剪切流作用下层合梁非线性振动特性研究

针对剪切流中层合梁的大变形非线性振动问题, 采用高阶剪切变形锯齿理论和冯·卡门应变描述层合梁的变形模式和几何非线性效应, 构建了大变形层合梁非线性振动有限元数值模型; 采用基于任意拉格朗日?欧拉方法的有限体积法求解不可压缩黏性流体纳维-斯托克斯方程, 结合层合梁和流体的耦合界面条件建立了剪切流作用下层合梁流固耦合非线性动力学数值模型, 采用分区并行强耦合方法对层合梁的流致非线性振动响应进行了迭代计算. 研究了不同速度分布的剪切流作用下单层梁和多层复合材料梁的振动响应特性, 并验证了本文数值建模方法的有效性. 结果表明: 剪切流作用下单层梁的振动特性与均匀流作用下的情况不同, 梁的运动轨迹受剪切流影响向下偏斜, 随着速度分布系数增加, 尾部流场中的涡结构发生改变; 刚度比对剪切流作用下层合梁的振动特性有显著影响, 随着刚度比的增加, 层合梁振动的振幅增大, 主导频率下降, 运动轨迹由‘8’字形逐渐变得不对称; 发现了不同厚度比和铺层角度情况下, 层合梁存在定点稳定模式、周期极限环振动模式和非周期振动模式三种不同的振动模式, 改变层合梁铺层角度可实现层合梁周期极限环振动模式向非周期振动模式转变.      

深海采矿系统中悬臂式立管涡激振动分析

不同于传统的海洋立管, 深海采矿系统中的垂直提升管道可以被视为一个底部无约束的柔性悬臂式立管, 工作过程中同样面临涡激振动和柔性变形问题. 本文采用一种无网格离散涡方法和有限元耦合的准三维时域求解数值模型, 系统性地研究了不同流速下悬臂式立管的涡激振动问题. 结果表明: 悬臂式立管的横向振动模态阶数随折合速度增加而增大, 在一定折合速度范围内主导振动模态保持不变; 当主导模态转变时, 对应的横向振幅会发生突降, 但是当新的高阶模态被激发后, 立管振幅随来流速度增加而再次逐渐增大; 在相同的振动模态下, 立管底部位移均方根值随折合速度线性增加, 主导振动频率在模态转变时会出现跳跃现象; 特别地, 本文讨论了三阶主导模态下悬臂式立管的振动响应, 无约束的立管底部呈现出较大的振动能量, 且振幅的驻波特征随折合速度增加而逐渐增强; 本文比较了两端铰支立管与悬臂式立管的涡激振动响应特征, 两者在振幅和主导振动频率两方面均表现出了相同的变化趋势.      

高马赫数下激波液滴相互作用的数值模拟研究

本文采用守恒清晰界面多相流数值方法模拟了超声速和高超声速环境下三维液滴的推进、变形和破碎演化过程.数值模拟结果与实验数据的一致性表明了本文所用数值方法和计算程序的准确性, 而网格无关性研究验证了采用的网格分辨率可以捕捉流场和界面的主要特征. 模拟结果验证了高韦伯数下液滴变形破碎过程所遵循的剪切诱导剥离(SIE)破碎机制, 其包含液滴的扁平化和剪切剥离两个主要特征. 而最近发现的SIE破碎机制下的循环破碎机制也在本文得到了验证, 即主液滴从球形液滴破碎为小液滴会经历多个循环重复的破碎阶段, 高韦伯数下液滴的破碎并非一次性剪切剥离的结果, 而是会发生逐层的剪切剥离和破碎. 本文还研究了马赫数对激波冲击液滴加速变形过程的影响. 结果表明, 高韦伯数下不同马赫数的液滴破碎过程具有高度一致性, 并遵循统一的SIE破碎机制.通过对液滴质心位移、速度、加速度和拽力系数的量化统计揭示其运动过程中的统一加速规律. 在激波的驱动下, 液滴并非以一个恒定的加速度做加速运动.在扁平化不明显的前期, 液滴以一个恒定的加速度做加速运动.随着液滴扁平化的发生, 迎风面积的增加导致拽力系数的增大, 进而导致液滴加速度的不断增大.      

非球形颗粒两相流的数值模拟研究进展

非球形颗粒两相流是多相流的重要研究方向之一, 常见于自然界及工业生产过程中. 不同于球形颗粒, 由于非球形颗粒形状的各向异性, 除了颗粒平动行为, 还需要考虑颗粒的转动与取向行为, 颗粒的取向与转动行为会影响颗粒所受的力和力矩. 为了准确模拟非球形颗粒的运动行为, 目前非球形颗粒两相流的数值模拟研究主要基于欧拉?拉格朗日的求解框架展开, 常见的非球形颗粒两相流数值模拟方法主要包括点颗粒法与全分辨颗粒法. 本文将对这两类方法进行介绍, 同时会全面介绍非球形颗粒两相流研究的基础理论模型, 并系统总结非球形颗粒在简单基本流和复杂湍流中的研究进展, 包括对于非球形颗粒在湍流中的取向与转动行为机理, 以及颗粒对湍流减阻调制作用的研究. 最后, 本文提出了非球形颗粒两相流研究存在的问题及未来研究方向.      

