自由汇流旋涡Ekman抽吸演化机理

自由汇流旋涡形成过程中有抽吸现象发生, 是一个比较复杂的气液两相耦合过程, 其中所涉及的Ekman层耦合及演化机理具有重要的科研价值与实际意义. 针对上述问题, 提出了一种自由汇流旋涡Ekman抽吸演化机理建模与分析方法. 基于多相流体体积VOF模型与湍动能-耗散(k-ε)模型, 建立了面向汇流旋涡Ekman抽吸演化的两相动力学模型. 基于上述模型, 分析初始转动速度分量、排流量与Ekman抽吸过程的内在联系, 并揭示相关流场分布规律. 研究结果表明: 初始扰动不同, 汇流旋涡的吸气孔、抽气孔距离容器底面边界的高度保持不变; 初始扰动加强, 吸气阶段转速增加, Ekman边界层厚度及抽吸高度增加, 抽吸、贯穿阶段Ekman抽吸现象减弱; 初始扰动恒定, Ekman抽吸高度保持不变, 与排流量变化无关. 研究结果可为自由汇流旋涡形成机理方面的研究提供有益参考, 也可为冶金、化工领域的旋涡抑制控制提供技术支持.     

湍流煤粉火焰中多相燃烧的跨尺度模拟方法及应用

通过"湍流涡团尺度"与"边界层反应尺度"的关联,建立了湍流煤粉火焰中多相燃烧的跨尺度模拟方法。该方法能够预报湍流脉动宏观规律对静止颗粒边界层内气相反应(如挥发分火焰、CO火焰)的影响。将该方法用于煤粉旋流燃烧数值模拟中,结果显示:与完全忽略边界层气相反应的单膜模型相比,跨尺度模拟的预报结果与Lockwood实验数据有更好的符合。     

具有弹性障板的有限长充液管道的管口声辐射

求解了下端自由、上端带弹性障板的有限长充液管道,在下端受到流体脉动激励时,上端管口向水下半无限空间的声辐射。求解过程中,管道部分采用行波法求解,其中管壁与管内流体的耦合归结到求解充液管道的色散曲线;弹性障板的振动部分则采用模态法来求解,其中弹性障板及管口与外界流体间的声振耦合最终归结到求解模态的辐射阻抗。数值研究表明:管口辐射的流体声和弹性障板辐射的结构声对系统的声辐射均有较大的贡献。     

地下强爆炸辐射流体动力学过程的二维数值模拟

为评估强爆炸的毁伤效应,利用流固耦合界面处理方法,考虑辐射输运引起的能量沉积过程,建立同时求解辐射流体力学方程和流体弹塑性方程的二维耦合计算方法,给出地下强爆炸时,爆室内辐射波传播、辐射能量沉积到岩土表层、岩土表层膨胀、冲击波在岩土介质中传播、爆室内高压压缩爆室壁、爆室壁振荡增大的完整物理过程.     

风沙运动问题的SPH-FVM耦合方法数值模拟研究

针对离散颗粒模型和欧拉-欧拉双流体模型在求解气粒两相流动问题中存在的不足,提出了一种新方法——SPH-FVM耦合方法,并应用于风沙运动过程的数值模拟计算.新方法基于拟流体模型,采用光滑粒子流体动力学方法(SPH)对离散颗粒相进行求解,追踪单颗粒运动轨迹,采用有限体积法(FVM)求解连续气体相,捕捉流场特性,两相间通过曳力、压力梯度、体积分数等参量进行耦合,建立了两种不同坐标系下方法间的耦合框架.对SPH粒子所承载的物质属性进行了重定义,改造成了适用于离散颗粒相求解的光滑离散颗粒流体动力学模型(SDPH),阐述了SPH粒子与离散相中颗粒之间的关系,推导得到了拟流体SPH离散方程组.模拟了风沙运动中沙粒跃移过程和自由来流风速作用下沙粒的运动过程以及沙丘在风力作用下缓慢向前蠕移的过程,分析了颗粒的运动轨迹,流场中沙粒水平速度分布规律以及气体速度场在沙粒反作用下的变化情况等,与实验结果相符合,结果表明该方法不仅精度较高,而且计算量较小,适于求解风沙运动问题乃至其他气粒两相流动问题.     

