高流量气举阀喷嘴流动的数值研究

通过数值模拟的方法,用适合高速可压缩的的斯托克斯方程,模拟不同结构的气举阀喷嘴的三维高速流动,详细对比5种不同喷嘴结构在日产气15万标准立方天然气的工况状态下的压力、速度、温度等参数.研究表明:喷嘴的能量损失与特征几何参数及进出口边界条件相关,扩张管的能量损失要小于渐缩管的,并确定了5种结构中最适合该工况下的喷嘴形状和尺寸.     

新型降压槽结构设计及流动特性分析

针对三元复合驱分注过程中低视粘度损失和高压降不能同时实现的问题,设计出了一种新型降压槽,运用CFD软件对其环空流道的流动特性进行数值模拟,研究了新型降压槽内的压力、速度、湍动能、视粘度和应变率分布情况.同时将其与环形降压槽进行对比,结果表明,相同长度的降压槽,新型降压槽的压差更大,视粘度损失更小.     

非常规井数值模拟技术研究进展与发展趋势

与常规井数值模拟相比,非常规井数值模拟侧重于刻画垂直、水平井筒内的多相流动,解释由于摩擦、静水力、加速度以及滑移造成的各相之间的速度差及压力损失,模拟井下流量控制设备及复杂现象.从复杂结构井的流量方程、多相井筒管流与油藏渗流耦合模拟、多段井模型、井下流量控制设备模拟、近井区域粗化、井下复杂现象模拟和嵌入式裂缝模型7个方面出发总结了非常规井数值模拟技术研究进展和主要缺陷.基于多段井模型的井筒 油藏耦合数值模拟、扩展井模型与油藏模型耦合模拟、流固耦合数值模拟、对井下监测调控设备的数值模拟以及多段压裂复杂结构井的数值模拟是未来的发展趋势.     

一类指定应力问题的变分原理与应用

针对有限元分析中对应力或内力有指定条件的问题,引入非弹性应变作为实现指定应力条件的附加未知量,在小变形条件下描述了指定应力条件应当满足的弹性力学控制方程;以位移和未知非弹性应变作为独立变量建立了具有指定应力条件问题的势能变分原理和虚功方程;以位移、弹性应变、未知非弹性应变和应力为独立变量,建立了一个含四类变量的广义变分原理.在基于变分原理得到的桁架单元和梁单元平衡方程中,指定轴力和需要的调整量以对偶形式出现,可实现调整量已知情况下的常规受力分析,又可在轴力指定条件下获得需要的调整量;同时考虑了材料刚度和内力对结构的影响,改进了目前预应力筋模拟的等效荷载法和实体力筋法,还可用于拉索结构的索力优化和调整算法.通过拉索结构位移优化和索力调整的数值算例,验证了该文理论与算法的可行性及精度.     

