微喷管流动粒子仿真与Navier-Stokes数值模拟比较研究

运用DSMC（Direct Simulation Monte—Carlo）方法从分子运动论层次对大膨胀比、喉部转角为尖角的微喷管流动现象进行模拟,考察来流总压对喷管性能的影响,并与Navier—Stokes方程运算结果、实验结果进行比较。研究表明：在模拟微型喷管的流动现象时,DSMC方法比N—S方程更加适用。     

高焓喷管层流边界层分析

本文导得了适用于高焓、高M数锥形喷管层流边界层排挤厚度δ~*、动量厚度θ和边界层厚度δ的简便计算公式.喷管喉部上游假设为平衡流,喉部下游视为化学与振动冻结流.δ~*和δ均表示为喷管几何参数、喷管喉部参数及喷管所求点无粘流参数的显函数形式而不是积分形式,因此特别适宜于此类喷管的工程设计.本公式计算结果与国外发表的风洞实验测试数据进行了比较(详见本文图2及表3),结果是令人满意的.     

跨声速双曲型喷管流动

本文采用保角曲线坐标方法分析双曲型喷管喉部跨声速流动特性,给出了跨声速双曲型喷管流动的一般解.这个解适用于不同的喉部壁面曲率半径,适用于不同的比热比.通过计算给出了不同比热比下喉部跨声速流场的主要参数与曲率半径的关系以及典型跨声速流场的等马赫数线分布.本方法计算简单,精度较高,可作喷管设计,特别是气动激光喷管设计参考.     

高速双锥绕流中热化学与输运模型影响研究

激波与边界层之间相互作用是高超声速飞行中的常见现象,对飞行器气动性能与飞行安全至关重要.对于高焓来流,流场中通常存在复杂的物理化学现象,此时准确模拟流场中激波边界层相互作用的难度大,相关物理化学建模仍有待进一步考察和研究.本文针对最近文献中纯净空气高超声速双锥绕流实验开展数值研究,分别研究了不同热化学模型与输运模型对壁面压力与热流的影响.热力学模型包括完全气体、热力学平衡和非平衡模型,化学模型包括冻结和非平衡化学模型,输运模型包括经典的Wilke/Blottner/Eucken模型与更加复杂的Gupta/SCEBD模型,以及考虑壁面催化/非催化影响的模型.计算了6个不同算例,涵盖了低焓至高焓来流等不同工况.壁面压力与热流的数值计算结果与实验结果符合较好;对于低焓来流,计算结果主要受到分子内能分布的影响,输运模型对计算结果的影响不大;对于高焓来流,一方面计算结果受到化学反应与壁面催化的影响较大,另一方面不同输运模型对计算结果的影响也更加明显.     

高速双锥绕流中热化学与输运模型影响研究

激波与边界层之间相互作用是高超声速飞行中的常见现象,对飞行器气动性能与飞行安全至关重要.对于高焓来流,流场中通常存在复杂的物理化学现象,此时准确模拟流场中激波边界层相互作用的难度大,相关物理化学建模仍有待进一步考察和研究.本文针对最近文献中纯净空气高超声速双锥绕流实验开展数值研究,分别研究了不同热化学模型与输运模型对壁面压力与热流的影响.热力学模型包括完全气体、热力学平衡和非平衡模型,化学模型包括冻结和非平衡化学模型,输运模型包括经典的Wilke/Blottner/Eucken模型与更加复杂的Gupta/SCEBD模型,以及考虑壁面催化/非催化影响的模型.计算了6个不同算例,涵盖了低焓至高焓来流等不同工况.壁面压力与热流的数值计算结果与实验结果符合较好;对于低焓来流,计算结果主要受到分子内能分布的影响,输运模型对计算结果的影响不大;对于高焓来流,一方面计算结果受到化学反应与壁面催化的影响较大,另一方面不同输运模型对计算结果的影响也更加明显.      

