圆柱管道内运动的小球受到的黏滞阻力的数值分析

为了更好地运用落球法测量研究流体的黏滞系数,研究小球在黏性流体中下落的受力情况,本文对小球在充满黏性流体的圆柱管道的下落过程进行分析。利用COMSOL4.4仿真模拟,建立了合理的仿真模型,并分析了小球受到的黏滞阻力与小球的大小、下落位置的关系。结果表明:选择速度项二阶近似、压强项一阶近似的离散化方法,可以得到和理论值非常相符的仿真结果;当下落过程中小球球心始终在圆柱轴线上时,小球受到的黏滞阻力相对于Stokes力的修正系数,是小球半径与圆柱管道半径的比例函数,本文得到了更大范围的符合理论解的修正系数;当下落过程中小球的球心偏离圆柱轴线时,对于同样大小的小球,黏滞阻力、压强力、黏性力均随着球心到轴线的距离先减小后增大,且具有不同的极小值点。     

非稳态Couette流动阶段的边界位移与黏性能量耗散

本文研究了牛顿流体非稳态Couette流动阶段的边界位移与流体黏性摩擦能耗.在上边界始终保持静止,下边界以恒定速度或恒定内壁剪切应力突然运动的情况下,建立了Couette非稳态流动的数学模型.求解定解问题,获得流体速度分布函数;通过渐近分析,获得不同边界条件下流动充分发展的临界时间,进而获得非稳态过程中的边界位移量.利用边界剪切应力和位移量的结果,计算非稳态过程中移动平板做功;再结合流体动能增加量,计算得出不同边界条件下非稳态流动阶段流体黏性摩擦能耗.     

基于修正偶应力理论和微分变换法的输流微管自由振动

考虑黏性流体在微管道内作层流运动，给出了黏性流体在微圆管中的速度分布方程。利用修正偶应力理论和Euler梁模型建立细长微管模型，根据虚功原理推导输流微管流-固耦合振动方程，应用微分变换法计算微管道系统的固有频率。通过与有限差分法求解结果对比，证明微分变换法具有较高的精度。随后，研究了流体黏性、微管材料内禀特征尺寸和预应力对固有频率的影响。最后，分析了流体临界流速与预应力的关系。数值结果表明：在流体平均速度相同的条件下，考虑流体黏性时微管各阶固有频率偏低，并且平均速度越大，这一趋势越明显。     

固体的水力管道运输

引言大家知道,固体物质,尤其是颗粒固体物质,可以用运动着的流体来运输。只需观察一下波浪的沉积运输,沙漠中的风沙迁移,江河中的冲积运动,就可以确信这种运输方式的效能。同样很明显,颗粒的粒度和密度,颗粒所处的速度场这样一些参数,会对这种运动发生影响。但颗粒的形状,流体的湍流度,相邻颗粒的作用,颗粒群的粒度分布等的影响,则      

双柱状颗粒在线性剪切流场中的动力学分析

为研究柱状颗粒在线性剪切流场中的运动状态和受力情况，本文以颗粒长径比为2，颗粒之间的初始距离ΔS_Py=4D为例，基于直接力浸入边界法数值模拟了双柱状颗粒在三维线性剪切流场中的运动过程。根据模拟结果分析了柱状颗粒周围流场参数分布，在考虑壁面对颗粒的影响和颗粒之间相互影响的条件下，研究了颗粒的受力和运动的变化，探索了流体曳力导致柱状颗粒迁移和转动的规律。研究结果表明，双柱状颗粒在线性剪切流场中易向速度大的流体区域运动；前后两颗粒运动状态和轨迹不同，颗粒之间距离较近时，曳力会产生较大的波动；只有当颗粒在壁面附近时，滞后颗粒才能追上领先颗粒，两颗粒发生牵引、翻滚和分离过程。     

