模拟Casson流体的非结构化网格SIMPLE算法

为模拟复杂形状血管内的血液流动,本文考虑血液的非牛顿流变特性开发了适用于Casson流体的非结构化同位网格SIMPLE算法。离散动量方程时,对流项和源项的处理方法和牛顿流体类似。对于扩散项,为了避免黏度是剪切率的复杂函数所导致的复杂性,将黏度取为上一迭代步的流场获得的Casson流体黏度。经过以上处理对Casson流体动量方程的离散就可以参考变黏度牛顿流体的动量方程离散方法来进行,再利用基于非结构化同位网格的SIMPLE算法进行求解。该方法对其它切应力等于速度变形率与黏性函数乘积的非牛顿模型同样适用。利用本文算法模拟了T型分叉管中的血液流动,与文献中的实验结果对比发现,Casson流体得到的结果优于牛顿流体,说明采用Casson模型模拟血液流动是成功和必要的。     

恒热流边界条件下流体横掠多孔介质中平板的边界层分析

基于Brinkman-Forchheimer-extended Darcy流动模型,对恒热流条件下流体横掠多孔介质中平板的强制对流进行了边界层分析。通过建立二维流动的连续方程、动量方程和考虑流体与多孔介质局部非热平衡时的能量方程,应用数量级分析和积分的方法对方程组进行简化和求解,得出了流体的速度分布、温度分布、速度边界层和温度边界层的厚度、对流传热的理论关联式。研究结果表明:恒热流条件下流体横掠多孔介质中平板的速度边界层与光板时完全不同,其在平板前端迅速增长,随后沿着流动方向变得非常平坦并趋于一定值;而温度边界层的厚度发展则与光板时类似,沿着流动方向不断增长,且与壁面处热流密度的大小无关。     

微平行管道内Eyring流体的电渗滑移流动

研究了微平行管道内非牛顿流体––Eyring 流体在外加电场力和压力作用下的电渗流动. 在考虑微尺度效应, 电场作用, 非牛顿特性, 滑移边界等情况下, 建立Eyring流体在微平行管道内电渗流动的力学模型. 通过解线性Possion-Boltzmann方程和Cauchy动量方程, 给出Eyring 流体速度分布的精确解和近似解析解, 并探讨了上述因素对电渗流动的影响. 将电场力和压力对于Eyring流体电渗流动的速度分布的影响进行了比较分析, 得到有意义的结果.     

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对等离子体气动激励控制边界层进行了数值仿真。将等离子体气动激励对边界层的作用建模成动量和热量。通过由基于表面放电的二维流体体力模型得到的等离子体气动激励的体力分布函数,得到向边界层注入的动量和热量分布,将动量和热量以源项的形式引入N-S方程求解。研究了等离子体气动激励的强度、激励电极的数目、来流速度的大小以及热量项的大小对等离子体气动激励作用效果的影响,仿真结果与实验一致。     

考虑动半径和粘度变化的稠油非牛顿不稳定渗流数学模型

针对稠油非牛顿特征,在Bingham流体渗流方程基础上,通过对动半径和粘度进行表征,建立同时考虑启动压力梯度、动半径变化和粘度变化的非牛顿稠油不稳定渗流数学模型,完善Bingham型稠油渗流数学模型.通过空间、时间离散差分及Matlab数值计算,得到非牛顿稠油非稳态渗流地层压力分布.结果表明,相同产量下,随启动压力梯度增大,动半径向井方向移动;启动压力梯度越大,压降曲线越陡,相应近井压降越大;相同启动压力梯度下,产量越大,不同吞吐周期压力差距越大.将半径和粘度动态变化相结合,弥补了现行非牛顿稠油渗流数学模型的-个缺陷.     

边界耦合的Marangoni对流边界层问题的近似解析解

研究了由温度梯度引起的Marangoni对流边界层问题.由于动量方程和能量方程的边界条件耦合,利用相似变换将偏微分方程组转化为常微分方程非线性边界值问题.通过巧妙引入摄动小参数对速度和温度边界层方程同时渐近展开求解,得到了问题的近似解析解,并对相应的动量、能量传递特性进行了讨论. 关键词： Marangoni对流 近似解析解 渐近展开     

