相同尺度下气泡与复杂壁面的耦合特性研究

采用格子Boltzmann方法(LBM)建立了气液固三相耦合的动力学模型,研究了相同尺度下上浮气泡与复杂壁面的相互耦合作用.首先,基于黏性流体理论,通过构建一组格子Boltzmann(LB)方程来描述气液两相的运动,并以LB离散体积力的形式计入了黏性力、表面张力和重力.同时,采用LBM中的Half-way反弹模型与有限差分格式相结合的方式进行固壁边界的处理.然后,利用本文建立的模型,对不同特征尺寸比条件下,气泡与考虑边缘效应的平面固壁和曲面固壁的耦合特性进行了研究.研究发现固壁边界条件以及特征尺寸比对气泡的运动和拓扑结构的变化都具有明显的非线性影响.最后,研究了流体属性对气泡与复杂壁面耦合规律的影响.     

一种模拟气液两相流的格子波尔兹曼改进模型

基于格子波尔兹曼自由能模型,提出了一种模拟黏性流场中大密度比气液两相流的改进模型. 为了提高模型的精度,在原始模型的基础上计入了邻近点间粒子数密度的传递速率控制,考虑了碰撞项的差分松弛;为了避免两相间大密度比造成的数值不稳定问题,分别采用六点和九点差分格式求解∇和∇2. 同时,与传统格子波尔兹曼方法不同,实现了由单步碰撞操作到两步操作的转化. 通过对无重力场中气泡的模拟及与已有模型的计算结果的对比分析,表明该模型具有更高的数值精度. 成功模拟了重力作用下,单个上浮气泡的形变和尾涡形成过程,以及水平和竖直方向上两个气泡的相互作用过程,并验证了其质量守恒和体积不可压缩性.     

任意复杂流-固边界的格子Boltzmann处理方法

本文提出了一种适用于流固耦合领域中任意复杂边界条件的lattice Boltzmann处理方法.该方法基于half-way反弹模型,在流固耦合处构建了一层虚拟边界,并结合有限差分的方法,获取虚拟边界上的变量值.改进后的方法确保了粒子反弹位置与宏观速度采集点的位置相同,计入了实际物理边界与网格线不重合时,偏移量对计算结果的准确影响,而且其适用范围被扩展到了任意静止或运动、平直或弯曲的复杂边界.文中研究了该方法在Poiseuille流、圆柱绕流和Couette流等经典条件下的边界处理能力,结果表明该方法与理论值符合良好,且当实际物理边界与网格线不重合时,与已发表文献中的结果相比,具有更高的精度.     

浮动冲击平台横向冲击谱受外形结构的影响

基于ABAQUS软件中的声固耦合法，采用设备、平台一体化分析方法，展开对中型浮动冲击平台的研究，探讨平台外形结构形式对平台冲击环境的影响，并提出了提高平台横向冲击谱谱值的设计方案。首先对外形结构进行初步设计，分析其对平台冲击谱的影响，并找到决定影响程度的关键因素。然后针对结构进行优化，使其更大幅度的提高平台冲击谱谱值。计算表明:在平台外部下方加装挡板结构不会明显影响平台垂向冲击谱，但可以提高平台横向冲击谱；舷侧底端向下延伸加装竖直挡板由于受到冲击波绕射和阻力的影响，增加横向谱值的效果不是很明显；平台底部流线型挡板可以有效增加平台对爆炸载荷的接收效果，同时可以尽量减小阻力影响，从而明显提高平台横向冲击谱谱值。     

三维压裂缝网不稳定压力半解析求解方法

受地应力及压裂工艺影响, 大斜度井水力压裂缝网展布复杂, 缝网中存在不同倾斜方向、不同展布形态及不同贯穿程度的压裂缝. 本文通过将裂缝面离散为若干矩形微元实现裂缝形态有效表征, 将渗流过程划分为基质向裂缝流动及裂缝向井筒流动两阶段, 采用有限差分方法构建离散裂缝面内不稳定渗流数值解, 结合封闭边界面源函数及叠加原理构建基质内不稳定渗流解析解, 耦合裂缝内流动数值解与基质内流动解析解, 求解了三维压裂缝网不稳定压力. 基于积分中值定理提出了点源、特殊线源代替面源求解基质内渗流的求解方法, 分析了该方法的可行性及适用条件, 在保证模型精度的同时提升了计算效率. 研究表明, 在基质内采用点源函数面积分求解面源的方法可准确求解三维压裂缝网井底压力动态但计算效率极低, 基于积分中值定理的点源、特殊线源近似面源求解方法可大大提升计算效率, 且在裂缝微元划分较为精细(微元无因次边长小于0.15)时可取得较高精度, 基于该模型分析了裂缝导流能力、裂缝倾角、裂缝高度及裂缝段间距对压裂大斜度井典型试井曲线的影响.      

