二维槽道湍流拟序结构的大涡模拟

本文采用大涡模拟的方法,对二维槽道湍流流动进行了数值模拟。采用Chorin的分步投影法求解大尺度涡运动的Navier-Stokes方程,小尺度涡采用三种亚格子（SGS）模式分别模拟,给出了不同亚格子涡粘性模式下的模拟结果。对固壁面采用了壁函数。模拟结果再现了二维槽道流动拟序结构的发展演变过程。通过对不同入口速度下的瞬态流场的比较,揭示了入口速度分布对流场的影响。     

甲烷平面射流扩散火焰的大涡模拟

本文对甲烷-空气平面自由射流扩散火焰进行了大涡模拟,采用分步投影法求解动量方程,湍流亚格子项采用动态模式模拟,化学反应速率亚格子项采用动态相似模式模拟,压力泊松方程采用修正的循环消去法快速求解,空间方向采用二阶精度的差分格式,在时间方向上采用二阶精度的显式差分格式。模拟结果给出了湍流扩散火焰的瞬态发展变化过程,表明射流扩散火焰的发展过程存在着“湍流控制”和“化学反应控制”两个不同阶段。 “湍流控制”阶段仅存在于火焰发展初期的极短时间内。     

三维气固两相混合层湍流拟序结构的直接数值模拟

本文对三维气固两相混合层湍流拟序结构进行了直接数值模拟。气相流场应用拟谱方法对Ｎ－Ｓ方程组进行直接求解,通过模拟时间模式的混合层流动,分析流场失稳后涡的卷起、配对、合并及撕裂过程,研究三维混合层湍流拟序结构的演变特征;计算颗粒场时,采用Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ方法,针对颗粒不同的Ｓｔｏｋｅｓ数,模拟了颗粒场的瞬态分布,并分析流场三维大涡结构对颗粒分布的影响。     

乙醇-空气液雾两相流动和燃烧的大涡模拟

采用动态Smagorinsky亚网格应力模型,EBU(ED,eddy dissipation)燃烧模型和欧拉-拉氏两相流模型,对乙醇-空气湍流两相流动和燃烧进行了大涡模拟(LES).瞬态模拟结果与实验结果定性一致.在火焰瞬态结构的高温区域,旋涡强度较大,在高温区边缘附近存在的拟序结构有脱落的趋势.乙醇液滴通过喷雾器喷出...     

转捩射流中涡结构与颗粒扩散的直接模拟

为考察转捩射流中拟序结构的空间演化过程及其对不同Stokes颗粒扩散的影响,采用有限容积方法和分步投影算法对三维气固两相射流进行了直接模拟。其中流体控制方程组的时间积分采用低存储三阶精度的Runge-Kutta格式; 颗粒的跟踪在拉格朗日框架下进行。模拟结果发现,在流场拟序结构由大尺度转化为小尺度的过程中,中、小Stokes数的颗粒能自发地调整它们的扩散方式,分别由非均匀状态向均匀状态以及由均匀状态向非均匀状态转变。     

基于二阶矩燃烧模型的液雾燃烧大涡模拟

采用亚网格动能(k方程)应力模型、二阶矩(SOM)燃烧模型和欧拉拉氏两相流模型,对乙醇-空气液雾燃烧进行了大涡模拟(LES)。瞬态结果显示:在火焰的高温区域,旋涡强度较大;在高温区边缘附近存在的拟序结构有脱落的趋势。在燃烧装置的燃料进口附近,近喷嘴中心区域,大量液滴聚集在条状湍流拟序结构的周围。LES模拟的统计结果给出的温度分布与实验结果吻合较好。说明SOM燃烧模型适用于液雾两相湍流燃烧研究,计算结果经过和实验数据对比发现,LES-SOM燃烧模型优于RANS-PDF及LES-FA计算结果。数值计算结果与实验结果的误差主要是由于采用统观一步反应机理引起的,表明燃烧模型还有待进一步改进。     

高雷诺数气固湍流射流的直接数值模拟

本文对流动雷诺数 Re=5990的空间发展的气固两相湍流射流进行了直接数值模拟。其中对流场的求解采用具有四阶精度的紧致差分格式,对颗粒场的跟踪采用拉格朗日方法。结果表明,湍流拟序结构逐渐由对称模式发展到非对称模式;较小 Stokes 数的颗粒在流场中均匀分布,较大 Stokes 数的颗粒沿横向没有明显的扩散,而 Stokes 数为 1的量级的颗粒则大量聚集在大涡结构的外围。     

