气体介质中海水液滴碰撞过程数值模拟

为揭示对喷式海水无填料冷却塔内海水液滴碰撞的规律及影响因素,采用VOF方法开展了相同尺寸的二元海水液滴碰撞数值模拟.首先利用Qian等的实验结果对计算模型进行校验,验证了模拟的准确性.开展了常温常压下不同Weber(韦伯)数以及不同碰撞参数下的海水液滴碰撞过程数值模拟,计算Weber数范围为0. 5~200,碰撞参数范围为0~1.得到了聚合、自反分离以及拉伸分离3种碰撞结果,对心碰撞聚合与自反分离的临界Weber数为22;然后对结果类型进行统计,得到了海水液滴碰撞结果分布We-x图.     

二元海水液滴对心碰撞过程数值模拟

为研究海水循环冷却系统中液滴碰撞的基本规律及碰撞结果预测模型,采用流体体积函数(volume of fluid,VOF)方法捕捉两相交界面,利用动态网格自适应技术提高求解精度,对二元海水液滴的对心碰撞过程进行直接数值分析与模拟.首先对氮气中正十四烷液滴的碰撞实验进行数值模拟,验证了数值模型的可靠性.开展了常温常压下等尺寸二元海水液滴对心碰撞数值研究,分析了液滴碰撞过程流场结构及流动机理,研究了不同液滴直径和不同海水浓度对碰撞过程的影响规律,得到了聚合和自反分离两种碰撞结果类型以及二者的临界Weber数.总结出不同Ohnesorge数下海水液滴碰撞结果诺模图.     

液滴碰撞和聚合模型研究

建立了描述液滴碰撞和聚合过程的数学模型,设计了一种高效的计算液滴碰撞对搜索算法,并在已有研究成果的基础上对液滴碰撞的结果做了进一步的发展．借助平滑粒子流体动力学方法两种实现方式各自的优点,将液滴间的相互作用局限在其周围一定数目的液滴之间,并采用积分核函数定义了液滴间碰撞的概率,通过数值模拟探讨了模型的特性．结果表明,所建模型对所采用的计算网格没有明显的依赖性,具有较高的计算精度和计算效率,不但能很好地维持系统动量的守恒性,而且对液滴初始尺寸分布没有明显的依赖性．     

基于格子Boltzmann方法的液滴撞击具有不同润湿性孔板的研究

基于格子Boltzmann方法,对液滴撞击不同湿润性节流孔板表面进行了数值模拟.主要研究了在液滴撞击过程中,Weber数(We)、孔板表面湿润性和孔板尺寸对液滴通过孔板时不同状态的影响.数值模拟结果表明:孔板为亲水特性时,在较低We下,液滴不会与孔板表面脱离,而是附着在孔板下表面,并且在毛细作用下液滴会在孔道中上升一段...     

一类Riccati矩阵方程广义自反解的双迭代算法

本文研究了一类Riccati矩阵方程广义自反解的数值计算问题.利用牛顿算法将Riccati矩阵方程的广义自反解问题转化为线性矩阵方程的广义自反解或者广义自反最小二乘解问题,再利用修正共轭梯度法计算后一问题,获得了求Riccati矩阵方程的广义自反解的双迭代算法.拓宽了求解非线性矩阵方程的迭代算法.数值算例表明双迭代算法是有效的.     

矩阵方程AXB+CX~TD=E自反最佳逼近解的迭代算法

本文研究了Sylvester矩阵方程AXB+CXTD=E自反(或反自反)最佳逼近解.利用所提出的共轭方向法的迭代算法,获得了一个结果:不论矩阵方程AXB+CXTD=E是否相容,对于任给初始自反(或反自反)矩阵X1,在有限迭代步内,该算法都能够计算出该矩阵方程的自反(或反自反)最佳逼近解.最后,三个数值例子验证了该算法是有效性的.     

