D有限元商业软件上实现了弯曲管件一次性挤压成形数值模拟.通过模拟,分析了双凸模挤压过程速度场分布、材料流动规律、挤压力、应力场和应变场的分布.采用双凸模结构实施差速挤压和速度控制,通过调节双凸模速度差值,改变弯曲管件的弯曲半径,给出了速度差与弯曲半径的关系曲线.该方法可以从根本上消除传统方法的壁厚不均等质量缺陷,对提高弯曲管件成形加工质量具有指导意义.     

PIV速度场坏矢量的本征正交分解处理技术

介绍了一种针对粒子图像测速(PIV)基于本征正交分解(POD)的速度场后处理技术.该技术改变了现在后处理技术将速度场坏矢量识别和修正分开实现的局面,通过迭代方法有效地实现了速度场坏点统一的识别和修复算法.算法利用POD分解的低阶模态信息重构出可以用于坏矢量识别的参考速度场,利用该参考速度场对全流场进行坏点识别并完成修正.通过对一套光滑的PIV速度场数据引入高斯分布的随机误差,测试验证了该POD方法的优越性.在坏矢量识别方面新方法较归一化中值检验有更高的正确性,能识别大面积出现的坏矢量区域.在坏矢量修补的插值算法中,新方法的计算效率又高于传统Gappy POD方法,且计算精度优于常见的矢量场内插数学方法.特别是在数据缺失的大连通区域,该方法对物理流场有很好的预测效果.     

A THEORETICAL ANALYSIS OF THE FLOW DISTURBANCE INDUCED BY A SPHERE OSCILLATING IN INCOMPRESSIBLE FLUID

为了改进基于不可压缩流场的声类比法的气动声数值预测方法,首先要明确扰动在可压缩和不可压缩流体媒介中的传播特性. 推导了震荡小球在不可压缩流体中产生的小扰动的理论解,分析其速度场与压力场的特点,并与可压缩情况的解进行比较. 结果显示,速度场中包含传播速度为无穷大和有限值的分量;而压力场只有传播速度为无穷大的分量. 当流体黏性趋于零或小球震荡频率趋于无穷大时,其流场与经典声学中震荡小球声辐射问题的近场声一致,这表明震荡小球产生的近场扰动为不可压缩流场,即伪声.     

爆破震动对某边坡稳定性影响的数值模拟

爆破震动是影响边坡稳定性的一个重要因素之一。结合实际工程文章利用了拉格朗日有限差分法FLAC程序对爆破震动作用下某边坡进行了数值模拟。讨论了利用FLAC进行边坡动力分析时设置边界条件设置、动力时程的合成、输入以及转化,阻尼的合理选取。从位移场和速度场进行了详细的动力分析。获得该边坡爆破震动特征及位移场、振动速度场的变化规律。研究成果对保证边坡安全具有较好的指导作用。     

圆模拉拔挤压速度场的一种不同解法

文中对模面为圆的平面变形挤压拉拔设定了直角坐标系运动许可速度场,对此速度场采用曲线积分与变上限积分得到拉拔.挤压应力的上界解析解.     

混凝土一维应力层裂实验的全场DIC分析

基于74mm直径分离式Hopkinson杆(SHPB)实验平台进行了混凝土杆的一维应力层裂实验.采用超高速相机(采样频率:2 $\mu$s/frame)结合数字图像相关法(DIC),记录混凝土试件中的动态位移场实时变化情况,探讨了混凝土在拉伸断裂过程中的表面位移场及速度场演化规律.针对实验中出现的多重层裂现象,基于一维应力波传播理论,指出各个位置在发生层裂时,其最大拉应力均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成,各处层裂发生时均处于一维应力状态.并提出了根据层裂位置左右两点速度趋势变化判断层裂发生时刻的判据.该判据可以给出所有层裂的起裂时间,结合DIC分析直接给出了混凝土多重层裂应变.结果显示混凝土的拉伸强度具有明显的应变率效应,在30 s$^{-1}$的应变率下,其拉伸强度的动态增强因子(DIF)可以达到5.与传统的波叠加法和自由面速度回跳法相比,DIC全场分析法不受加载波形限制,可以精确给出每个层裂的位置和起裂时间,从而得到试件在高应变率加载下不同位置处的断裂应变、拉伸强度及相应应变率,提高了测量效率.      