细长椭球体在水中自由下落的运动特性实验研究

固体颗粒在液体中的运动现象在日常生活和工业应用领域广泛存在,其中因蕴含着丰富的流体力学现象而受到学者们的广泛关注.本文通过实验研究了细长椭球体在水中受浮力影响的下落特性.实验中采用带有两台相互垂直的高速摄像机和光源组成的运动跟踪平台并结合荧光染色技术对细长椭球体下落过程中的运动轨迹和尾涡结构进行研究.文中选用的细长椭球体与环境流体的密度比为1.2,其长短轴比范围为2～10,相应的阿基米德数范围为400～1400,对应实现的终态雷诺数范围为120～1350.实验过程中我们观察到细长椭球体在水中下落过程中产生的5种典型路径,分别为:小振幅不规则运动、小振幅高频振荡运动、大振幅低频振荡运动、高度非线性运动以及直线运动,并得到了对应的速度振荡以及倾斜角的演化规律.进一步地,分析了细长椭球体运动过程中受到的阻力系数与雷诺数之间的关系.随后采用荧光可视化技术清晰获得了颗粒下落过程中的尾涡结构特性,并结合颗粒的运动状态详细分析了涡脱落过程对颗粒运动状态转捩的影响.最后,通过对比前人关于圆柱体下落的运动特性的相关结果,获得了细长椭球体和细长圆柱体运动特性之间的异同点以及其潜在的物理机理.     

椭圆颗粒在剪切流中旋转特性的数值研究

研究颗粒在流体剪切作用下的运动特性是理解和预测颗粒悬浮流流动行为的关键.当流体的惯性不能忽略时,颗粒的运动往往变得非常复杂.本文采用格子Boltzmann方法对中等雷诺数下椭圆颗粒在剪切流中的旋转运动进行了模拟.首先,研究了雷诺数(0Re 170)的影响,结果表明当雷诺数低于临界值时,颗粒以周期性的方式旋转,角速度最小时对应的长轴方向随着雷诺数的增大而逐渐远离水平方向,而且这一倾角与雷诺数呈分段线性关系;当雷诺数大于临界值时,椭圆形颗粒最终保持静止状态,且静止时的转角与雷诺数呈幂函数关系,雷诺数越大,转角越小,椭圆的长轴越远离水平位置.其次,研究了椭圆颗粒的长短轴之比α(1α10)的影响,结果表明颗粒旋转的周期与α呈幂函数关系,α越大,颗粒旋转周期越小.此外,当α超过临界值时,颗粒也在水平位置附近保持静止状态,此时的转角与α也呈幂函数关系,α越大,转角越小.研究还发现,当雷诺数较大时椭圆颗粒在旋转过程中会产生过冲现象.     

水击驻波场中分散相颗粒的运动分析

根据水击在管段内形成的驻波场现象,分析了流体内分散相颗粒受到的驻波作用力;运用李雅普诺夫稳定判据研究了颗粒积聚与分离的机理;考虑到颗粒运动方程的严重刚性而很难进行数值求解,采用相空间和非对称分析方法获得了分散相颗粒的运动轨迹近似解,并进行了实验验证。结果表明:水击驻波场中分散相颗粒的受力方程中惯性项对颗粒初始运动速率的影响不可忽略;在水击驻波波节的±λ/4范围内,分散相颗粒经过一定的时间会发生积聚,其运动速度呈对称分布,最大速度出现在3λ/8位置处;随着分散相颗粒粒径和密度等物性参数以及水击驻波的频率和连续相初始速度的增大,颗粒达到平衡位置的时间呈减小趋势,且连续相的初始速度对颗粒到达波节时间的影响显著。     