室内细颗粒物碰撞模型及碰撞结果讨论

为了研究室内细颗粒物凝并机理,基于统计平均及颗粒物随机运动的思想对室内细颗粒物碰壁数和细颗粒物之间发生对心碰撞的概率进行了总结计算,并对碰撞之后的结果进行了定量和定性的分析,得到了0.3μm的DOP颗粒的最终压缩变形与碰撞发生初始速度以及碰撞效率随粒径变化曲线.颗粒物碰撞后凝并的可能性会随着颗粒碰撞初速度的增加而降低,小粒径颗粒发生碰撞后凝并的可能性一般会大于大粒径颗粒,碰撞效率随粒径的增大而减小.     

对冲圆射流生成径向扩张液膜研究

采用两股互相冲击的圆射流可以形成环形的液体薄膜,液膜在径向扩展到一定的临界半径距离会破碎．数值模拟了液膜在周围气体中形成和破碎的非定常过程．考虑了液体和气体都是不可压缩Newton流体的轴对称问题．液体和气体的界面采用Level set函数来跟踪,Navier-Stokes 控制方程和物理边界条件采用有限差分格式离散求解．计算结果给出了环形液体薄膜形成并在其环形边缘处破碎,并缓慢运动的过程．液膜的厚度随着液膜在轴向的扩展会逐渐变薄,因此定义的局部Weber数会在径向逐渐减小,这里的局部Weber数定义为ρu2h/σ,其中ρ和σ分别为液体的密度和界面的张力,u和h分别为在径向某个位置的液膜的平均径向速度和半液膜厚度．数值结果表明就像实验中所观察到的那样,液膜径向扩展的过程的确会在局部Weber数趋向于1的时候终结而停止扩张．根据空间-时间线性稳定性理论,液膜的破碎最初是由正弦模式在临界局部Weber数Wec=1引起的,在临界局部Weber数小于1时会发生绝对不稳定性．在线性理论中另一个独立的模式,所谓的余弦模式,则增长比正弦模式要慢,从而会推测到正弦模式主导破碎的结论．然而,这里的数值结果却表明,余弦模式在界面波的非线性发展阶段实质的超越了正弦模式的增长,并对液膜的最终阶段的破碎起主导作用．这验证了线性理论只能够对触发时扰动波的性质进行预测,而对失稳后情况和结果的预测则不一定正确．     

接触表面的边界条件奇异性及其随机扰动

碰撞表面的随机边界条件反映了粘弹性材料在不同碰撞条件下的复杂性质.数值的不确定性和确定模型的渐近估计都可以利用计算机系统来计算.运用有限元方法来模拟碰撞表面的变形,得出远离接触表面部分的结构保持稳定.     

接触与大变形问题的光滑有限元分析

橡胶材料因具有良好的抗震、吸能作用,在实际工程中应用广泛.然而橡胶超弹性材料的碰撞属于强非线性问题,分析橡胶材料的接触碰撞和大变形问题对于提高装置的缓冲性能具有重要意义.光滑有限元法(smoothed finite element method, S-FEM)是一种弱形式的数值计算方法,相比于传统的有限元方法,光滑有限元法对网格的质量要求不高,允许单元在计算过程中发生较大的变形,且光滑域的构造比较灵活,在不增加自由度的前提下,可以达到较高的精度.在光滑有限元法的基础上,采用双势方法进行接触计算,以充分利用光滑有限元法计算大变形问题的优点和双势方法求解接触力的优势.通过与有限元软件MSC.Marc的数值结果对比,验证了该算法的准确性和能量守恒性,并且分析了摩擦因数对碰撞体的影响.     

三维可压缩Boltzmann模型及其在低Mach数湍流中的应用

改进了有限差分格子Boltzmann方法(FDLBM),以直接数值模拟气动噪声.基于LB求解器特性,采用动力学方程中的恒定对流速度以实施高阶迎风差分,提高了声波和湍流的分辨率.通过建立一个新的三维粒子模型,计算得到了任意比热容的三维可压缩Navier-Stokes系统.此外,利用Bhatnagar-Gross-Krook (BGK)碰撞算子,通过引入热流量修正,实现了Prandtl数的可变性.在激波管内弱声波以及伴随有温度梯度的Taylor-Couette层流的验证计算中,提出的新方法结果良好.此外也对NACA0012翼型绕流进行了三维模拟.其中,Reynolds数、Mach数和攻角分别取2× 105,8.75×10-2以及9°.计算发现,在机翼前缘附近的分离气流位置,以及表面压力波动强度的Maeh数依赖性方面,数值计算结果与实验结果相吻合.     