湍流边界层拟序结构的大涡模拟研究

采用动力亚格子模型,利用大涡模拟方法模拟了雷诺数为13000的充分发展槽道湍流流动。从瞬时速度和脉动 速度场、脉动速度相关、均方根脉动涡量分布、以及瞬时涡量场等多个方面,对湍流边界层流动的拟序结构进行了分析, 包括近壁区小尺度湍流结构和瞬态过程,如条纹结构、喷射和扫掠过程、以及近壁旋涡结构等。     

激光驱动高速金属颗粒与气体相互作用

采用激光驱动技术模拟高速运动金属颗粒与气体相互作用过程,研究高速气固两相流输运过程。采用驱动靶优化设计、激光参数调节等方法对颗粒加速过程进行控制,利用高时空分辨率、高精度瞬态实验诊断技术获取高速颗粒瞬态物理图像。通过求解三维雷诺平均Navier-Stokes方程和刚体飞行六自由度动力学方程数值模拟高速单颗粒与气体混合过程,方程采用高斯−赛德尔隐式方法进行时间推进求解。研究表明,激光驱动方法能够有效地发射金属颗粒,阴影照相技术能够有效获取高速颗粒物理图像。数值模拟给出了高速颗粒与气体作用的流场参数。     

城垛形喷口两相圆湍射流拟序结构的流动显示研究

用流动显示的方法对城垛形喷口气固两相圆湍射流中的拟序结构进行了研究。实验中采用直径为150 μm和350μm的玻璃微珠示踪固相,固相的气载比大约在1.0左右。喷口流动雷诺数为5000,斯德鲁哈尔数为0.50。实验结果表明:城垛形喷口能够影响两相圆湍射流中大涡结构的产生和演化。无动态激励时,城垛形喷口能促进大涡结构的产生和演化。有动态激励时,该喷口对射流中拟序结构的影响与流场中的颗粒大小有关。因此,城垛形喷口是控制两相圆湍射流拟序结构的一个有效途径。     

Numerical simulation of flames as gas-dynamic discontinuities

The dynamics of thin premixed flames is computationally studied within the context of a hydrodynamic theory. A level-set method is used to track down the flame, which is treated as a free-boundary interface. The flow field is described by the incompressible Navier–Stokes equations, with different densities for the burnt and unburnt gases, supplemented by singular source terms that properly account for thermal expansion effects. The numerical scheme has been tested on several benchmark problems and was shown to be stable and accurate. In particular, the propagation of a planar flame front and the dynamics of hydrodynamically unstable flames were successfully simulated. This includes recovering the planar front in narrow domains, the Darrieus–Landau linear growth rate for long waves of small amplitude, and the nonlinear development of cusp-like structures predicted by the Michelson–Sivashinsky equation for a small density change. The stationary flame of a Bunsen burner with uniform and parabolic outlet flows were also simulated, showing in particular a careful mapping of the flow field. Finally, the evolution of a hydrodynamically unstable flame was studied for finite amplitude disturbances and realistic values of thermal expansion. These results, which constitute one of the main objectives of this study, elucidate the effect of thermal expansion on flame dynamics.     

ＣＲＥＭ法半连铸Ａｌ合金过程中电磁场对溶质元素固溶的影响机理

实验研究了低频交变电磁场作用下， 7075合金半连铸坯微观组织形貌及各溶质元素的固溶 情况；并就电磁场对液固相线位置和结晶间隔的改变进行了测定；此外还数值模拟了电磁场 对半连铸过程中液穴内部温度场和流动场的影响.从电磁场对7075合金凝固过程中的溶质分 配系数，结晶间隔，液穴内部温度场、流动场以及微观组织形貌的影响出发，尝试性地对电 磁场的强制固溶机理进行探讨性的解释和说明. 关键词： 电磁场 半连铸 铝合金 固溶     

Experimental evidence of thermal vibrational convection in a nonuniformly heated fluid in a reduced gravity environment

We report experimental evidence of convection caused by translational vibration of nonuniformly heated fluid in low gravity. The theory of vibrational convection in weightlessness is well developed but direct experimental proof has been missing. An innovative point of the experiment is the observation of a temperature field in the front and side views of the cubic cell. In addition, particle tracing is employed. The evolution of this field is studied systematically in a wide range of frequencies and amplitudes. The flow structures reported in previous numerical studies are confirmed. The transition from four-vortex flow to the pattern with three vortices is observed in the transient state.     

Experiments on Ion-Acoustic Solitons in Plasmas Invited Review Article

Experiments on ion-acoustic solitons are reviewed. Theories and numerical simulations which are relevant to experimental results are also presented. The measured velocity and width of planar solitons are compared with the predictions of the Korteweg-deVries (KdV) equation which includes a finite ion temperature. The spatial evolution of compressive or rarefactive pulses is discussed. Cylindrical and spherical solitons are introduced together with a modified KdV equation and numerical results. Oblique collisions and their evolution, including overtaking and head-on collisions of two planar, cylindrical, or spherical solitons are described. Reflection, diffraction, and other topics related with ion-acoustic solitons are presented.     