ORIGIN OF HEAT EFFECTS AND SHEAR MODULUS CHANGES OF A Cu-BASED AMORPHOUS ALLOY 1)

剪切模量在非晶合金黏性流动、扩散及结构弛豫等行为中起着重要作用. 宏观剪切弹性决定非晶合金热流变化.探索非晶合金在结构弛豫和玻璃转变过程中宏观力学性能与热流的关联有助于理解其力学行为起源. 本研究基于自间隙理论对Cu$_{49}$Hf$_{42}$Al$_{9}$非晶合金热流、剪切模量及黏度进行研究,建立剪切模量与热流之间的关联. 通过测量剪切模量精确测定自间隙缺陷浓度演化规律.从能量角度出发,通过激活能图谱探索自间隙缺陷浓度对非晶合金热力学性能的影响. 借助于动态力学分析仪研究非晶合金从室温到过冷液相区的动态弛豫行为,探索物理时效引起的结构弛豫以及内耗演化规律. 研究结果表明,自间隙理论可准确描述非晶合金的弛豫动力学、剪切软化及结构弛豫诱导的力学行为. 结合热流数据可以很好描述铸态和弛豫态非晶合金剪切模量随温度演化过程,激活能图谱直观表述了单位激活能可激活的自间隙缺陷浓度. 自间隙缺陷在结构弛豫中湮灭,表现为玻璃体系结构向更稳定状态迁移.在玻璃化转变过程中,缺陷浓度显著升高伴随热吸收,表现为原子大规模协同运动和剪切软化. 物理时效诱导非晶合金内耗和原子移动性降低. 过冷液相区内原子移动性高至消除了结构弛豫影响.     

两方程湍流模型混合隐式迭代/解析算法研究

采用通量修正二阶TVD格式和混合隐式时间推进/解析算法求解k-ε湍流模型的输运方程以克服其计算刚性. 通过过膨胀状态下轴对称喷管内流场、带圆转方型面二元喷管内外流场两个算例, 验证了其配合改进的多重网格算法对计算效率的提高. 计算结果与试验数据进行了对比.      

黏性流体环境下Ⅴ型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究

Ⅴ型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用,该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂,直接影响器件的动态性能.本文针对Ⅴ型结构变截面、变刚度等复杂几何特征,建立了黏性流体环境下Ⅴ型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型,导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数,确定了截面孔宽比和频率参数影响下Ⅴ型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中Ⅴ型梁结构的频率响应特性.同时,设计了多种不同几何尺寸的Ⅴ型梁结构,并在水环境中开展了实验验证,结果表明,实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好,验证了Ⅴ型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外,基于该流固耦合动力学模型,详细分析了不同流体黏度、Ⅴ型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.     

黏性流体环境下V型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究

V型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用, 该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂, 直接影响器件的动态性能.本文针对V型结构变截面、变刚度等复杂几何特征, 建立了黏性流体环境下V型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型, 导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数, 确定了截面孔宽比和频率参数影响下V型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中V型梁结构的频率响应特性.同时, 设计了多种不同几何尺寸的V型梁结构, 并在水环境中开展了实验验证, 结果表明, 实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好, 验证了V型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外, 基于该流固耦合动力学模型, 详细分析了不同流体黏度、V 型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.      

导弹水下点火推力峰值问题的数值研究

通过对燃烧室内燃气采用常微分控制方程,对喷管-燃气泡流场采用准一维模型,数值研究了导弹水下点火初期推力峰值与燃气泡初始体积、喷管尾盖打开压强、发射深度等参数的关系。对水流场采用势流理论并通过边界元方法求解,水流场和燃气泡流场由交界面上的压力连续和速度连续条件相互耦合;利用准一维气流场模型计算得到的结果表明导弹在水下点火后瞬间所受推力将急剧增大,与利用球形气泡模型得到的结果一致。计算结果还表明推力峰值随着燃气泡初始体积的增加迅速降低,随着喷管尾盖打开压强的增加而增大,随尾盖质量的增加而增大;在一定范围内发射深度的变化对推力峰值影响较小,计算结果可为工程设计部门提供参考。     