三维可压缩Boltzmann模型及其在低Mach数湍流中的应用（英文）

改进了有限差分格子Boltzmann方法(FDLBM),以直接数值模拟气动噪声.基于LB求解器特性,采用动力学方程中的恒定对流速度以实施高阶迎风差分,提高了声波和湍流的分辨率.通过建立一个新的三维粒子模型,计算得到了任意比热容的三维可压缩Navier-Stokes系统.此外,利用Bhatnagar-Gross-Krook(BGK)碰撞算子,通过引入热流量修正,实现了Prandtl数的可变性.在激波管内弱声波以及伴随有温度梯度的Taylor-Couette层流的验证计算中,提出的新方法结果良好.此外也对NACA0012翼型绕流进行了三维模拟.其中,Reynolds数、Mach数和攻角分别取2×105,8.75×10-2以及9°.计算发现,在机翼前缘附近的分离气流位置,以及表面压力波动强度的Mach数依赖性方面,数值计算结果与实验结果相吻合.     

T型微通道内的幂律流体液滴破裂行为的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法(LBM)研究了T型微通道内幂律流体液滴运动行为及其流型相图.主要研究了液滴幂律指数n对液滴破裂时颈部厚度、前端运动距离等形变特性以及流型相图的影响.数值结果表明,幂律流体液滴在T型微通道内存在阻塞破裂、隧道破裂以及不破裂三种流型.在阻塞破裂过程中,液滴颈部厚度随时间逐渐减小,且液滴幂律指数n越大,液滴颈部厚度随时间减小得越慢.同时液滴前端运动距离随时间线性增加,且随着n的增加,液滴破裂时前端运动距离越长.在隧道破裂过程中,液滴颈部厚度也随时间逐渐减小,与阻塞破裂相似,n越大液滴颈部厚度减小得越慢.与阻塞破裂相比,液滴隧道破裂时对应的临界颈部厚度有所增加,且液滴前端运动距离随时间先快速增加,然后再缓慢增加,隧道宽度随时间近似呈对数增长.此外,液滴未破裂时液滴颈部厚度以及液滴前端运动距离出现波动现象.液滴的幂律指数n越大,液滴越容易破裂,但越不容易达到阻塞破裂.根据数值模拟结果得到了各流型相图之间幂函数形式临界分界线的拟合公式,该拟合公式可以预测不同流型.     

相场方法模拟液滴的动态润湿行为

液滴的动态湿润现象广泛存在于自然界和工业生产中,该现象数值研究的建模需要解决接触线附近的奇异性并引入合理的接触角描述.基于相场方法,结合Yokoi动态接触角模型,建立了考虑动态润湿效应的两相流数值模型,并在OpenFOAM开源平台上实现相应程序.针对液滴撞击壁面的动态湿润过程,数值模拟和对比研究了不同的接触角模型.结果表明:接触角模型的选择对液滴动态润湿过程的模拟结果具有较大的影响,其中基于改进动态接触角模型的结果与文献中的实验结果具有很好的吻合度,反映了提出的数值模型在液滴的动态润湿行为模拟的有效性.     

T型微通道内液滴在幂律流体中运动机理的格子Boltzmann方法研究北大核心CSCD

采用非Newton不可压两相流格子Boltzmann模型研究了T型微通道内Newton液滴在非Newton幂律流体中的运动过程.研究了非Newton流体幂律指数n、主管道毛细数Ca、两相流量比Q、两相黏度比M以及主管道壁面润湿性θ对液滴在T型微通道内的形成尺寸、形成时间和变形参数(DI)的影响.研究结果表明:首先,主管道流体幂律指数n从0.4增加到1.6时,液滴的形成尺寸近似呈线性减小,而液滴的形成时间和变形参数先快速减小,然后缓慢减小;其次,黏度比对液滴形成尺寸、液滴形成以及变形参数的影响与幂律指数的影响基本一致;再者,随着Ca和主管道壁面润湿性的增加,形成液滴的尺寸近似呈线性减小,形成液滴的时间和变形参数先快速减小然后缓慢减小,且减小趋势随幂律指数的增加而减缓;最后,研究结果还表明主管道和子管道的流量比Q越大,液滴形成时间越长,液滴形成尺寸和变形参数越小.     

