返回舱三维高超声速绕流及近尾迹流场数值模拟

为使返回舱安全、稳定、可靠地飞行,准确地计算其周围的复杂绕流流场,对飞船的初步设计是十分必要的。用Ｈａｒｔｅｎ－Ｙｅｅ的二阶迎风ＴＶＤ有限差分格式求解薄层Ｎ－Ｓ方程,模拟了返回舱三维高超声速流场,Ｍ＿∞＝７．３５,Ｒｅ＿∞＝７．５×１０￣５,α＝１０°、２０°。给出了详细的绕流结构,不同攻角、不同子午面上的物面压力分布与Ｍｏｓｅｌｅｙ和ｗｅｌｌｓ的实验数据进行了比较,符合较好。通过分析表明,在一定的攻角下,倒锥体上低压区压力的计算精度,对力矩系数及压心位置仍有明显的影响。     

三维溃坝流的光滑粒子动力学方法模拟

采用光滑粒子动力学SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法对三维溃坝流问题进行了数值模拟。为了逼真地模拟出坝内水体与壁面间相互作用而产生的水花飞溅、融合以及近壁面流动等现象,加入了混合长度形式的湍流模型。为了有效地防止粒子穿透固壁,提出了一种新型的适合三维数值模拟的固壁边界处理方法。应用SPH方法对三维溃坝流进行了数值模拟,并分别考虑了未添加障碍物和添加圆柱障碍物两种情形。计算结果表明,改进SPH方法能够精细地捕捉溃坝流在不同时刻的自由液面,并获得稳定而精确的数值结果。     

流向磁场作用下圆柱绕流的直接数值模拟

绕流是托卡马克装置中液态包层内常见的流动形态,对流场与热量分布有着重要的影响.本文通过直接数值模拟(DNS),研究了不同磁场强度下Re=3900的圆柱绕流,分析了磁场强度对于湍流尾迹的影响.无磁场情况下,直接数值模拟的结果与前人的实验及模拟结果吻合很好.圆柱下游的尾迹中,随着流向距离的增大,流向速度剖面逐渐从U型进化呈V型,并慢慢趋于平缓,这表明尾迹中的流动结构受圆柱影响逐渐减小.圆柱后方两侧的剪切层中,由于Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响,可以清晰地看到小尺度剪切层涡的脱落.通过对无磁场的计算结果施加流向磁场,本文计算了哈特曼数(Ha)分别为20, 40和80的工况,以研究磁场效应对于湍流的影响.结果表明磁场较弱时,流动依然呈三维湍流状态.随着磁场增强,近圆柱尾流区受磁场抑制明显,回流区被拉长,剪切层失稳位置向下游转移.圆柱后方的涡结构由于受到竖直方向洛伦兹力的挤压作用,随着哈特曼数的增加尾迹区域逐渐变窄.相比于无磁场情况的涡结构,由于磁场的耗散作用,相应的涡结构尺度变小.该研究不仅扩展了现有磁场下湍流运动的参数范围,对于液态包层的设计及安全运行同样具有重要的理论指导意义和工程应用价值.     

三维波浪-流-串行桩柱相互作用的数值分析

为探讨波浪-流-串行桩柱的相互作用,建立了三维数值模型,采用大涡模拟(LES)方法对湍流进行模拟。研究了波浪-流-串行桩柱相互作用下的拖曳系数,对波浪-流靠近结构时的非线性相互作用引起的拖曳力和涡的变化,以及在结构前后自由面的变化进行了分析,并且与波浪-流与孤立桩柱相互作用的研究进行比较。结果表明:由于桩柱的存在,在波浪-流的传播过程中出现了时间延迟,这就导致了桩柱前后附近自由面水位存在较大的位移差;由于桩柱之间互相干扰,下游桩柱的存在导致上游桩柱附近不能形成非对称的周期性涡脱落,上游桩柱横向拖曳力受到影响最大,顺方的拖曳力也受到明显影响;下游桩柱横向和顺向的拖曳力都受到较大的影响;同时涡的脱落会把其附近的自由面吸入。     

湍流加速火焰的三维数值模拟

火焰在设有障碍物的管内传播时会自身加速,并可能导致爆炸。本文基于湍流κ-ε模型和改进的EBU—Arrhenius反应模型,对该现象进行了三维空间的数值模拟。计算结果反映了障碍物、湍流和火焰之间相互作用的正反馈机理,描绘了火焰在管内加速传播的三维图像。     

三维复杂流场内能激发松弛的DSMC数值模拟

本文研究了带内能激发松弛和不同来流条件下的复杂外形高超声速飞行器过渡区三维流场特性.采用一种对飞行器物面网格与DSMC计算域网格分别标识的方法,通过判断模拟分子与表面碰撞来完成飞行器物面网格与DSMC计算域网格间的信息传递和信息存贮,对于复杂外形飞行器精确描述的物面网格不需做进一步处理,直接应用于不依赖于飞行器外形的DSMC计算的通用子程序中.采用L-B碰撞模型,分析了内能激发松弛的流场参数特性,从分子碰撞、分子与飞行器表面碰撞的角度,分析了不同来流条件下的流场参数的变化情况.     