基于DSP＋POS的机载稳定平台控制系统设计

为消除机栽姿态角扰动对航空遥感的影响,设计了由横滚和方位组成的两轴稳定平台,该平台通过减振器与载机固联隔离高频扰动,通过伺服控制系统隔离低频扰动,并实时跟踪当地水平面和飞行航线。系统以TMS320F2812为核心微处理器,对POS中MEMS陀螺和欧拉角进行采样,将其采样结果经超前一滞后控制算法输出PWM给直流伺服电机,对平台进行实时控制;针对光轴偏移的问题,提出控制模式切换法,即瞬态工作域采用单闭环速度环控制和稳态工作域采用双闭环位置,速度控制消除了光轴漂移现象。最后给出系统仿真及试飞试验结果,结果表明该平台具有良好的抗扰能力和较强的跟踪能力,满足系统的要求。     

气泡及其破碎兴波对浮动冲击平台影响探究

基于LS-DYNA软件中的ALE算法，对近水面水下爆炸气泡脉动过程进行数值模拟并与实验结果进行对比，验证了近水面近壁面混合边界有限元模型和参数设置的正确性。设置不同爆炸工况，对气泡及其破碎兴波对浮动冲击平台影响进行探究，结果表明:在水下爆炸过程中，气泡、自由面、浮动冲击平台会发生强烈的耦合作用，在气泡脉动阶段，气泡会诱导出涌流和水冢效应，影响浮动冲击平台的安全性和使用性；冲击波是影响浮动冲击平台冲击环境的主要因素，由于气泡的低频性，气泡脉动及水冢对浮动冲击平台的直接冲击作用，会小幅度增加浮动冲击平台冲击环境的谱速度值、谱位移值，对谱加速度值几乎无影响；水冢抨击水面所形成的波浪和气泡破碎兴波，对浮动冲击平台造成的激励载荷呈周期性，其周期与波浪周期相同。波浪的激励载荷仅通过激励其对应频率的浮动冲击平台共振来改变平台的冲击环境。波浪载荷很小，对浮动冲击平台的冲击环境影响较小。     

格子玻尔兹曼法多块网格的交界结构优化研究

基于格子玻尔兹曼方法LBM(Lattice Boltzmann Method)对多块网格方法(Multi-Block)的粗细网格交界结构进行了研究,提出了一种新的优化处理方案。解决了原有网格交界结构存在的三个问题,即两套插值运算造成的程序结构复杂的问题,存储前几个时间步的节点流场数据以备插值运算造成内存浪费的问题和基于时间插值结果进行空间插值计算造成插值误差积累的问题。用一次多点二维空间插值的方式,将原方法的空间和时间双插值,简并成一次空间插值。通过对经典的非定常的圆柱绕流算例和定常的标准顶盖方腔驱动流算例的仿真模拟,验证了交界面处质量、动量及应力的连续性以及网格交界面数据过渡的流畅度,最终验证了改进方法的正确性。数值模拟结果表明,改进后多块算法可实现局部网格细化,进一步推动LBM方法在实际工程问题中的应用。     

球头弹体侵彻舰船板架加强筋时的攻角变化简化理论模型

舰船板架结构加强筋对于弹体侵彻着角与攻角变化有较大影响,而目前对此尚无理论模型。本文开展板架加强筋对弹体攻角变化的理论研究。针对刚性球头弹体侵彻舰船板架结构加强筋问题,将加强筋简化为刚塑性梁模型,建立了侵彻过程力学模型,给出了弹体剩余速度、着角和攻角变化的求解公式。公式表明弹体攻角与着角的变化与弹体初始速度、初始着角、初始攻角以及加强筋极限弯矩有关。通过编程求解理论公式,发现初始着角对于侵彻结束攻角和着角变化的影响大于初始攻角;初始着角超过某一值后,攻角改变会急剧增大,而当初始着角超过另一极限值后会发生弹体跳飞;初始速度越高,弹体侵彻结束后着角和攻角变化越小;加强筋的极限弯矩对弹体攻角改变有较大影响。     

不同壁面绕流特性的格子Boltzmann模拟研究

为了探讨不同壁面的绕流特性,针对粘性流场中,不同壁面诱导的涡脱落现象以及升阻力系数等流场特性进行了格子Boltzmann数值研究。利用基于分子动理论的格子Boltzmann方法(LBM)求解Navier-Stokes方程,实现对流体运动的描述,针对不同的壁面条件,分别采用不同的格子Boltzmann流-固壁面处理方法。采用Half-way反弹边界条件来处理平直壁面,而曲壁面则采用LBM与有限差分法相结合的形式进行处理,计入了壁面与标准网格不重合对结果造成的影响。开发相应的计算程序,计算结果与已发表文献结果吻合良好,验证了数值模型的正确性。同时,探讨了进出口边界与钝体中心的距离对结果的影响。对比分析了不同壁面的绕流模型中升阻力系数、斯托罗哈数和涡量云图等,并进一步研究了雷诺数条件的影响。结果表明,不同壁面的绕流特性具有明显差异,且同时受雷诺数的显著影响;一般地,平直壁面对于来流作出的响应更迅速。