冠状毛细血管长度非线性变化及渗透作用下的毛细血管血液流动

建立冠状毛细血管内血流的血液动力学模型，研究毛细血管长度沿轴向的非线性变化及冠状毛细血管与周围组织的渗透和物质交换对血液流动的影响。考虑单根长弹性并具有通透性的冠状毛细血管，毛细血管长度非线性变化，毛细血管内血液为粘性不可压缩牛顿流体，跨壁滤过遵循Starling定律，血浆胶体渗透压和血浆蛋白浓度成线性关系。建立血管半径的无量纲方程，数值求解不同生理参数情况下，左心室壁不同层中毛细血管沿长度平均的无量纲半径和不同层毛细血管的平均流量。结果显示，冠状毛细血管与周围组织的渗透和物质交换及毛细血管长度沿轴向的非线性变化对平均无量纲半径和平均出口流量几乎没有影响；而对弹性模量较小的毛细血管，则对心脏收缩期时的平均进口流量有不同程度的影响。     

表面活性剂流体弹性应力对颗粒沉降的影响

颗粒在粘弹性表面活性剂流体中的沉降问题是复杂固液两相流研究的基础问题。采用实验和数值模拟的方法研究了单颗粒在粘弹性表面活性剂流体中的沉降过程。实验结果表明,粘弹性表面活性剂流体的粘弹性会引起颗粒的终端速度随时间产生波动。Giesekus本构方程可以描述颗粒在表面活性剂流体中沉降的非线性剪切变稀行为和弹性导致的拉伸变形。颗粒在粘弹性表面活性剂流体中沉降时其尾部会出现负尾迹现象,负尾迹区随着松弛时间的增大向下游延伸,表征流体弹性的松弛时间越大,负尾迹区越长。颗粒表面剪切速率大于临界剪切速率时,负尾迹的出现使颗粒在粘弹性表面活性剂流体中沉降所受曳力减小,沉降速度增加;颗粒表面剪切速率小于临界剪切速率时,粘弹性表面活性剂流体负尾迹区的拉伸效应与颗粒表面的弹性应力的共同作用,导致颗粒终端速度随着松弛时间的增加先增大后减小。     

细长椭球体在水中自由下落的运动特性实验研究

固体颗粒在液体中的运动现象在日常生活和工业应用领域广泛存在, 其中因蕴含着丰富的流体力学现象而受到学者们的广泛关注. 本文通过实验研究了细长椭球体在水中受浮力影响的下落特性. 实验中采用带有两台相互垂直的高速摄像机和光源组成的运动跟踪平台并结合荧光染色技术对细长椭球体下落过程中的运动轨迹和尾涡结构进行研究. 文中选用的细长椭球体与环境流体的密度比为1.2, 其长短轴比范围为2$\sim $10, 相应的阿基米德数范围为400$\sim$1400, 对应实现的终态雷诺数范围为120$\sim$1350. 实验过程中我们观察到细长椭球体在水中下落过程中产生的5种典型路径, 分别为: 小振幅不规则运动、小振幅高频振荡运动、大振幅低频振荡运动、高度非线性运动以及直线运动, 并得到了对应的速度振荡以及倾斜角的演化规律. 进一步地, 分析了细长椭球体运动过程中受到的阻力系数与雷诺数之间的关系. 随后采用荧光可视化技术清晰获得了颗粒下落过程中的尾涡结构特性, 并结合颗粒的运动状态详细分析了涡脱落过程对颗粒运动状态转捩的影响. 最后, 通过对比前人关于圆柱体下落的运动特性的相关结果, 获得了细长椭球体和细长圆柱体运动特性之间的异同点以及其潜在的物理机理.      

黏性土宏细观参数相关性研究

运用颗粒流程序中的bond原理结合Mohr-Coulomb破坏准则对黏性土双轴试验进行了数值模拟,探讨了黏性土宏观强度指标与其对应的细观参数之间的关系.分析结果表明,黏性土内摩擦角与颗粒摩擦角呈线性关系,黏性土黏聚力-颗粒接触强度两者拟合曲线的斜率与颗粒间摩擦系数呈幂函数关系,且两者的相关性都很好.通过该宏细观关系,得出上海第②层褐黄色粉质黏土细观参数,对其进行了双轴试验的颗粒流模拟,计算得到的应力应变曲线与实测结果一致.研究成果对于黏性土细观参数的取值及颗粒流模拟具有指导意义.     