方柱绕流的数值模拟

采用有限差分法,对雷诺数为2.2×104的方柱绕流进行了大涡模拟(简称LES).运用时间分裂控制(Split-Operator)法,将N-S方程分为对流步、扩散步和传播步.对Smagorinsky假设在近壁区的发散问题用两层模型进行处理.对流项用迎风-中心差分格式模拟,压力方程用SOR法迭代求解.计算得到的沿对称线的时均顺流向速度与文献上的实验结果进行了比较,结果吻合较好;同时还对绕方柱流的流场结构进行了分析研究.     

裂缝性低渗透油藏流-固耦合理论与数值模拟

根据裂缝性低渗油藏的储层特征,建立适合裂缝性砂岩油藏渗流的等效连续介质模型。将渗流力学与弹塑性力学相结合,建立裂缝性低渗透油藏的流-固耦合渗流数学模型,并给出其数值解.通过数值模拟对一实际井网开发过程中孔隙度、渗透率的变化以及开发指标进行计算,并和刚性模型以及双重介质模型的计算结果进行了分析比较.     

基于CFD的河流弯道二次流的三维数值模拟

为了系统地研究河流弯道在二次流影响下水沙运动的特点,本文基于CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟和物理模型实验的方法,对河流弯道二次流进行了模拟和测量;应用雷诺时均法模型,结合Eulerian两相流模型对河流弯道二次流及其泥沙冲淤规律进行了数值模拟;以SIMPLE方法对压力场和速度场进行了耦合计算,并对辽宁省阜新市细河某段支流河道进行了物理模型实验,数值模拟的结果与实验结果基本一致,表明了本文方法的正确性。在此基础上,对90°弯曲的梯形断面河道的二次流结构和冲淤变化进行了分析,为防洪和水利设施的建设提供理论依据。     

数值模拟界面流方法进展

用数值模拟方法研究界面流,对于工程设计和理论分析复杂流动都是非常重要的.单纯用现有的高分辨格式无法清晰定出流体界面,故此对界面必须进行特殊的处理,例如界面跟踪(front tracking)方法．本文对界面流的各种数值模拟方法进行了综述．这些方法包括锋面跟踪法、移动网格法、基於粒子法、边界积方法、连续对流格式、体积跟踪方法和水平集的方法．我们着重介绍了现阶段处理流体界面问题使用较多的方法:体积跟踪方法和水平集方法．同时我们也对各种方法的优缺点作了评述.      

多爆源云雾爆炸波相互作用的三维数值研究

从三维全N S方程出发,用二阶迎风TVD格式,针对贴地和近地三种不同的爆源位置,研究了两团云雾爆炸后爆炸场的相互作用。计算结果表明:本文的方法可模拟多爆源爆炸后冲击波的传播和爆炸场复杂的波系结构。压力分布可确定爆炸场任意位置的压力时间变化历程。     

可冲刷坡面滚波数值模拟研究

应用一维水沙耦合数学模型研究了可冲刷坡面上滚波的水动力学特性. 模型的基本控制方程采用完整的、基于守恒定律的一维浅水动力学方程,运用能够捕捉激波和泥沙运动不连续性的WAF TVD二阶数值格式离散控制方程. 通过复演定床滚波的运动特点,对模型进行了验证.可冲刷坡面的滚波数值模拟结果表明,床面形态对滚波水动力学特性有显著的影响.     

出口爆轰的外流场研究

利用内径为30mm, 长度为1000mm的爆轰管,对脉冲爆轰发动机进行研究. 爆轰管内充满氢气-氧气-氮气预混气,采用底端中心点火. 对半球形高温火团引发的氢气-氧气-氮气爆轰过程和管内、外流场分布进行轴对称数值模拟,考虑了H_2-O_2-N_2的详细化学反应动力学机理,该机理包含了19个基元反应和9种组份. 实验和计算获得的外流场阴影和数值照片,形象地描述了管外流场的变化. 数值计算结果和实验结果基本一致,根据实验和数值计算结果,详细地讨论了悬吊激波产生的动力学机理. 爆轰波溢出爆轰管后,斜压效应和Helmholtz不稳定导致涡环的产生,同时在流场中形成止于涡环的悬吊激波,涡环形状的变化又引起悬吊激波的强度、形状和位置的变化.      

The Patterns of Surface Capillary-gravity Short-crested Waves with Uniform Current Fields in Coastal Waters

A fully three-dimensional surface gravity-capillary short-crested wave system is studied as two progressive wave-trains of equal amplitude and frequency, which are collinear with uniform currents and doubly-periodic in the horizontal plane, are propagating at an angle to each other. The first- and second-order asymptotic analytical solutions of the short-crested wave system are obtained via a perturbation expansion in a small parameter associated with the wave steepness, therefore depicting a series of typical three-dimensional wave patterns involving currents, shallow and deep water, and surface capillary waves, and comparing them with each other.The project supported by the Foundation for the Author of National Excellent Doctoral Dissertation of China (200428), the National Natural Science Foundation of China (10272072 and 50424913), the Shanghai Natural Science Foundation (05ZR14048), and the Shanghai Leading Academic Discipline Project (Y0103). The English text was polished by Yunming Chen.     