一种模拟动边界绕流的锐利界面浸入边界法

When the structural wall moves over a fixed grid, the structure coverage will change, resulting in many dead and emerging elements. To avoid the influence of malformation and reconstruction of body-fitted grids on the calculation efficiency and accuracy of the fluid-structure interaction problems with coupled boundary movement on the fixed grid, an improved numerical method for describing the interaction between an immersed rigid body and fluid based on a sharp-interface is proposed. In this method, both the fluid and solid are regarded as pure fluid domains in the whole computational domain, and the solid boundary is divided into several Lagrangian grid points. The flow parameter or velocity is reconstructed by interpolation at the interface element, which is then directly used as the boundary condition of the flow field, thus reflecting the influence of the wall boundary conditions. The method constructs the calculation structure of “virtual point, force point and vertical foot point”, and the velocity of the virtual point is obtained by bilinear interpolation. Then, the velocity of the force point is calculated by forcing the solid boundary to meet the no-slip condition, and the equations of the coupling system based on the immersion boundary method are finally solved to realize the numerical simulation of the flow with a complex moving boundary. The numerical program for this immersed boundary method is established using C++, then the accuracy and reliability of the proposed method are validated by comparison with the literature and experimental results of the basic numerical example of flow around a cylinder. Furthermore, the effects of the structural shape and the angle of attack on the trailing vortex structure, the vortex shedding frequency, and the lift/ coefficient characteristics of the flow around the elliptical cylinder have been analyzed. The anti-symmetric S-type, “P+S” Ⅰ-type and “P+S” Ⅱ-type trailing vortex shedding modes, as well as the variation laws of the vortex structure size, vortex shedding frequency and lift-drag coefficients ratio with axis ratio and angle of attack, are captured. The critical angle of attack (25°) corresponding to the maximum lift-drag ratio is determined as 25°.     

考虑单元劈裂的流-固耦合连续-非连续方法及定向水力压裂模拟

为了更真实地模拟水力压裂过程中的岩石变形、裂缝扩展及流体流动,在自主开发的拉格朗日元与离散元耦合的连续-非连续方法的基础上,发展了一种流-固耦合方法。在该方法中,裂缝可沿四边形单元对角线和单元边界扩展,流体流动满足立方定律。通过与单一裂缝非稳态渗流模型及KGD模型的理论解进行对比,验证了该方法的正确性。由定向射孔水力压裂的模拟结果可以发现,(1)距离射孔越远,流体压力越小;随着时间的增加,裂缝中流体压力降低。(2)随着射孔角度的增加,裂缝起裂和扩展过程中的流体压力及转向距离增加;随着x方向水平应力的增加,裂缝起裂和扩展过程中的流体压力增加;两个方向水平应力之差越大,裂缝转向距离越小。(3)随着时间的增加,裂缝区段数目的增速变慢,这与裂缝体积增加变快有关。     

定量供油下近接触区油池形态试验观察

采用球-盘点接触光干涉润滑油膜测量装置,观察了纯滚条件下近接触区油池形态随供油量和卷吸速度的变化过程. 结果表明,油池在低速、中速和高速下分别呈现出闭合态、半开放态和分离态3种状态. 闭合态油池内气穴长度随卷吸速度增加而增加,且存在使尾部油池分离的临界速度. 气穴区表面张力作用使气穴长度预测值和测量值出现差别;卷吸作用和压差作用是油池变形的原因;供油量和卷吸速度决定了润滑剂的供-失平衡态,影响了油池侧宽的变化趋势.      

高超声速流动中液滴蒸发对流动参数的影响研究

采用带有非平衡相变模型的数值方法对高超声速流动中液滴蒸发的影响进行了研究,重点探讨了液滴蒸发对斜激波下游区域流场和劈面参数的影响。研究结果表明:液滴在激波后区域的蒸发存在弛豫现象,蒸发弛豫过程与激波强度相关,并影响模型表面气动参数的均匀性;当偏转角从3°增大至16°时,研究发现特别是偏转角为10°时,激波强度刚好能使液滴在整个激波下游区域完全蒸发,此时蒸发引起的流场参数不均性影响最大,与不考虑蒸发时相比,液滴质量含量、压强、静温减小幅度分别达到27.2g/kg、401Pa、54K,该三项参数变化量的比分别达到96.8%、4.8%、14.2%。     

翅片厚度对平行流蒸发器传热与流动性能的影响

基于某车用空调多元平行流蒸发器,以平行流蒸发器的百叶窗翅片为研究对象,利用ANSYS 15.0软件对百叶窗翅片模型进行数值模拟,研究探索百叶窗翅片厚度对平行流蒸发器传热与流动性能的影响,并分别对其五种结构在不同雷诺数Re_(LP)时的传热与流动性能进行了综合评价分析。将数值模拟结果与经验关联式进行对比,传热因子j与阻力特性f因子的最大误差分别为12.16%和5.29%,满足实际工程误差允许范围。结果表明:在雷诺数ReLP不变时,换热系数与压降均随着百叶窗翅片厚度的增加而增大;采用综合评价因子j/f~(1/3)分析得出,A型结构翅片综合性能最好,能够有效强化空气侧换热、提高系统的换热能力,其研究结果可为百叶窗翅片结构优化提供参考依据。     

油水两相在不同展角裂缝中的水平流动特性

在缝宽7 mm、缝展198 mm、缝长3000 mm的裂缝中,选择缝展方向与水平方向成0°、45°和90°展角布置,研究了裂缝展角对油水两相流水平流动特性的影响,并与圆管中的油水两相流进行了比较.研究表明,展角对油水两相流的流型有一定影响,对混合度系数与有效黏度则影响不大,对"水包油"和"油包水"相态逆转的发生影响不大.对应于相同的流速和含油率,不同展角裂缝以及圆管中的油水两相流,其有效黏度几乎相同.