激波冲击V形界面重气体导致的壁面与旋涡作用及其对湍流混合的影响

基于多组分混合物质量分数模型,采用色散最小耗散可控的高分辨率有限体积方法,数值模拟了弱激波冲击V形空气/SF_6界面后,界面不稳定性生成的旋涡与固体壁面作用问题.激波冲击V形界面之后,因斜压效应诱导涡量沉积在界面附近,形成沿界面规则排列的多个涡对结构.旋涡的诱导作用使界面不断变形和卷起,同时旋涡之间不断发生相互并对,诱导更多更小尺度的旋涡产生.旋涡诱导作用的叠加效应,使界面尖端处的初始涡对向上下壁面发展.随后,涡结构开始与壁面发生复杂的相互作用.旋涡与壁面作用后沿壁面加速,使得物质界面沿壁面伸展,随后,旋涡从壁面回弹,并诱导二次旋涡产生.旋涡与壁面相互作用的过程,能够明显加剧物质混合.本文从物质混合的角度研究了该过程的机理,分析了旋涡与壁面作用对物质混合的影响.     

冲击加载下“V”形界面的失稳与湍流混合

采用多组分混合物质量分数模型和最小色散可控耗散格式的高分辨率有限体积方法,数值模拟了弱激波冲击不同角度的"V"形空气/SF_6界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性问题.激波冲击界面后,在界面附近沉积涡量,形成沿界面规则排列的旋涡结构,同时界面扰动发展形成气泡和尖钉结构.本文统计了界面左端移动速度和界面混合宽度增长率等特征量的演化规律,并与已有的实验结果进行了对比,两者符合较好.讨论了物质界面处的流体向湍流混合发展的过程,随着界面旋涡结构的演化,涡结构之间开始发生相互诱导、并对等现象,并逐渐聚集在几个区域,而多尺度结构也因旋涡的诱导作用在这些区域中产生.通过对由雷诺数定义的惯性尺度进行分析,发现了具有上下边界的惯性尺度区域的形成,对动能能谱的分析发现了-5/3对数率的出现,这同样说明了惯性尺度区域的形成.由于湍流混合转捩与惯性尺度区域的形成是一致的,界面附近流场将发展为湍流.     

采用一维湍流模型对瞬态煤粉气化火焰的数值模拟

煤的气化火焰中,湍流脉动与煤颗粒气化过程间存在着强烈的相互作用。为了在全尺度范围内直接模拟这种相互作用,本文采用一维湍流模型(ODT)与煤的气化过程相耦合,在Kolrnogorov尺度下对煤气化火焰区域进行数值模拟,得到了二维平面煤气化火焰的瞬态结构。模拟结果表明,大尺度涡团能够显著改变火焰的结构,并诱发局部小尺度涡团的产生。颗粒粒径决定湍流-气化过程作用的尺度范围,粒径较小的煤颗粒容易受到气体温度和速度脉动的影响,从而改变其运动轨迹和气化反应进程。     

旋涡声散射的空间尺度特性数值研究

旋涡对声波的散射问题是声波在复杂流场中传播的基本问题,在声源定位、声目标识别及探测、远场噪声预测等方面具有重要的学术研究价值和工程应用价值,如飞行器的尾涡识别、探测及测距,湍流剪切流中声目标预测,声学风洞试验中声学测量和声源定位等.声波穿过旋涡时会产生非线性散射现象,其物理机理主要与声波波长和旋涡半径的长度尺度比相关.本文采用高阶精度高分辨率线性紧致格式,通过求解二维非定常Euler方程,数值模拟了平面声波穿过静止等熵涡的物理问题.通过引入声散射截面法,分析了不同声波波长与旋涡半径的长度尺度比对声波脉动压强、声散射有效声压以及声散射能量的影响规律.研究表明:随着声波波长与旋涡半径的长度尺度比逐渐增加,旋涡流场对声场的影响逐渐减弱,声散射有效声压影响区域先逐渐增大随后逐渐减小,声散射能量最大值呈现4种不同的变化阶段.     