一维纳米准晶层合梁的非局部振动、屈曲与弯曲研究

基于非局部理论,建立了一维纳米准晶层合简支深梁模型,研究了其自由振动、屈曲行为及其弯曲变形问题.采用伪Stroh型公式,导出了纳米梁的控制方程,并通过传递矩阵法获得简支边界条件下纳米准晶层合梁固有频率、临界屈曲载荷及弯曲变形广义位移和广义应力的精确解.通过数值算例,分析了高跨比、层厚比、叠层顺序及非局部效应对一维纳米准晶层合简支梁固有频率、临界屈曲载荷和弯曲变形的影响.结果表明：固有频率和临界屈曲载荷随着非局部参数增大而减小;外层准晶弹性常数更高时,固有频率和临界屈曲载荷更大;叠层顺序对纳米准晶梁的力学行为有较大影响.所得的精确解可为纳米尺度下梁结构的各种数值方法和实验结果提供参考.     

基于FEMLIP的全风化边坡失稳破坏全过程的数值模拟研究

边坡坡角和强度是影响边坡稳定性的重要因素,而边坡失稳往往伴随着大变形的发生,其变形从数十米至数千米不等.目前,传统有限元法在处理大变形问题时常常因网格畸变而导致计算终止.因此,为了实现边坡失稳破坏全过程的模拟,并研究边坡坡角和强度对边坡稳定性的影响,基于Lagrange(拉格朗日)积分点有限元法（FEMLIP）,采用C语言编写了能够模拟边坡失稳滑塌全过程的Ellipsis程序,并通过一个典型案例对该方法的正确性和可行性进行了验证.采用该方法分析了边坡在不同坡角和强度条件下的稳定性和滑坡过程.研究结果表明,Lagrange积分点有限元法可以较准确地模拟边坡的潜在滑移面,并且可以模拟边坡失稳后的滑坡发展过程,为边坡滑坡大变形分析提供了一种新的数值计算方法.     

矩阵方程A1Z+ZB1=C1的广义自反最佳逼近解的迭代算法

本文研究了Sylvester复矩阵方程A_1Z+ZB_1=c_1的广义自反最佳逼近解.利用复合最速下降法,提出了一种的迭代算法.不论矩阵方程A_1Z+ZB_1=C_1是否相容,对于任给初始广义自反矩阵Z_0,该算法都可以计算出其广义自反的最佳逼近解.最后,通过两个数值例子,验证了该算法的可行性.     

扁球壳在热-机械荷载作用下的稳定性分析

基于扁壳几何非线性理论,应用虚功原理和变分法推导了均匀变温场中圆底扁薄球壳在均布外侧压力作用下的位移型几何非线性控制方程.考虑周边不可移简支边界条件,运用打靶法计算获得了不同几何参数的扁球壳轴对称弯曲变形的数值结果.定义了壳体临界几何参数.考察了壳体几何参数对平衡路径和临界荷载的影响.当壳体几何参数大于壳体临界几何参数时,上临界荷载随几何参数的增加单调增加,下临界荷载在很小范围内随几何参数的增加而增加,之后随几何参数的增加而减小.给定几何参数时,考察了不同均匀温度变化对壳体临界几何参数、临界荷载和平衡构型的影响.均匀升温使上临界荷载显著增加,使下临界荷载和临界几何参数显著减小.     

球形纳米颗粒Brown凝并碰撞效率的新表达式

研究了邻苯二甲酸二辛酯纳米颗粒在Brown凝并过程中的碰撞效率．在考虑Stokes阻力、润滑力、van der Waals力和颗粒变形恢复力的情况下推导了一组碰撞方程,通过数值求解这组方程,得到了当颗粒半径从50 nm到500 nm变化时,颗粒碰撞效率和半径之间的关系,计算得到的结果和实验结果符合较好．计算结果表明,在颗粒半径为50 nm到500 nm的情况下,颗粒的碰撞效率随颗粒半径的增加而减小．基于计算结果,提出了颗粒碰撞效率的新表达式．