铜基非晶合金热效应和剪切模量变化起源

剪切模量在非晶合金黏性流动、扩散及结构弛豫等行为中起着重要作用. 宏观剪切弹性决定非晶合金热流变化.探索非晶合金在结构弛豫和玻璃转变过程中宏观力学性能与热流的关联有助于理解其力学行为起源. 本研究基于自间隙理论对Cu$_{49}$Hf$_{42}$Al$_{9}$非晶合金热流、剪切模量及黏度进行研究,建立剪切模量与热流之间的关联. 通过测量剪切模量精确测定自间隙缺陷浓度演化规律.从能量角度出发,通过激活能图谱探索自间隙缺陷浓度对非晶合金热力学性能的影响. 借助于动态力学分析仪研究非晶合金从室温到过冷液相区的动态弛豫行为,探索物理时效引起的结构弛豫以及内耗演化规律. 研究结果表明,自间隙理论可准确描述非晶合金的弛豫动力学、剪切软化及结构弛豫诱导的力学行为. 结合热流数据可以很好描述铸态和弛豫态非晶合金剪切模量随温度演化过程,激活能图谱直观表述了单位激活能可激活的自间隙缺陷浓度. 自间隙缺陷在结构弛豫中湮灭,表现为玻璃体系结构向更稳定状态迁移.在玻璃化转变过程中,缺陷浓度显著升高伴随热吸收,表现为原子大规模协同运动和剪切软化. 物理时效诱导非晶合金内耗和原子移动性降低. 过冷液相区内原子移动性高至消除了结构弛豫影响.      

船用螺旋桨敞水性能与桨叶应力的数值分析

采用FLUENT软件中的多参考坐标系模型(MRF)对螺旋桨的敞水性能进行模拟,并将模拟结果与试验值进行比较,然后通过ANSYS Workbench中的流固耦合技术将FLUENT计算所得的桨叶表面压力加载到ANSYS中桨叶的有限元模型中进行静力分析计算,得到的桨叶应力结果与理论分析相吻合.     

等截面引射器启动性能数值研究

采用雷诺平均方程和SST k-ω湍流模型,空间离散采用二阶精度的Roe FDS方法,限制器采用Min-Mod方法,时间迭代采用隐式方法,研究了等截面引射器长度、引射器与喷管的间隙对其启动性能的影响。结果表明:等截面引射器存在启动、临界、不启动三种状态;在引射器长度一定的情况下,引射器与喷管之间的间隙越小,引射器的启动压比越小;在引射器与喷管之间间隙一定的情况下,对于本文所计算的工况,当引射器长度小于3m时,引射器所需的启动压比会很大,当引射器长度小于2m,则引射器很难启动;当引射器长度超过7m时,会对引射器的加工、安装、冷却带来诸多不利影响。     

一种基于黎曼解处理大密度比多相流SPH的改进算法

多相流界面存在密度、黏性等物理场间断,直接采用传统光滑粒子水动力学(smoothedparticle hydrodynamics,SPH)方法进行数值模拟,界面附近的压力和速度存在震荡.一套基于黎曼解能够处理大密度比的多相流SPH计算模型被提出,该模型利用黎曼解在处理接触间断问题方面的优势,将黎曼解引入到SPH多相流计算模型中,为了能够准确求解多相流体物理黏性、减小黎曼耗散,对黎曼形式的SPH动量方程进行了改进,又将Adami固壁边界与黎曼单侧问题相结合来施加多相流SPH固壁边界,同时模型中考虑了表面张力对小尺度异相界面的影响,该模型没有添加任何人工黏性、人工耗散和非物理人工处理技术,能够反应多相流真实物理黏性和物理演变状态.采用该模型首先对三种不同粒子间距离散下方形液滴震荡问题进行了数值模拟,验证了该模型在处理异相界面的正确性和模型本身的收敛性;后又通过对Rayleigh--Taylor不稳定、单气泡上浮、双气泡上浮问题进行了模拟计算,结果与文献对比吻合度高,异相界面捕捉清晰,结果表明,本文改进的多相流SPH模型能够稳定、有效的模拟大密度比和黏性比的多相流问题.      

炮风洞喷管开放后的自由活塞压缩过程

本文考虑炮风洞喷管开放后的自由活塞压缩过程,建立了活塞运动方程和喷管流动方程,并采用有限差分法和电子计算机进行了计算.根据计算结果,讨论了在各种初始条件下,喷管开放后活塞的过冲、反跳、摆动及平衡运行和峰压等有关问题.并把这些结果与传统的以闭喷管为基础的平衡活塞运行技术及一些实验结果进行了比较,对有关炮风洞的调试工作提出了一些有意义的参考数据.     