电磁流体表面推进机理与效果分析

电磁流体表面推进是在推进单元周围的导电流体中(海水、等离子体等)激励出电磁体积力,并利用电磁体积力的反作用力达到推进的目的. 基于电磁场和流体力学的基本控制方程,采用有限体积法对电磁流体表面推进的效果进行了数值模拟研究,分析了在不同姿态(攻角)和不同电磁体积力的作用下,航行器周围流场结构的变化规律和推力的变化特点.研究结果表明:沿航行器表面分布的电磁体积力可以有效地改变流体边界层的结构,并能向流体边界层传输动量与能量,从而使航行器获得所需的推力.流体对航行器的黏性阻力和压差阻力的影响随作用参数的增大而减弱 关键词： 表面推进 航行器 推进单元 电磁体积力     

用格子Boltzmann模型模拟非等温流场

根据微观和宏观之间的质量、动量、能量守恒准则和在原格子Boltzmann模型基础上,建立了几个新的格子Boltzmann模型,使得在外力场中的格子Boltzmann模型得到进一步完善.通过还原宏观流体力学方程,捕捉到了浮力强迫系数与Grashof数之间的关系.所得动量方程和Navier Stokes方程相比,在黏性输运项上有明显的改进,说明黏性应力不但与流体的速度梯度和流体的压缩性有关,而且还与非定常的内能梯度和动量通量有关.该模型对非等温流场的数值结果证明了其具有很好的数值稳定性和适用性. 关键词： Boltzmann模型 平衡分布函数 流体力学方程     

平板马兰各尼流动中数的影响

本文提出了边界层充分发展情况下平板马兰各尼流动动量方程和能量方程的相似解,分析了流动与传热随Pr数的变化特征;由于在核沸腾中蒸汽气泡的一般直径大于估算边界层厚度,因而可以忽略表面张力影响,将这一结果用于气泡周界马兰各尼流动效应的初步分析.     

球坐标动量空间下相对论Vlasov方程的数值算法

针对相对论Vlasov方程动量区间跨度大、难以计算的困难,将相对论Vlasov方程在球坐标动量空间中进行数值求解.对相对论Vlasov方程球坐标动量空间构造4阶非分裂守恒型数值格式.数值模拟相对论Landau阻尼问题并与解析理论进行比较,验证数值模型和算法的有效性.对激光等离子体相互作用进行初步模拟分析,表明通过采用球坐标下的动量空间,可在相对较少动量网格情形下,获得与粒子模拟可相互验证的结果.     

有旋转效应和流片厚度变化的叶轮机械边界层的积分方程求解法

一、前言 在叶轮机械中,气体通过高速旋转的压气机和透平转子,计算时一般采用非惯性坐标系统,即把坐标系统取在转子上,于是动量方程中就出现了离心力和科氏力项,边界层方程中也包含这些项.另外,用S_1和S_2两类流面迭代的计算中,如果要在S_2流面上求解边     

全面提升牛顿定律应用——以N-S方程推导为例

以N-S方程的推导为例,按牛顿力学解决问题的思路和方法,综合利用弹性力学中的截面法、流体力学中的流体微团等概念及流体连续性方程等,得到常见的不可压缩流体N-S方程的一般的形式,使经典力学方法在解决复杂的流体问题中发挥作用.不仅强化科学思维,还锻炼了学生的综合利用知识能力.     

自持磁约束电子云的流体理论(Ⅰ)流体方程组

本文利用流体理论研究轴对称自持磁约束电子云.这种电子云是依靠Penning放电维持的.在电子云中电子的运动特性可以用由连续性方程、动量方程、能量方程、Poisson方程和热传导方程组成的流体方程组来描述.文中还讨论了电子云中电子的扩散、逃逸和能量输运等问题.     

多组份流动质量分数保极值原理算法

对基于质量分数的Mie-Gruneisen状态方程多流体组份模型提出了新的数值方法.该模型保持混合流体的质量、动量、和能量守恒,保持各组份分质量守恒,在多流体组份界面处保持压力和速度一致.该模型是拟守恒型方程系统.对该模型系统的离散采用波传播算法.与直接对模型中所有守恒方程采用相同算法不同的是,在处理分介质质量守恒方程时,对波传播算法进行了修正,使之满足质量分数保极值原理.而不作修改的算法则不能保证质量分数在[0,1]范围.数值实验验证了该方法有效.     