激波与爆轰波对撞的数值模拟研究

用二阶精度NND差分格式和改进的二阶段化学反应模型模拟了爆轰波与激波的对撞过程,研究了不同强度入射激波对爆轰过渡区域的影响. 当对撞激波较弱时,透射爆轰波演变主要受流动膨胀作用的影响,可划分为对撞影响区、爆轰恢复区和稳定发展区3个阶段. 在爆轰恢复区和稳定发展区,前导激波压力经历一个过冲、然后向稳定爆轰过渡的过程,表现了爆轰波熄爆和再起爆的物理特征. 当对撞激波较强时,可燃混合气体的高热力学参数导致了更高的化学反应活化程度,形成了弱爆轰向稳定爆轰的直接转变.      

Generation of internal waves by a turbulent jet in a stratified fluid

The process of generation of internal waves by an initially cylindrical, turbulent jet with a Gaussian profile of the average horizontal velocity component in a fluid with stable linear density stratification is investigated by direct numerical simulation. It is shown that on time intervals Nt < 30, where N is the buoyancy frequency, the vertical velocity pulsations collapse, which is accompanied by the generation of internal waves whose spatial period is close to the wavelength of the spiral mode of jet instability in a homogeneous fluid. The wave dynamics and kinematics can be satisfactorily described by the linear theory for a pulsed source and their parameters are in good agreement with the parameters of the “coherent” internal waves generated by a stratified wake in a laboratory experiment. At large times the wave generation ceases and the variations of the fluid density are localized in the neighborhood of the centers of large-scale vortices formed in the horizontal plane in the neighborhood of the jet.     

等波高双孤立波直墙爬高的数值模拟

基于RANS方程、VOF方法以及修正的Goring造波方法建立了模拟活塞式推波板运动的二维数值波浪水槽,实现了双孤立波直墙爬高的数值模拟．利用动边界技术模拟造波机推波板的运动,有效地实现了不同波峰间距双孤立波的造波方法．在验证单孤立波直墙爬高的基础上,模拟了不同相对波高、相对波峰间距的等波高双孤立波的直墙爬高过程,给出了波面、速度场及波动能量的变化规律．数值模拟结果表明：对于等波高的双孤立波,当入射波波高较大及两个波峰间距相对较小时,跟随在后孤立波的爬高放大系数小于先导孤立波的爬高放大系数;双孤立波在直墙爬高过程中,波动场的势能时间过程线呈现三峰形态,其中居中的最大势能峰值出现在第二个孤立波与经直墙反射后反向传播的第一个孤立波完全对撞的时刻．     

波浪作用下直立结构物附近强湍动掺气流体运动的数值模拟

波浪破碎卷入气体易对建筑物受力产生压力振荡, 了解波浪作用下建筑物附近掺气水流的运动特性是精确计算建筑物受力的前提. 基于OpenFOAM开源程序包和修正速度入口造波方法建立三维数值波浪水槽, 模型采用S-A IDDES湍流模型进行湍流封闭, 并采用修正的VOF 方法捕捉自由液面, 数值模拟了规则波在1:10的光滑斜坡上与直立结构物的相互作用过程, 重点分析了结构物附近的水动力和掺气水流运动特性. 结果表明, 建立的数值模型能精确地捕捉波浪作用下直立结构物附近的自由液面的变化以及气泡输运过程, 较好地描述气体卷入所形成的气腔形态以及多气腔之间的融合、分裂等过程; 波浪与直立结构物相互作用产生强湍动掺气水流, 其运动过程十分复杂; 掺气流体输运过程中水气界面周围一直伴随着涡的存在, 其中, 气泡的分裂与周围正负涡量剪切作用密切相关, 且其输运轨迹主要受周围流场的影响; 研究揭示了结构物附近湍动能与掺气特性的关系, 发现波浪作用下直立结构物附近湍动能的分布与掺气水流特征参数(气泡数量、空隙率)整体呈现一定的线性关系.     

管道超声导波检测技术研究进展

综述管道超声导波检测技术及其应用研究进展。着重对超声导波技术和模态声发射技术在管道检测中的最新应用进行了评述,内容涉及超声导波的传播特性、实验检测方法及其数值模拟等。     

Experimental and Theoretical Investigation of Surface Electrization in a Combustion Product Flow

The electrization of cooled and non-cooled surfaces in a combustion product flow loaded with charged soot particles is investigated experimentally and theoretically. The charging currents of the inner surface of a cylinder located in a combustion (propane in air) product flow with a relatively high soot content and the charging currents of cooled and non-cooled cylinders located in a combustion product jet with a relatively low soot content are determined. Physico-mathematical models are constructed for the new effects observed experimentally and these models are theoretically and numerically analyzed.