轻质板壳结构振动与声学耦合特性的理论及实验研究

复杂板壳/板腔结构被广泛地用作汽车、高速机车、舰艇/潜艇及航空航天飞行器等外壳及内部隔舱结构,其声振耦合特性研究对降低交通工具舱内外噪声至关重要.在民用及国防工业领域减振降噪应用需求的牵引下,围绕典型板壳/板腔结构在静止流体及平均流流场中的声振耦合问题,通过理论建模、实验验证和数值计算分析相结合的研究方法,对由点激励或外部复杂声场和流场作用下产生的结构弯曲波、声波在板壳结构中的传播行为及结构的动力学响应和声振耦合特性进行了系统深入的研究,并对结构进行了力学性能和声学性能综合优化设计方面的有益探索.主要研究内容及学术贡献如下:第一,基于声波速度势函数分别建立了简支和固支双板空腔结构声振耦合性能的理论模型.相对于传统的刚性空腔模态函数法,该理论模型精确描述了边界条件对薄板和密封空气腔的约束作用,具有更广泛的适用性.研究发现:空腔厚度显著影响结构的声振耦合性能,结构传声损失曲线波峰波谷随空腔厚度的增大向低频偏移,隔声性能随之增强;低频段有限大结构传声损失大于无限大结构,而高频段无限大结构的传声损失为有限大结构提供了可能的上限;增加板厚能显著加强双板空腔结构的隔声能力;入射声波的俯仰角显著影响结构的隔声性能,而方位角的影响可以忽略.开展实验验证研究,证实了简支和固支理论模型的正确性和可靠性.研究表明,固支双板空腔结构的固有频率高于简支结构;在低频段,两种边界下的结构传声损失差别很大,而在高频段,两种边界下的结构传声损失差别取决于入射声波的俯仰角;可采用声波垂直入射情况下简支板的模态振型近似模拟固支板的模态振型,但在声波斜入射情况下,两种模态振型差别显著.第二,针对有限大简支板在两侧存在平均流情况下的声振耦合问题,建立了相关理论模型并分析研究了平均流对简支板传声损失的影响,该模型通过对流波动方程和流固界面上位移连续性条件的应用考虑了气动弹性耦合效应的影响.不同于以往的研究,该模型可分析研究最一般的情况,即简支板的两侧同时存在平均流,为深入研究分析此类问题奠定了理论基础.研究表明,入射声场中的平均流对传声损失的影响明显不同于透射声场中平均流的影响;声波折射角随入射角和平均流流速变化的等高线图存在两个分支,分别为正折射分支和负折射分支;平均流在透射声场情况下的等高线图与平均流在入射声场情况下的等高线图相比,相当于互换了入射角和折射角坐标系;空气动力学阻尼效应对传声损失的影响在两种情况下均可体现,但是两种情况下的结构吻合共振低谷差别显著:随着Mach数的增大,平均流在入射声场情况下的吻合共振频率增大,而平均流在透射声场情况下的吻合共振频率保持不变;板两侧同时存在平均流的情况下,反映折射关系的等高线图明显不同于只有一侧存在平均流的情况.另外,声波顺流入射与逆流入射对板的声振耦合特性影响显著.第三,针对飞机机身典型的双层板壳结构,考虑了飞机在巡航飞行状态时,外部气流对飞机喷气发动机产生的噪声从舱外传入舱内产生影响的物理过程与物理机理.结合板壳振动理论、对流声学波动方程、Navier-Stokes方程及流固耦合条件,建立了相关的理论模型,给出了不同Mach数下气流速度对结构传声的影响,发现了传声过程出现的4种新的声学现象;基于基本物理原理给出了4种声学现象对应频率的计算公式,并与基于振动理论、对流声学波动方程及Navier-Stokes方程的理论模型计算结果取得良好的吻合.研究表明:(i)声波顺流入射情况下,结构传声损失随Mach数的增加而增大;由于平均流的质量增加效应,使得除吻合共振以外的其它3种声学模态共振的频率显著地偏向低频;吻合共振频率增大是因为其主要受平均流折射效应的影响;(ii)声波逆流入射情况下,随着Mach数的增加,除吻合共振以外的其它3种声学模态共振频率增大直至Mach数达到临界值;当Mach数超过临界值后,板-空气-板共振、驻波衰减和驻波共振消失,仅剩吻合共振,同时,结构传声损失随Mach数的增加而增大;(iii)板曲率和舱内压的联合作用对结构传声损失具有显著影响,在曲板环频率共振附近的低频区域表现得尤为明显.第四,应用空间谐波分析法理论研究了波纹层芯夹层板结构的声振耦合特性,揭示了波纹层芯结构对整体结构隔声能力的影响;同时考察了其频散特性,发现声波在夹层板结构中传播时存在禁带和通带现象,并且传声损失曲线上的波峰和波谷与频散曲线存在内在联系.研究结果主要包括:(i)声波入射角对夹层板结构的隔声性能具有重要影响,夹层板对垂直面板入射的声波具有最好的隔声效果;(ii)波纹层芯的结构倾角对三明治夹层板的隔声性能影响显著,即随着波纹层芯结构倾角的增大,结构传声损失STL曲线上的所有隔声波峰与隔声波谷均向高频推移,传声损失整体增大,同时传声损失曲线上低频平滑段逐渐向高频扩展;(iii)对夹层板结构频散特性及传声损失的分析研究,深入揭示了传声损失曲线上出现的波峰波谷的本质的物理机理:即波峰的出现对应于驻波振动而波谷的出现对应于结构波的吻合共振;(iv)定义了综合力学和声学性能的评价指标,并据此对夹层板结构的质量、力学刚度和隔声能力进行了综合的优化设计.第五,基于Fourier积分变换法和空间谐波分析法,分别建立了正交加筋三明治夹层板结构的声辐射理论模型和结构传声理论模型.不同于以往的研究,该理论模型通过在面板的振动控制方程中引入加筋板对面板的拉力、弯矩和扭矩及其相应的惯性项,精确描述了加筋板振动对面板的作用.研究表明:(i)入射声波俯仰角对夹层板结构的传声损失影响显著;斜入射的声波比垂直入射的声波更容易穿透夹层板结构,这是因为斜入射的声波与结构中的弯曲波可以发生相长干涉;(ii)加筋板惯性效应的引入使理论预测结果捕捉到更多的物理细节,进而更准确地预测结构的声振耦合特性;(iii)作为夹层板结构周期特性的关键参数,加筋板周期间距对结构声振耦合特性影响显著,即结构的固有频率随周期间距增大而减小,特性曲线上的波峰波谷向低频偏移,但特性曲线总体形状趋势相似.最后,针对航空航天飞行器中常用到的轻质三明治复合材料夹层板结构,应用等效流体模型模拟声波在多孔纤维吸声材料中的传播,分别建立了层芯空腔填充多孔纤维吸声材料的正交加筋三明治夹层板结构的声辐射理论模型和结构传声理论模型.通过引入材料动态密度和动态体积模量,考虑了声波在纤维材料中传播时空气与纤维间的粘性拖曳力和热交换作用.研究发现,流固耦合效应对结构声辐射/传声有较大影响,而加筋板间距的增大会加剧该影响;纤维材料通过自身的刚度和阻尼损耗效应的共同作用来影响结构的声振耦合特性,而这两种作用的平衡受到结构周期间距的显著影响;提出了综合结构质量、刚度和隔声能力综合性能的夹层板结构优化设计准则,以结构的关键尺寸参数为优化设计变量,对结构进行了初步的优化设计.总之,在国家民用工业及国防工业减振降噪重大应用需求的牵引下,该文通过理论分析、实验验证和数值计算,研究了汽车、高速机车、舰艇/潜艇及航空航天飞行器中常用典型结构的声振耦合特性,建立了相对完善可靠的结构声振耦合特性理论表征体系,分析了关键结构参数对结构声振耦合特性的影响,揭示了弯曲波在结构中的传播规律及结构的声辐射/传声特性,提出了轻质、高强度、声辐射小及隔声性能优良的复杂板壳结构的创新优化设计概念,建立了综合结构质量、力学刚度和声振耦合特性的优化设计理论和判据,为典型板壳/板腔结构在民用工业及国防工业中的应用奠定了理论基础、实验依据并提供了技术支撑.     