基于Biot-喷射流统一模型Maxwell流体饱和孔隙介质中的弹性波

推广Biot-Tsiklauri声学模型的同时借鉴Dvorkin和Nur的工作,建立了具有任意孔径分布并顾及喷射流动机制的非牛顿流体饱和孔隙介质声学模型,研究了非牛顿流体(Maxwell流体)饱和孔隙介质中的弹性波的衰减和频散特性.着重讨论充孔隙Maxwell流体的非牛顿流效应对弹性波的频散和衰减的影响.研究表明,饱和流体的非牛顿流效应和喷射流动机制均是引起弹性波波频散和衰减的重要因素.依据非牛顿流体(Maxwell流体)饱和各向同性孔隙介质的Biot-喷射流声学模型,喷射流动只影响纵波的频散和衰减,而饱和流体的非牛顿流效应不仅影响纵波,而且还影响横波的频散和衰减.     

多孔介质平板通道与空通道的速度分布和温度分布的解析解

建立了平板通道内填充多孔介质和空通道两种情况传热模型,求解动量方程和能量方程的解析解,获得速度分布和温度分布,分析Da数、Bi数、有效导热系数比和孔隙率等参数对温度分布、局部非热平衡程度以及Nu数的影响。计算求解表明,通道内填充多孔介质后流体的速度分布和温度分布更均匀,速度边界层更薄;随着Bi数和有效导热系数比k的增大,θ_s-θ_f的值减小,局部非热平衡程度减弱,Bi越大,θ_s与θ_f越接近,即越接近局部热平衡状态。孔隙率对局部非热平衡程度和Nu数的影响不明显;Nu数随着有效导热系数比k和Da数的减小而增大,随着Bi数和孔隙率的增大而增大,当k1时,变化明显,k1时,变化不明显.     

超声速湍流边界层湍流统计与湍流结构分析

可压缩边界层转捩问题与湍流问题一直是制约高超声速飞行器发展的关键基础问题,也是近年来流体力学领域研究的热点问题.采用直接数值模拟方法,获得了空间发展的Ma=2.25超声速湍流边界层流场,通过对湍流边界层的发展状态进行评估,得出有效的Reynolds数Re_θ范围约为2 600~4 600.对壁面摩阻系数开展了分解,获得了各分量的占比,对充分发展的湍流边界层进行1阶和高阶统计分析,包括形状因子、壁面律、平坦因子与偏斜因子、Reynolds应力、脉动涡量等,得到了剪切Reynolds数与动量Reynolds数之间的关系式,分析了湍流边界层壁面律的分层特性,发现湍流的间歇特性主要分布在y+ < 30的区域,并且法向速度脉动的间歇性远高于另外两者,3个方向上的Reynolds应力分布和涡量分布都存在较大差异.通过两点相关性分析和Lagrange涡结构,对近壁区湍流结构进行了分析,包括流向平面和展向平面,发现流向脉动速度的相关区域流向尺度较长,呈现狭长的特性,并且流向平面的相关系数与壁面存在一定的夹角;而在边界层外层,流向速度脉动相关区域的流向尺度变短而展向尺度增加,呈现宽胖型.研究结果进一步加深了对超声速湍流边界层的认识,为下一步湍流边界层的流动控制奠定了基础.      

利用Tracker软件研究牛顿摆的运动

通过Tracker软件的自动追踪功能描绘牛顿摆的运动轨迹,得到牛顿摆运动过程中的位移与动量变化图像,由此分析牛顿摆运动过程中的周期变化特点、轨迹特点以及动量衰减过程.本实验能够定量分析牛顿摆的运动特点,实验过程直观、高效,实验结果具有科学性,对物理教学有一定的参考价值.     

非紧凑低马赫数运动边界散射流动噪声的预测

提出了一种求解非紧凑低马赫数运动边界散射流动诱发噪声的预测方法。该方法首先基于运动坐标系下的连续性方程和动量方程推导得到该坐标系下的波动方程及其积分解,然后在该坐标系下采用边界元方法求解得到非紧凑运动边界表面的声压,最后将求解得到的壁面声压回代到静止或运动坐标系下的积分方程中实现对远场噪声的预测。推导得到的积分方程适用于流体与飞机机身、高速列车车身及旋转叶片等非紧凑结构边界作用诱发噪声的预测。     

非水平直圆管中黏性流体层流流量公式的推导及实验验证

通过牛顿粘滞定律和修正后的伯努利方程对非水平直圆管中黏性流体作层流运动时的流量公式进行了推导。指出将泊肃叶公式中的压强视作广义压强,则文中的推导公式与泊肃叶公式完全一致。说明泊肃叶公式可以用来求解非水平直圆管中黏性流体作层流运动时的流量。本文通过实验验证了推导公式。