扫路机气力系统工作效率研究

本文旨在探讨提高吸式扫路机气力输送系统的效率,采用计算流体力学与离散单元法对圆柱颗粒在气体中的运动进行数值模拟,分别研究了颗粒密度、颗粒长径比、颗粒初始平面与吸入口的距离、吸入速度、颗粒所处圆周对于颗粒吸入效率的影响。研究结果表明：颗粒密度越大,颗粒的吸入效率越低;颗粒长径比对吸入效率的影响较小;颗粒初始平面与吸入口的距离与颗粒吸入效率为负相关;吸入速度增大有利于提高颗粒吸入效率,但是当吸入速度增大至一定程度时,其对吸入效率影响减小;颗粒所处圆周与吸入口圆周径向距离越小,颗粒的吸入效率越高。     

界面不稳定性引起混合过程的二维数值计算

在可压缩多介质流体动力学高精度欧拉计算方法多介质流体分段抛物方法(multi-fluid piecewise parabolic method, MFPPM)基础上,运用算子分裂技术,增加二阶空间中心差方法和两步Rung-Kutta时间推进方法计算动力学黏性以及热流部分对流场的影响,发展适用于NS(Navier-Stokes)方程的可压缩多介质黏性流体计算方法多介质黏性流体分段抛物方法(multi-viscousity-fluid piecewise parabolic method, MVPPM). 文中采用MVPPM对英国AWE(atomic weapons establishment)激波管实验进行二维计算,给出了与实验图像基本一致的计算结果;应用MFPPM和MVPPM分别对二维柱对称内爆动力学界面不稳定性及其后期混合过程进行数值模拟,给出内外界面演化、速度历史以及后期中心气穴不同半径内因RT(Rayleigh-Taylor)界面不稳定性引起的混合量分布情况,从计算结果比较可见黏性对物质界面处混合量的分布影响明显.      

不同重力场下颗粒冲击过程的离散元分析

开展不同重力场下颗粒材料冲击动力学研究有助于加深对颗粒运动机制的理解和深空探测任务的实施。本文采用离散元模拟对颗粒介质受球形冲击物的冲击过程进行了数值模拟，并与地球重力下冲击的试验结果进行对比验证。在此基础上，进一步研究了重力加速度对冲击物动力学的影响规律。计算结果表明，在所有重力加速度下，冲击物的穿透深度d与冲击速度v₀的关系可以用Poncelet模型表达；d与冲击物下落的总高度H表现为d～Hⁿ的幂律关系，当H<10 m时，d与H的幂率标度为0.322,而H>10 m时，d与H的幂率标度下降到0.211。此外，穿透深度小于冲击物半径时，重力加速度对冲击物减速过程无影响。在所有的重力加速度下，当冲击速度大于5 m/s时，冲击物的持续碰撞时间t_c是恒定的，且与重力的-1/2次方呈正比。     

固-液两相流黑水管道冲蚀磨损的数值模拟研究

煤气化黑水处理系统管道由于其流体介质高含固体颗粒和腐蚀性介质，且工作在高温、高压差环境中，极易受到冲蚀磨损和腐蚀的耦合作用而失效，影响其服役寿命. 采用计算流体力学(CFD)方法数值模拟研究了煤气化黑水处理系统固-液两相流管道的冲蚀磨损行为和机理，以及流体介质速度和固体颗粒粒径对管道冲蚀磨损的影响规律，并分析了盲通管和涡室结构对弯管冲蚀磨损行为的优化改善效果. 研究结果显示，煤气化黑水处理系统管线的冲蚀高危区主要分布在弯管外拱和变径管等结构突变区域；管道冲蚀磨损行为与其内部流体的运动和颗粒冲击特性有关；管道的冲蚀率均随着流体速度的增加而加剧，而粒径对弯管和变径管冲蚀率的影响并非单调关系，这与颗粒受力作用有关；弯管优化分析显示，涡室结构可以降低弯管的最大冲蚀率，减缓弯管的冲蚀磨损.      