变围压-孔压条件下含气煤岩应力应变关系研究

为研究围压及孔压对含气煤岩本构关系的影响,基于弹性力学及破坏理论,建立了细观非均匀弹脆性模型,利用FEPG数值模拟软件,编制了有限元计算程序,用数值方法模拟了含气煤岩体在变围压-孔压条件下的变形及破坏规律.结果表明,围压增大时,煤岩体由脆性逐渐转呈柔性,且承载能力有所增强,而孔压的影响则恰好相反.将数值模拟结果分别与变围压、变孔压实验数据进行了对比,两者基本相符,充分验证了力学模型的适用性及计算程序的正确性.     

井壁破裂与内部应变状态机理分析

为研究立井井壁破裂与内部应变之间的相互规律，搭建井壁实物模型以模拟井壁受力破裂过程和状态，利用分布式光纤技术对井壁内部应变进行监测，并分别从应力和应变多角度进行深入分析.结果表明：对于应变状态，当施加应力增大，井壁应变程度也随之增大，应变极大值所对应的井壁位置，其应变程度在范围内达到最大，破裂风险也就最高；对于应力作用，不同应力下井壁应变最大值与最小值之间的偏差度越大，井壁稳定性越差，越容易发生破裂；分析了应力、应变二者相互关联性，拟合各方向角所对应的井壁位置应变变化的线性方程，变化率数值越大，井壁应变增长速度就越快，当应变值超过所能承受极限时，井壁会更容易发生破裂；通过对井壁应变数据监测，分析了应变差值、偏差度和应变变化率，结合Lamé公式，建立了井壁应变破裂关系模型，为井壁破裂预警提供了新方案.     