一种基于黎曼解处理大密度比多相流SPH的改进算法

多相流界面存在密度、黏性等物理场间断,直接采用传统光滑粒子水动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法进行数值模拟,界面附近的压力和速度存在震荡.一套基于黎曼解能够处理大密度比的多相流SPH计算模型被提出,该模型利用黎曼解在处理接触间断问题方面的优势,将黎曼解引入到SPH多相流计算模型中,为了能够准确求解多相流体物理黏性、减小黎曼耗散,对黎曼形式的SPH动量方程进行了改进,又将Adami固壁边界与黎曼单侧问题相结合来施加多相流SPH固壁边界,同时模型中考虑了表面张力对小尺度异相界面的影响,该模型没有添加任何人工黏性、人工耗散和非物理人工处理技术,能够反应多相流真实物理黏性和物理演变状态.采用该模型首先对三种不同粒子间距离散下方形液滴震荡问题进行了数值模拟,验证了该模型在处理异相界面的正确性和模型本身的收敛性;后又通过对Rayleigh–Taylor不稳定、单气泡上浮、双气泡上浮问题进行了模拟计算,结果与文献对比吻合度高,异相界面捕捉清晰,结果表明,本文改进的多相流SPH模型能够稳定、有效的模拟大密度比和黏性比的多相流问题.     

核主泵用双锥度端面流体静压机械密封热弹流效应研究

针对核主泵用双锥度端面流体静压型机械密封热弹流效应研究在高压和高速条件下,其密封性能易受端面热弹变形影响的特点,提出了收敛型双锥面流体静压型机械密封,并建立了热-流-固耦合数学模型;通过采用有限差分法求解端面温度和端面流体膜压的控制方程组,采用有限元法求解密封环的热、弹变形,对密封进行了流、固、热耦合分析,研究了热弹变形对密封性能的影响,并对单锥面和双锥面2种流体静压型机械密封的密封性能、温度分布进行了对比研究.结果表明:双锥面密封与单锥面密封相比,不仅稳定性更好,而且端面温度分布更均匀,可靠性更高,但是泄漏率略有上升;在泄漏入口处即高压侧,外锥面锥度的大小对开启力影响较大,而在泄漏出口处即低压侧,内锥面锥度的大小对泄漏率影响较大;内锥面宽度比取0.05左右时能获得较大的刚漏比.     

声表面波谐振器频率-温度行为分析

声表面波（SAW）器件以其优良的性能广泛应用于雷达、通讯和日常用品等领域。然而,随着器件工作频率的不断升高,温度对器件频率稳定性的影响也越来越严重。因此,研究声表面波器件的温度效应,并在变温情况下保持SAW器件的频率稳定性至关重要。本文采用增量型的拉格朗日方程分析受温度影响的声表面波频率漂移问题。用频率-温度系数（TCF）作为评价频率-温度行为的标准。设计了一个具有温度补偿层的双层SAW谐振器模型,降低了器件的频率-温度系数。通过尺寸优化,LiNbO3-AlN结构的SAW谐振器在25℃（参考温度）下的频率温度系数TCF接近0ppm/℃。SAW谐振器的波长为4μm,谐振频率为1214.9MHz。     

凝聚态物质振动-平动能量弛豫过程的分子动力学模拟

本文利用分子动力学计算机模拟方法,研究了稠密态双原子分子振动-平动弛豫速率与分子离解能、密度和温度的关系。发现振动弛豫速率随着分子离解能的增高而下降。这一现象与由光谱数据得到的结果是一致的。它可以用振动频率的下降来解释;分子振动弛豫速率随密度增大而加快,在我们所作的范围内,似乎看不到弛豫速率与温度有关。     

点接触边界润滑吸附膜计算模型

根据2个假设提出1种边界润滑的计算模型,通过吸附热理论对公式进行修正,利用自行设计的球-盘摩擦磨损试验装置,在汉硬脂酸的石油醚溶液中进行试验,所用45#钢盘的表面粗糙度分别为0.2μm和0.4μm,对理论计算数据和实验数据进行对比,并分析温度和速度等参数对摩擦系数的影响.结果表明,计算结果和实验数据的变化趋势吻合,摩擦系数随着温度增加而增大,随速度增加略有减小.