一维导电共聚物中极化子输运的动力学研究

利用非绝热动力学方法,理论上研究了一维导电共聚物[-(PT)x-(PPP)y]z-(PT)x-中的极化子在外电场作用下的动力学输运性质.研究发现,极化子在共聚物中不易传输,其运动敏感地依赖于嵌段间界面的耦合;嵌段尺度对于极化子的运动具有重要的影响.所得结果与相关实验一致.     

贯流风扇偏心涡非定常特性研究

本文应用大涡模拟计算并描述了贯流风扇内部旋涡流动的非定常变化细节.研究结果表明,贯流风扇叶片绕流流态复杂,吸力面存在分离流动,叶片出口形成明显的尾迹区.在蜗舌一侧存在偏心涡,由核心区域和外围区域组成.其中偏心涡的核心区域由两至二三个叶道内气流在内径处分离产生的旋涡团组成,在流动过程中涡量由上游的脱落涡得到补充.偏心涡的外围区域由蜗舌附近回流的旋涡团组成,引起蜗舌表而压力脉动,产生干涉噪声.干涉噪声频谱在低频带上具有较大声压级,最大声压级处的频率和叶轮出口侧叶道的脱落涡频率相关.     

液滴溅落问题的光滑粒子动力学模拟

对传统的光滑粒子动力学方法进行了改进, 改进的光滑粒子动力学方法对传统粒子方法中的核近似式和粒子近似式进行了修正, 采用Riemann 算法求解光滑粒子动力学流体控制方程, 添加了表面张力的计算程序, 考虑了表面张力对液滴溅落的影响. 应用改进的光滑粒子动力学方法对液滴静止状态下冲击液面的飞溅过程进行了数值模拟. 计算结果表明, 改进的光滑粒子动力学方法能够有效地描述液滴溅落液面的动力学特性和自由表面变化特征, 能够得到稳定精度的结果.     

方柱-弹性分隔板涡致振动数值研究

本文开发了基于有限体积法的流固强耦合大变形求解器,流体采用ALE动网格技术,固体采用修正拉格朗日模型进行求解。研究100≤Re≤1000范围内,方柱-弹性分隔板的涡致振动特性及其尾流脱涡特性。结果表明:弹性分隔板阻断尾流区剪切层的相互作用,使钝体阻力减小,旋涡脱落至下游;随着雷诺数的增加,方柱和分隔板的升力系数与振幅逐渐增大;弹性分隔板的斯特努哈尔数明显较小,能够更好地抑制尾流区剪切层间的相互作用.     

纳米流体多相流动的多尺度模拟方法

针对纳米流体多相流动的微观特征,提出一种基于格子Boltzmann的多尺度耦合方法,在速度和悬浮纳米粒子分布变化比较剧烈的区域采用细网格多相模型,在其它区域视纳米流体为均匀混合的单相流体,使用粗网格单相模型.为保证不同尺度区域之间的物理信息(参数)的准确传递,运用质量和动量守恒原理,建立跨区域的边界耦合模型.几个算例表明,该方法既可以反映纳米流体流动的微观特征,又能提高计算效率,与单纯使用多相模型相比,节省大量时间.     

旋涡声散射特性的尺度效应数值研究

以声波为主要表现形式的膨胀过程和以旋涡为主要表现形式的剪切过程之间的非线性耦合问题一直以来都是流体力学的研究热点.尤其是旋涡对声波的散射问题,具有重要的科学意义与工程应用背景.本文通过线性紧致格式直接数值求解二维欧拉方程,获得了平面声波穿过均熵Taylor涡的散射特性.与之前经典文献中的标准算例比较,结果极其吻合,直接验证了研究所采用的高精度高分辨率空间差分和时间推进格式以及远场无反射边界条件(缓冲区)的计算方法在时域同时解析动力学量和声学量(量级远远小于动力学量)的有效性.通过引入散射截面,将全区域的散射分为长波近似区、共振散射区和几何声学区.针对每个子区域,重点分析了无量纲尺度量旋涡强度和长度尺度比对散射声场的影响,给出了散射声场关于上述两个关键无量纲参数的尺度律关系,并且得到了极低马赫数极大波长时散射声场的分布函数.在此基础上给出了关于旋涡声散射物理机制的一种解释.     