Hartmann共振管及超音速雾化喷嘴流场的数值模拟

采用基于Roe解法的有限体积法,对Hartmann共振管中的气体流场进行了数值模拟,研究了当喷嘴轴线处存在针型激励器的情况下流场的振动情况,数值计算的结果与理论和相关的实验结果符合得较好．计算结果表明移除或引入激励器,将会使Hartmann共振管的共振模式发生转换．通过对超音速雾化喷嘴流场的数值模拟,研究了其中Hartmann共振腔和二级共振腔共同作用下的振动现象以及各物理参数对振动的影响,并对喷嘴中气流从亚音速向超音速的转变机理进行了研究．     

电渗驱动微通道流中的扩散

利用差分方法对电渗驱动微通道中的脉冲样品的浓度扩散进行了数值模拟,结果说明外加电场和缓冲液浓度对样品的扩散起着重要的作用,而水力直径及其通道的高宽比对扩散的影响甚微．采用减小外加电场和减小缓冲液浓度的办法,可以防止样品带宽的增大、增强检测和分离的效果,同时又保持比较快的输送速度．该结论对于微通道的优化设计具有参考价值．     

Hartmann共振管及超音速雾化喷嘴

采用基于Roe解法的有限体积法，对Hartmann共振管中的气体流场进行了数值模拟，研究了当喷嘴轴线处存在针型激励器的情况下流场的振动情况，数值计算的结果与理论和相关的实验结果符合得较好．计算结果表明移除或引入激励器，将会使Hartmann共振管的共振模式发生转换．通过对超音速雾化喷嘴流场的数值模拟，研究了其中Hartmann共振腔和二级共振腔共同作用下的振动现象以及各物理参数对振动的影响，并对喷嘴中气流从亚音速向超音速的转变机理进行了研究．     

基于正交试验法和数值仿真的环形降压槽结构优化

降压槽存在相互矛盾的阻力和粘损特性均受各结构参数的影响,合理的结构参数选择一直是降压槽设计的难点问题.环形降压槽结构优化设计涉及到多因素多水平问题,数值仿真和正交试验设计方法相结合可以有效地减少对实验的依赖和试验次数.对环形降压槽进行结构参数化建模,建立了幂律流体在降压槽环空流道流动的数值仿真模型,可完成不同结构降压槽性能的数值仿真分析;制定了降压槽3因素3水平的多指标正交试验,采用极差和方差分析方法对试验的结果进行了分析,并用综合平衡的方法确定最优的降压槽结构参数组合.最终得到了各结构参数对降压槽的粘损和阻力性能的影响规律以及最优的结构参数,可为环形降压槽的设计和改进提供有价值的参考.     

Numerical study on the effect of the injection pressure on spray penetration length

This paper investigates the fuel spray behavior and variation of the spray characteristics under different injection pressures in internal combustion engines. In diesel engines the fuel spray is affected by the cavitation phenomenon which occurs in the injector orifice. The cavitation is one of the important phenomena which has a significant effect on the fuel spray characteristics. In this paper, for a specified geometry of the nozzle and the combustion chamber, the effect of the cavitation phenomenon on the spray characteristics, i.e. spray penetration length, the Sauter main diameter and evaporation are studied numerically for different values of the injection pressures. High injection pressure causes high velocity of the fuel in the injector orifice which leads to an effective atomization process with small and dispersed fuel droplets. The fluid flow equations are calculated in the combustion chamber to obtain the spray model. Since it is known that, high injection pressure together with low discharge pressure leads to creation of cavitation phenomenon inside the injector orifice, then for having cavitation phenomenon inside the injector orifice and consequently for investigating the cavitation phenomenon effects on the spray characteristics, the injection pressure values of 10–150 MPa are considered while the discharge pressure remains constant. The injector and combustion chamber are simulated in separated regions and the results of the outlet of the nozzle are used as the boundary conditions for solving the fuel flow inside the combustion chamber to achieve the spray simulation. The results of this study show that by increasing the injection pressure, the value of the spray penetration length increases and the Sauter main diameter decreases for constant discharge pressure. The Hydraulic Flip phenomenon occurs after the injection pressure of 120 MPa on the base of the results of this work.     

缝洞型碳酸盐岩油藏注水驱油提高采收率研究

Y油田为缝洞型碳酸盐岩油藏,油藏复杂的地质特征决定了其开发模式有别于常规砂岩油藏.为了有效提高Y油田采收率,利用Eclipse数值模拟软件建立了地质模型,对水平井长度、射孔间距及酸压缝长等油藏产能影响因素与转注时机、注采比以及关井时间等注采参数进行了优化.结果认为:对于Y缝洞型碳酸盐岩油藏,水平井水平段长度为500m、射孔间距为20m或酸压规模为100m时,累计产油量可达到最大值;压力降至废弃压力时进行转注,可获得最大采收率;周期注采比等于1时,周期时效与累计增油量达到最大值;关井时间为8天时,采收率提高幅度最大.     