展向喷嘴湍流横向射流大涡模拟及其统计分析

采用大涡模拟方法数值模拟了展向椭圆喷嘴的湍流横向射流,对其大尺度结构的时空演化和湍流脉动速度场的时间序列分析、频谱分析、PDF分析以及时、空截面上的统计平均特性进行分析.结果表明,在射流出口附近的下游核心区中速度脉动剧烈,显现出明显的湍流特征.除了三维涡环脱落、扭曲、变形、摆动所对应频率之外,还存在很宽的湍流基频,它与在喷嘴出口附近产生的三维涡环的时空演化过程密切相关.由于展向椭圆喷嘴的湍流横向射流中的三维涡环快速脱落和强相互作用导致射流尾迹中的强湍流脉动,展向椭圆喷嘴湍流横向射流的PDF空间演化特征结构复杂.在射流核心区的湍流偏应力变化平缓,其统计平均值分布接近左右对称.展向椭圆喷嘴的湍流横向射流脉动速度场具有极为复杂的统计行为,与流向椭圆喷嘴相比具有更好的掺混能力.     

Φ127mm API钻杆内加厚过渡带流场特性研究

研究发现钻杆内加厚过渡带管体刺漏是钻杆失效的主要形式之一,对此运用计算流体力学的方法对Φ127mm API钻杆内外螺纹端钻杆内加厚过渡带管体的速度场和压力场进行了模拟计算.分析了钻杆内加厚过渡带的结构参数,特别是钻杆内加厚过渡带长度miu和过渡圆弧半径R变化时的流场特点,并对钻井参数以及不同钻井液性能对流场的影响进行了分析.结果表明:miu和R越大,钻井液对管壁的剪切应力作用就会越小;增加钻井液的排量,钻杆内壁面的剪切应力会增大;钻井液粘度和密度增大时,钻井液对于钻杆内壁面的剪切应力的影响更为明显.     

固体颗粒对沟槽湍流边界层影响的实验研究

本文采用粒子图像测速技术(particles image velocimetry, PIV)研究固体颗粒对放置在平板湍流边界层中的平壁和沟槽壁面减阻效果的影响. 实验对清水和加入粒径为155 μm聚苯乙烯颗粒的流法向二维速度场信息进行采集, 对不同工况下的平均速度剖面、雷诺应力和湍流度等统计量进行对比, 分析流体在边界层中的行为. 运用空间局部平均结构函数提取了不同工况湍流边界层喷射?扫掠行为的空间拓扑结构并进行比较. 结果发现, 在不同的壁面条件下, 粒子加入后的对数律区中无量纲速度均略大于清水组, 雷诺切应力有所降低, 湍流度有所减弱. 对于不同流场速度下的沟槽而言, 颗粒的加入均降低了壁面附近的阻力, 而颗粒单独作用于光滑壁面的减阻效果并不明显. 加入粒子后的相干结构数目有所增加, 法向脉动速度下降. 沟槽壁面附近的相干结构数目有所增加, 法向脉动速度在自由来流速度较大时有所上升, 在速度较小时有所下降. 这表明不同减阻状况下的沟槽均能将大涡破碎成更多的涡, 并且粒子的加入强化了这种破碎作用.      

人内耳前庭系统膜迷路流固耦合数值模拟

基于健康志愿者右侧颞骨完整的组织切片数据,将人内耳前庭系统膜迷路内内淋巴液描述成不可压缩牛顿流体,将位于膜迷路壶腹端的平衡感受器壶腹嵴视为大变形线弹性材料,数值模拟人在立位转身、回顾时膜迷路内复杂的流固耦合作用,建立了内耳前庭系统膜迷路的三维有限元生物力学模型,分别得到不同旋转速度激励内淋巴液的压强场和壶腹嵴的位移场. 研究结果有助于从生物力学的角度定量分析人在旋转时前庭膜迷路内内淋巴液和壶腹嵴相互作用的力学特性.      