激光熔覆中同轴粉末流温度场的数值模拟

在激光同轴送粉熔覆中,由于激光与粉末流相互作用,粉末流整体温度分布直接影响激光熔覆的质量.基于非预混燃烧模型,将激光相处理为连续性介质,粉末颗粒相看作离散相物质,建立了激光作用下粉末流的质量、动量和能量方程.用Fluent软件进行了不同激光功率和粉末流速度条件下粉末流整体温度场数值模拟,讨论了各种参数对温度场分布的影响.为了验证该模型的准确度,利用CCD比色测温方法测量了粉末流整体温度场分布.结果表明,数值模拟与CCD检测结果具有良好的一致性,数值模拟结果对激光熔覆具有指导意义.     

Optical data transfer by switching waves in bistable interferometers with a specified optical thickness distribution

The evolution of switching wave fronts in thin-layer bistable Fabry-Perot interferometers with a specified topology of the transverse distribution of the optical thickness of an intermediate layer is studied. The conditions of passage of switching waves through the boundary between regions with different thicknesses and of tunneling of waves through a barrier of a variable thickness and width formed by two such boundaries are determined by numerical modeling. The possibilities of the formation of planar waveguide channels, regions of retardation and acceleration of the motion of switching waves, and points of the splitting and joining of their fronts are demonstrated, as well as the possibility of creating planar structures on this basis that can perform optical logic operations.     

电弧增材成形中熔积层表面形貌对电弧形态影响的仿真

电弧增材成形常采用单道多层或多道搭接的熔积方式,不同的熔积方式下对应的熔积层表面形貌不同,从而影响电弧的形态及其传热传质过程.本文建立了纯氩保护电弧增材成形的电弧磁流体动力学三维数值模型,以及不同表面形貌的熔积层模型,并在保持阳极与阴极之间距离和熔积电流不变的条件下,通过模拟计算获得增材成形特有的单道和多道搭接熔积条件下的不同表面形貌对应的电弧形态以及相应的温度场、流场、电流密度、电磁力、电弧压力分布.数值模拟结果表明:平面基板上起弧情况下电弧中心具有较高的温度、速度、电流密度以及压强;单道多层熔积情况下熔积层数对电弧的各个参量影响较小;多道搭接熔积情况下电弧呈非对称分布,电弧中心温度较前两者低,电流密度、电磁力和电弧压强的分布偏向熔积层一侧.     

激波冲击火焰的流动拓扑研究

为深入研究激波冲击火焰现象的内在机制,采用二维带化学反应的Navier-Stokes方程对现象进行数值研究,通过对速度梯度张量特征方程的分析证明Okubo-Weiss函数适用于可压缩流动,并重点分析火焰区的流动拓扑特性.结果表明,波后火焰区内Okubo-Weiss函数积分量基本守恒,但在火焰区内部和表面具有截然不同的流动状态,且火焰发展基本不受流场可压缩性的影响;波后火焰区的流动拓扑分类主要以焦点和鞍点为主,意味着流场中变形占主导.     

船舶侧向进气装置一体化数值研究

不同于以往孤立研究船舶进气装置的研究方法,本文采用三维数值模拟方法结合标准κ-ε模型对侧向进气装置内外流场进行了一体化数值研究。获得了侧向进气装置行驶过程中的气动参数分布以及进气室内部气流分布形态,得出气动损失最大位置,并通过定义总压恢复系数计算了船舶在行驶过程中的阻力分布。     

一种分析楔形光纤的等效矩形近似-阶梯串联法

楔形光纤(WSF)是实现平面光波光路芯片入出端口与光纤高效连接的核心部件. 采用数值模拟方法分析其中光波传输演化过程,是优化设计光子器件耦合结构的重要基础. 提出基于等效矩形近似的三维阶梯串联法(ERA-SCM),将楔端沿传输方向细分,引入矩形波导近似,给出了细分后各段近似矩形波导的等效折射率;在此基础上,建立了阶梯串联法分析模型,分级给出WSF中光波传输过程与模场演变. 数值分析结果表明,ERA-SCM比有限差分束传播法(FD-BPM)能够更精确地分析非对称光纤和波导结构,描述其中光模场的演化. WSF出射光场实测结果表明,ERA-SCM数值模拟结果与实验结果的误差为1.9%,而FD-BPM的误差为4.5%. ERA-SCM是分析非对称光波导光波传输与模场演变的有效方法. 关键词： 平面光波光路 楔形光纤 等效矩形近似 阶梯串联法