沙丘背风侧不同铁路结构形式对风沙环境的适应性分析

当铁路穿越大风沙漠地区时,风沙灾害会对铁路工程及其正常运营产生严重威胁,而设计一种合理的铁路结构形式能够减小风沙沉积对铁路工程的危害. 在本文中,以敦煌至格尔木铁路沙山沟段落为研究对象,采用多相流的方法对越过沙丘的风沙运动过程进行数值模拟,分别讨论了风沙运动对位于沙丘背风坡的铁路路基工程和桥梁工程的影响. 主要的模拟结果显示:路基工程明显降低了风速并且将沙丘后的回流区分成了两部分,而桥梁工程的导流效应则压缩了沙丘背风坡的回流区;轨道间的道碴增大了铁路表面的粗糙度,在轨道间有少量沙粒沉积,而路基工程两侧则有大量积沙;铁路表面的积沙量与摩阻风速呈现出非线性关系,随着摩阻风速的增大,路基工程沙粒沉积的增加速度大于风蚀能力的增加速度,而桥梁工程则正好相反. 在防止风沙危害铁路方面,设置桥梁工程明显优于路基工程. 本研究为风沙运动对铁路工程的影响提供了理论支持,也为今后的铁路工程设计提供了新的思路与研究工具.      

单斜氧化锆表面水合和脱水的动态模拟

常用的氧化物负载金属催化剂通常在水相中制备，且在使用前常常需要经过煅烧. 因此，氧化物载体表面的水合和脱水过程对于负载型金属催化剂的真实建模至关重要. 通过第一性原理分子动力学模拟，本文考察了温和温度下无水单斜氧化锆(111)表面在显式溶剂水中的演化. 在模拟过程中，所有的双重配位桥位氧位点很快被溶剂水质子化，形成酸性羟基(HO_L)，并在锆原子上留下碱性羟基(HO^*). 这些碱性羟基(HO^*)可以与表面未解离的吸附水分子(H₂O^*$)进行活跃的质子交换，进而在表面自由扩散. 在273 K到373 K的温度范围下，第一性原理分子动力学水相模拟可以得到一种较为确定的、有代表性的平衡水合单斜氧化锆(111)表面，其表面锆原子上覆盖度(θ)为0.75. 随后，为了模拟低于800 K的温和煅烧温度下的表面脱水过程，本文使用密度泛函理论计算了表面水分子的逐步脱附自由能. 通过获得表面的脱水相图，总结了不同煅烧温度下有代表性的、部分水合的单斜氧化锆(111)表面(0.25≤θ<0.75). 这些水合单斜氧化锆(111)表面具有重要的理论意义，可以方便快捷地被应用于氧化锆催化剂及氧化锆负载金属催化剂的真实建模与模拟.     

HyperFLOW软件非结构网格亚跨声速湍流模拟的验证与确认

计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟在航空航天等领域发挥越来越重要的作用,然而CFD数值模拟结果的可信度仍然需要通过不断地验证与确认来提高.本文给出了从制造解精度测试、简单到复杂外形湍流模拟网格收敛性研究等三个方面开展CFD软件验证与确认的方法,并对自主研发的CFD软件平台HyperFLOW在非结构网格上模拟亚跨声速湍流问题的能力进行了验证与确认.首先通过基于Euler方程和标量扩散方程的制造解精度测试,分别验证了HyperFLOW在非结构网格上对Euler方程和黏性项的求解精度,结果表明其能够在任意非结构网格上达到设计的二阶精度. 其次,通过NASATurbulence Modeling Resource中的湍流平板、二维翼型近尾迹流动、二维Bump等几个典型的亚声速湍流算例的网格收敛性研究,量化考察了数值结果的观测精度阶和网格收敛性指数,并与国外知名CFD解算器CFL3D,FUN3D的计算结果进行了对比,验证了HyperFLOW对简单湍流问题的模拟能力,且具有良好的网格收敛性和计算精度(阶). 最后,通过NASA CommonResearchModel标模定升力系数的网格收敛性研究和升阻极曲线预测,验证了软件在复杂外形亚跨声速湍流流动数值模拟中也具有良好的可信度.      

圆柱形汇聚激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定的SPH模拟

汇聚激波诱导不同物质界面的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定现象在惯性约束核聚变领域有重要的学术意义和工程背景.基于网格离散的宏观流体力学方法由于数值扩散问题往往需要高阶精度算法才能准确追踪界面演化,且对大变形和破碎合并等复杂界面追踪也极为困难.光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法采用纯拉格朗日算法,可以有效克服上述难点.但经典SPH算法需采用人工黏性处理强间断,在激波间断处往往会出现严重的非物理振荡,对于涉及强冲击不稳定性问题,很难达到理想的模拟效果.本文采用基于HLL黎曼求解器的SPH算法,实现了对强激波和大密度比物质界面的有效分辨和追踪.一维数值校核证明了代码的可靠性、健壮性,并进一步模拟了二维圆柱形汇聚冲击波冲击四边形轻/重气界面诱导的RM不稳定性问题,与已有实验结果进行了对比,发现模拟结果与实验结果吻合.通过分析界面演化过程中的密度及压力变化,发现本文所采用的方法可准确地追踪激波与界面作用的复杂界面和波系演化规律.研究结果为进一步理解和解释汇聚冲击条件下的RM不稳定性机理奠定了基础.     