混凝土一维应力层裂实验的全场DIC分析

基于74 mm直径分离式Hopkinson杆(SHPB)实验平台进行了混凝土杆的一维应力层裂实验.采用超高速相机(采样频率:2μs/frame)结合数字图像相关法(DIC),记录混凝土试件中的动态位移场实时变化情况,探讨了混凝土在拉伸断裂过程中的表面位移场及速度场演化规律.针对实验中出现的多重层裂现象,基于一维应力波传播理论,指出各个位置在发生层裂时,其最大拉应力均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成,各处层裂发生时均处于一维应力状态.并提出了根据层裂位置左右两点速度趋势变化判断层裂发生时刻的判据.该判据可以给出所有层裂的起裂时间,结合DIC分析直接给出了混凝土多重层裂应变.结果显示混凝土的拉伸强度具有明显的应变率效应,在30 s~(-1)的应变率下,其拉伸强度的动态增强因子(DIF)可以达到5.与传统的波叠加法和自由面速度回跳法相比,DIC全场分析法不受加载波形限制,可以精确给出每个层裂的位置和起裂时间,从而得到试件在高应变率加载下不同位置处的断裂应变、拉伸强度及相应应变率,提高了测量效率.     

湍流被动标量研究的最新进展

被动标量场的统计性质, 在湍流理论以及湍流燃烧、污染物防治等工程领域都有非常重要的意义. 最近十几年, 大量的实验测量、数值模拟和理论分析结果表明, 标量场具有很多自身独特的性质, 甚至有些性质并不依赖于速度场本身. 这就促使人们对传统经典理论进行重新认识、修正或者提出新的理论来取代. 本文对标量场的各向异性、标量和标量耗散率的概率密度函数(PDF)、标量场的空间结构及演化过程、还有标量小尺度混合模型等几个方面进行综述.      

一维六方准晶中星形静态裂纹和运动裂纹的解析解

利用复变函数方法研究了一维六方准晶中星形静态裂纹和运动裂纹的反平面剪切问题,得到了星形裂纹尖端处应力强度因子和动应力强度因子的解析解.当裂纹条数给定时,由此可得到直线裂纹,Griffith裂纹,共点均匀分布三裂纹,对称十字形裂纹,米字型裂纹(对称八裂纹)静力学和动力学问题的解析解.当k=4时,用数值算例讨论了声子场-相位子场耦合系数和裂纹运动速度对动应力强度因子的影响.当速度趋于0时,运动裂纹的解可以退化为静态裂纹的解.     

压-剪混合型定常扩展裂纹尖端的弹黏塑性场

假定黏性系数与塑性等效应变率的幂次成反比，考虑其黏性和裂纹面摩擦接触效应 建立了压-剪混合型定常扩展裂纹尖端弹黏塑性场的渐近方程，求得了裂纹尖端场不含应力、应变间 断的数值解. 并讨论了压-剪混合型裂纹数值解随各个参数的变化规律，计算结果 和分析表明，压-剪混合型裂纹尖端场是满塑性的，不含有弹性卸载区，黏性效应是研究扩展裂纹尖端场时的一个重要因素. 无论混合裂纹趋近I型还是趋近II型，静水压力随摩擦系数的增加都是增加的,裂纹面摩擦 效应是阻止裂纹扩展速度的因素，且摩擦作用越强，裂纹尖端场的韧性越高.     

圆柱外表面受热冲击问题的广义热弹性分析

基于 L-S 广义热弹性理论, 针对实心圆柱体在外表面受均匀热冲击作用下的一维广义热弹性问题进行研究分析. 利用热冲击的瞬时特征, 借助于 Laplace 正、反变换技术及柱函数的渐近性质, 推导了热冲击作用周期内温度场、位移场和应力场的渐近表达式. 通过计算, 得到了热冲击条件下各物理场的分布规律以及延迟效应和耦合效应对热弹性响应的影响规律. 结果表明: 当考虑延迟效应和耦合效应时, 热扰动将以两组速度不同的波的形式向前传播, 延迟效应和耦合效应对各物理场的建立时间, 阶跃间隔和阶跃峰值均产生影响, 且延迟效应和耦合效应均在一定程度上削弱了热冲击的作用效果.