One-dimensional viscoelastic fluid model where viscosity and normal stress coefficients depend on the shear rate

We study the unsteady motion of a viscoelastic fluid modeled by a second-order fluid where normal stress coefficients and viscosity depend on the shear rate by using a power-law model. To study this problem, we use the one-dimensional nine-director Cosserat theory approach which reduces the exact three-dimensional equations to a system depending only on time and on a single spatial variable. Integrating the equation of conservation of linear momentum over the tube cross-section, with the velocity field approximated by the Cosserat theory, we obtain a one-dimensional system. The velocity field approximation satisfies both the incompressibility condition and the kinematic boundary condition exactly. From this one-dimensional system we obtain the relationship between average pressure and volume flow rate over a finite section of the tube with constant and variable radius. Also, we obtain the correspondent equation for the wall shear stress which enters directly in the formulation as a dependent variable. Attention is focused on some numerical simulation of unsteady/steady flows for average pressure, wall shear stress and on the analysis of perturbed flows.     

Transient thermal model for the hot chamber injection system in the pressure die casting process

This paper describes a three-dimensional numerical model that is used to predict the transient thermal behaviour of the metal injection system of a hot chamber pressure die casting machine. The behaviour of the injection system is considered in conjunction with that of the die. The Boundary Element Method (BEM) is used to model the transient thermal behaviour of the injection system elements and the die blocks. A perturbation approach is adopted. By adopting this approach, only those surfaces over which a significant transient variation in temperature occurs need be considered. The model assumes that a corresponding steady-state analysis has first been performed so that time-averaged thermal information is available. A finite element based technique is used to model the phase change of the liquid metal in the die cavity and in the injection system. At injection the nozzle and die are assumed to be instantly filled with liquid metal, however, a procedure is presented that attempts to model the heat transfer associated with the flow through the nozzle, gate, and runner regions during injection. Model predictions are compared against thermocouple readings and thermal images obtained from experimental tests. Good agreement is obtained between predicted and measured temperatures. The transient thermal behaviour of an existing hot chamber injection system is investigated in detail and recommendations for improved performance are made. In an attempt to improve the solidification pattern of the casting and the thermal behaviour of the injection system, a redesign of the experimental die is considered. The numerical predictions indicate that the redesign will have a beneficial effect on the solidification pattern of the casting, and on the performance of the injection system.     

A numerical study on the effect of cavitation erosion in a diesel injector

The consequences of geometry alterations in a diesel injector caused by cavitation erosion are investigated with numerical simulations. The differences in the results between the nominal design geometry and the eroded one are analyzed for the internal injector flow and spray formation. The flow in the injector is modeled with a three-phase Eulerian approach using a compressible pressure-based multiphase flow solver. Cavitation is simulated with a nonequilibrium mass transfer rate model based on the simplified form of the Rayleigh–Plesset equation. Slip velocity between the liquid-vapor mixture and air is included in the model by solving two separate momentum conservation equations. The eroded injector is found to result in a loss in the rate of injection but also lower cavitation volume fraction inside the nozzle. The injected sprays are then simulated with a Lagrangian method considering as initial conditions the predicted flow characteristics at the exit of the nozzle. The results obtained show wider spray dispersion for the eroded injector and shorter spray tip penetration.     

无标度网络演化过程中的结构熵

熵是度量复杂系统无序性的重要物理量,而且现实中的大多数网络都呈现出无标度网络的特性.在网络的节点熵和结构熵概念的基础上,给出了BA模型的网络结构熵演化的解析结论和数值模拟.从解析结论和数值模拟可以得到,网络结构熵随网络大小以对数的速度增长;但在同样规模下,无标度网络的结构熵小于随机网络的结构熵.     

相邻多个浅圆弧凹陷地形对平面SH波散射的级数解

本文采用解析法研究相邻多个线圆弧凹陷地形对平面SH波散射问题。文中由分离变量法把相邻多个圆弧凹陷对平面SH波的多重散射表示为各局部坐标中的级数之和,再利用Graf加法公式的内域和外域表达式进一步表示某个局部坐标中的双重无穷级数形式。问题最后可归结为求解一组无穷型的线性代数方程。文末给出了相邻两个等直径浅圆弧凹陷地形的多种深宽比对地面运动的影响的计算结果,并讨论了浅圆凹陷地形对波的屏蔽及它们之间的相互作用。