NONLINEAR VIBRATIONS OF AXIALLY ACCELERATING VISCOELASTIC TIMOSHENKO BEAMS

研究了轴向加速黏弹性Timoshenko梁的非线性参数振动。参数激励是由径向变化张力和轴向速度波动引起的。引入了取决于轴向加速度的径向变化张力,同时还考虑了有限支撑刚度对张力的影响。应用广义哈密尔顿原理建立了Timoshenko梁耦合平面运动的控制方程和相关的边界条件。黏弹性本构关系采用Kelvin模型并引入物质时间导数。耦合方程简化为具有随时间和空间变化系数的积分-偏微分型非线性方程。采用直接多尺度法分析了Timoshenko梁的组合参数共振。根据可解性条件得到了Timoshenko梁的稳态响应,并应用Routh-Hurvitz判据确定了稳态响应的稳定性。最后通过一系列数值例子描述了黏弹性系数、平均轴向速度、剪切变形系数、转动惯量系数、速度脉动幅值、有限支撑刚度参数以及非线性系数对稳态响应的影响。     

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通过实验方法研究了加入TiO2纳米颗粒的相变悬浮液流变特性. 研究表明,加入纳米颗 粒的相变悬浮液仍可被视为牛顿流体,温度对悬浮液的黏性系数有显著影响,其黏性系数随 温度变化的趋势与基液一致. 悬浮液的黏性随纳米颗粒浓度增加以非线性方式增加,当纳米 颗粒的质量浓度为5{\%}时,黏性的增量大约为23%.     

内孤立波作用下潜深对潜体运动响应和载荷特性的影响研究

内孤立波常发生于海洋密度跃层, 因其峰高谷深、携带能量巨大, 在传播过程中会导致跃层上下的海水流动呈现剪切状态, 并引起突发性的强流. 潜体在水下悬停时极有可能会遭遇内孤立波, 由于内孤立波的流场特性, 置于跃层上下的悬浮潜体所产生运动响应和水动力载荷变化不尽相同, 甚者会出现掉深现象. 为探究潜深对波体耦合作用的影响, 基于不可压缩N-S方程和mKdV理论, 采用速度入口造波, 结合重叠网格技术和流固耦合方法, 建立了分层流中内孤立波耦合水下潜体多自由度运动的数值模型, 通过该模型分析了不同潜深下悬浮潜体的运动响应和载荷特性. 结果表明: 在内孤立波作用下, 位于密度跃层上方和跃层中的潜体顺着波的前进方向运动, 先下沉后抬升, 位于跃层下方的潜体则会逆流持续下沉; 潜体与波面的垂向距离越小, 对其纵荡、垂荡和速度的影响越显著, 而位于密度跃层中的潜体在分界面处沿着波形运动, 其运动响应和载荷变化受影响较小; 潜体在跃层上、下流体中所受水平力的方向相反, 水平力峰值小于垂向力峰值, 且位于跃层下方的潜体一直受到低头力矩, 最终导致掉深.      

黏弹性轴向运动梁非线性受迫振动稳态幅频响应

本文研究了黏弹性轴向运动梁横向受迫振动稳态幅频响应问题.在控制方程的推导中,对黏弹性本构关系采用物质导数.把多尺度法直接应用于梁横向振动的非线性控制方程,利用可解性条件消除长期项,得到系统稳态的幅频响应曲线.运用Lyapunov一次近似理论分析幅频响应曲线的稳定性.通过算例研究了黏性系数,外部激励幅值以及非线性项系数对稳态幅频响应曲线及其稳定性的影响.运用数值方法对两端固定边界下黏弹性轴向运动梁的控制方程直接数值解,分析梁横向非线性振动的稳态幅频响应,通过数值算例验证直接多尺度法的结论.