基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法的流固耦合算法研究

针对流固耦合问题,发展了基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法(immersed boundary method multi-relaxation-time lattice Boltzmann flux solver,IB-MRT-LBFS)的弱耦合算法.依据多尺度Chapman-Enskog展开,建立不可压宏观方程状态变量和通量与格子玻尔兹曼方程中粒子密度分布函数之间的关系;采用强制浸入边界法处理流固界面使固壁表面满足无滑移边界条件,根据修正的速度求解动量方程力源项;结构运动方程采用四阶龙格-库塔法求解.格子模型与浸入边界法的引入使流固耦合计算可以在笛卡尔网格下进行,无需生成贴体网格及运用动网格技术,简化了计算过程.数值模拟了单圆柱横向涡激振动、单圆柱及串列双圆柱双自由度涡激振动问题.结果表明,IB-MRT-LBFS能够准确预测圆柱涡激振动的锁定区间、振动响应、受力情况以及捕捉尾流场结构形态,验证了该算法在求解流固耦合问题的有效性和可行性.     

水下近水面锥柱组合壳声固耦合效应的半解析求解方法

针对水下近水面锥柱组合壳声固耦合多借助于数值方法求解的现状,本文提出一种半解析方法从机理上分析此类问题。首先基于能量泛函和Sanders壳体理论、虚拟弹簧法以及力与力矩平衡条件建立锥柱组合壳的结构模型;然后采用Legendre谱元法和二维傅里叶变换得到含自由液面的水下声场模型;最后由非线性迭代法和高斯积分求解耦合系统声振控制方程。通过与参考文献和数值方法结果的对比,验证了本文方法的收敛性、正确性和可靠性。研究结果表明,结构参数、浸没深度和激励频率与远场辐射声压密切相关。本文工作可推广到水下含内部结构的复杂旋转组合壳在不同结构边界及声边界下的声固耦合问题。      

激光加工溶池熔化和凝固过程数值分析

本文将固液界面熔融区作为多孔介质处理,通过引入液相分数标量,建立流体区和固体区统一的控制方程,实现流体与固体区域耦合求解以及熔化过程和凝固过程的同时求解．以 ＡＩＳＩ ３０４不锈钢材料激光加工过程为例,详细分析比较热传导、Ｍａｒａｎｇｏｎｉ和热浮力三种不同的换热机理对溶池形状和溶池内流动的影响。     

耦合相对转动非线性动力系统的稳定性与近似解

研究了一类含三次非线性耦合项的相对转动非线性动力系统的动力学行为. 建立了具有非线性弹性力、广义摩阻力耦合项的系统动力学方程. 运用多尺度法求解谐波激励下耦合非自治系统的近似解,通过讨论系统的主共振和内共振特性,分析了耦合项对系统响应的影响. 应用奇异性理论研究了主振稳态响应分岔方程的稳定性,得到了系统的转迁集和分岔曲线的拓扑结构. 关键词： 相对转动 非线性耦合动力系统 奇异性理论 稳定性     

铁电双层膜的反转动力学行为

基于Landau-Khalatnikov运动方程,本文研究了含有表面过渡层和铁电界面耦合的反转动力学行为(包括平均极化、反转时间、反转电流和矫顽场).研究结果表明:在铁电双层膜系统中存在一个竞争的机理,即表面过渡层与界面耦合的竞争作用.我们发现在双层膜反转过程中出现了反常行为,这些反常行为归因于表面过渡层与界面耦合之间的竞争.表面过渡层与界面耦合的共同行为对铁电双层膜的动力学特性起到了决定性的作用.