旋转射弹高速倾斜入水多相流场与弹道数值模拟

基于VOF多相流模型和有限体积法求解水、汽、气多相流动的RANS方程，结合重叠网格技术和six DOF算法对某一型号舰载射弹倾斜入水过程进行数值模拟研究。首先基于该方法研究了射弹旋转效应对射弹运动特性及流体动力特性的影响，然后对不同入水角下倾斜入水过程进行分析，得到不同倾角下旋转射弹入水空泡形态发展规律、弹体运动特征及流体动力特性变化规律。研究结果表明:射弹的旋转有利于弹体在初始对称面内的弹道稳定性，但会降低弹体侧向稳定性，使射弹受到的阻力系数、俯仰力矩系数变小；入水角越小，形成的空泡越不对称，由射弹运动状态的改变引起的空泡形态变化越明显，在超空泡航行阶段，弹体运动较稳定，不同角度下流体动力系数差别很小，当弹体下表面刺破空泡壁沾湿时，弹体运动状态发生较大变化，流体动力系数迅速增大，此时入水角度过小，弹体容易失稳；弹体的沾湿对空泡形态、弹体运动稳定性和流体动力特性有着重要的影响。     

基底纹理对镍/铜纳米双层膜刮擦行为影响的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟研究纳米尺度下的镍/铜双层膜的表面刮擦响应. 考虑基底铜膜材料的不同表面纹理，建立分子动力学模拟模型，分析了纳米双层膜不同基底纹理下的刮擦响应，并且对比了两种典型基底纹理下不同刮头半径、不同刮擦深度对纳米双层膜刮擦响应的影响. 研究结果发现:不同的基底纹理下，位错缺陷程度的不同会导致刮头前方的切屑体积不同，存在切屑体积最大的基底纹理；针对两种典型基底纹理，在刮擦深度或刮头半径一定时，刮擦力随刮头半径或刮擦深度的增加而增大；当刮擦深度或刮头半径超过临界值时，表面具有特定齿槽纹理的基底具有一定的减摩作用.      

陀螺电机用H型动压气体轴承启动摩擦特性分析

为减小陀螺电机用H型动压气体轴承启动过程中的摩擦与磨损,建立了考虑表面粗糙接触与润滑的H型动压气体轴承模型,对其启动摩擦特性进行研究。首先,通过求解轴粗糙表面在转子重力作用下的弹性变形,确定启动前转子启动位置和启动力矩。然后,对表面粗糙接触与润滑方程、转子五自由度运动方程进行联立求解,得到启动过程中轴承承载力、运动轨迹、接触面积等特性,并通过接触面积减为0来判断转子的浮起时间和浮起转速。最后,研究轴承表面粗糙度和腔型结构等参数对轴承启动摩擦特性的影响。分析结果表明:减小粗糙表面峰顶标准差可降低浮起转速、减小磨损范围;随着腔宽比的增大,浮起转速增大、磨损范围减小;而随着腔深的增大,浮起转速和磨损范围均先减小后增大,腔深为1.0μm和2.0μm时浮起转速和磨损范围分别最小。     

等热流密度加热垂直下降液膜的研究

利用等热流密度加热条件下降膜流动的三维模型方程进行线性稳定性分析和数值模拟。线性稳定性分析表明，模型方程在小到中等Reynolds数下都适用，并且流向不稳定性增长率随着Reynolds数和Marangoni数增加而增加，展向不稳定性增长率则随着Marangoni数增加而增加，随着Reynolds数增加而减小，流向和展向对扰动波数都存在一个不稳定区间。三维数值模拟表明，在等热流密度加热条件下，液膜在随机扰动的情况下最终会形成带孤立波的三维溪流状结构，液膜与气体的换热也因溪流状结构的出现而加强；在随机扰动的基础上引入占优势地位的展向最不稳定扰动会使得换热增强，液膜会提前破裂；在随机扰动的基础上引入占优势地位的流向最不稳定扰动时，液膜的换热会增强，但不会提前破裂；在随机扰动的基础上同时引入占优势地位的流向和展向最不稳定扰动时，换热会加强且液膜会提前破裂。     

一种考虑界面相物性影响的界面单元法

界面是由复杂的界面相简化而成的,界面破坏实际是界面相材料的破坏。数值计算为了方便,如经典模型和内聚力模型等,都把很薄的界面相作无厚度化处理。导致只能考虑界面的面力,而无法考虑界面相内的应力(平行于界面方向的应力)。使界面失效准则先天性地排除了界面相内部应力的影响,从界面相材料失效机理的角度来看这是不够严谨的。本文将界面相材料等效为一种弹性连续体,由界面本构关系推导得到了一种新的界面单元。该单元具有界面参数易确定、对界面相物性可以进行等效描述等优点。通过商用有限元软件ABAQUS和用户子程序UEL实现了数值分析,并与直接物理模型的数值模拟结果进行对比,证明了本方法的简便及准确性。通过对不同界面相厚度结构的进一步分析,探讨了本文方法的可行范围。     

多圆孔周期性银膜阵列结构的光学特性

提出一种多圆孔周期性银膜阵列结构,并利用时域有限差分算法探究该结构的光学特性。计算结果表明,当线性偏振光入射时,该结构表面激发出表面等离激元,且纳米孔间产生了局部表面等离子体共振,使得该结构的异常透射增强。针对这一现象,通过对中心孔与边孔所呈角度、入射光偏振角度、结构参数(中心孔直径、边孔直径、结构厚度、边孔与中心孔的间距)的调控来实现结构光学透射属性的优化。此外,分析所提结构在不同环境折射率条件下透射峰的变化规律,发现该结构也对周围的环境折射率具有较高的敏感度。因此该结构在表面等离激元滤波器和折射率传感器中具有广泛的应用前景。