不可压粘性流体浸入边界直接力法及软件实现

浸入边界法通过在N-S方程中施加体积力模拟不可滑移固壁边界及动边界，避免生成复杂贴体网格及动网格，极大地节省了网格建模时间及动网格计算消耗。本文提出一种新型附加体积力简化计算方法，将简化附加体积力以源项形式嵌入动量方程迭代中，通过用户自定义函数对CFD软件FLUENT二次开发，实现了浸入边界法和通用流体力学求解器的耦合计算。通过静止圆柱和动圆柱绕流数值模拟进行了验证，并探讨了插值函数对计算精度的影响。研究表明，通过引入浸入边界模型，能够提高计算效率，并实现结构网格背景下复杂边界和动边界的高效建模。     

基于生活实践的工程流体力学启发性教学初探

工程流体力学教学中需要强调理论与实践的有机结合.本文提出基于生活实践案例以问题链形式进行启发性工程流体力学教学.以总流能量方程及水头损失计算教学为例,设计了"自来水水龙头堵住一部分出口后水流喷射的距离和流量如何变化"这一简单生活实践问题,将重要知识点贯穿其中.教学应用效果表明,启发性、开放性的生活实践问题,能够很好地引导学生综合运用理论知识,解决实际问题,同时能够培养学生的生活观察和独立思考能力.     

弹性支撑斑海豹胡须模型单自由度流致振动实验研究

斑海豹依靠其具有波状外形的胡须,可感知猎物尾迹流场中的涡流,进而循迹追踪.对斑海豹胡须感知涡流特征的机制进行研究具有重要的科学意义和应用价值.本文根据斑海豹胡须的外形参数,制作了1:30的实验模型,在水槽中研究了均匀流场和尾迹流场中单个胡须模型和胡须模型阵列的单自由度流致振动特性,分析了模型振动响应与涡流特征的关联.结...     

低雷诺数下串列三圆柱涡激振动中的弛振现象及其影响因素

对间距比为1.2和雷诺数为100的串列三圆柱涡激振动进行数值模拟,发现在某个折合流速之后,三圆柱的响应均呈现为随着折合流速增大而增大的弛振现象,平衡位置偏移、低频振动以及旋涡脱落与圆柱运动之间的时机三个因素共同决定了弛振现象的出现.进一步的研究发现,串列三圆柱的弛振现象仅出现在质量比不大于2.0和雷诺数不大于100的工况下.当质量比较大时,串列三圆柱的平衡位置固定不变,且圆柱的振动不规律,使得旋涡脱落与圆柱运动的时机处于变化之中.当雷诺数较高时,最上游圆柱的平衡位置在折合流速较大时回到初始位置,不再参与对圆柱振动的调节,使得圆柱的振动响应不再规律,旋涡脱落与圆柱运动的时机也一直处于变化之中.     

明渠湍流边界层中颗粒的运动与分布

利用直接数值模拟、点球浸入边界法和颗粒离散元法相结合的方法, 模拟了颗粒在明渠湍流边界层中的运动, 并对颗粒的瞬时位置进行了Voronoi 分析, 定量研究了颗粒在湍流边界层中的运动和分布规律. 研究发现:颗粒的输运对湍流的统计特征有影响, 其运动与近壁区湍流拟序结构密切相关, 在"喷发"结构作用下被带离壁面, 在"扫掠" 结构和自身重力作用下回到壁面; 在湍流边界层中, 颗粒倾向于聚集在低流速带, 呈条带状分布;颗粒在大部分时间处于"簇"状态, 偶尔跳跃到"空" 状态, 但能够很快回到邻近低速区域.     

小角度斜向入流条件下复式断面明渠流速重分布线性理论

自然界中复式河道的来流方向常受径流量、滩槽形态影响,往往与主槽存在小幅度夹角,使得目前基于顺直河道假定的漫滩水流大量的理论成果难以适用.为研究斜向入流影响,采用平面二维浅水方程描述沿程均匀的复式断面明渠水流运动,选取斜向角度作为小参数,运用摄动法推导了小角度(θ20°)斜向入流条件下复式河道流速分布的线性解析解,并利用数值模拟结果进行验证,流速分布吻合较好.理论分析结果表明,斜向来流时由于出现垂直于河道方向流速分量,使得顺河道方向流速沿河宽分布偏离正向来流情况下的对称形态而重新分布,入流侧流速减小而对岸流速增大;在斜向角度θ=13°且滩槽水深比为3∶8的情况下,偏离幅度可达21.8%,该幅度随滩槽水深比的减小而增大.该文针对斜向来流对流速分布的修正将为进一步研究复式河道泥沙运动和河流演变提供更为准确的水动力条件.     

不同剪切率来流作用下柔性圆柱涡激振动数值模拟

采用浸入边界法对细长柔性圆柱在线性剪切流条件下的涡激振动进行三维数值模拟.细长柔性圆柱振动采用三维索模型模拟,其两端铰接,质量比为6,长细比为50,无量纲顶张力为496.来流为线性剪切流,剪切率从0到0.024变化,最大雷诺数为250.研究发现:剪切流作用下柔性立管横流向振动表现为驻波模式,而顺流向振动表现为行波与驻波混合模式.随着剪切率增大,振动频谱呈现多频响应,振动能量逐渐向低频转移.阻力系数平均值随着展向变化,脉动阻力系数和升力系数的均方根值均表现为"双峰"模式.流固能量传递系数沿立管轴向的分布表明,振动激励区集中于高流速区,而振动阻尼区多位于低流速区.剪切率较小时,圆柱的泻涡为平行交叉模式;剪切率较大时,圆柱的泻涡为倾斜泻涡模式,且由于泻涡频率沿立管轴向变化,尾流发生涡裂现象,形成泻涡频率不同的胞格结构.     

低雷诺数下串列三圆柱涡激振动中的弛振现象及其影响因素

对间距比为1.2和雷诺数为100的串列三圆柱涡激振动进行数值模拟, 发现在某个折合流速之后, 三圆柱的响应均呈现为随着折合流速增大而增大的弛振现象, 平衡位置偏移、低频振动以及旋涡脱落与圆柱运动之间的时机三个因素共同决定了弛振现象的出现. 进一步的研究发现, 串列三圆柱的弛振现象仅出现在质量比不大于2.0和雷诺数不大于100的工况下. 当质量比较大时, 串列三圆柱的平衡位置固定不变, 且圆柱的振动不规律, 使得旋涡脱落与圆柱运动的时机处于变化之中. 当雷诺数较高时, 最上游圆柱的平衡位置在折合流速较大时回到初始位置, 不再参与对圆柱振动的调节, 使得圆柱的振动响应不再规律, 旋涡脱落与圆柱运动的时机也一直处于变化之中.      

不可压粘性流体浸入边界直接力法及软件实现

浸入边界法通过在N-S方程中施加体积力模拟不可滑移固壁边界及动边界,避免生成复杂贴体网格及动网格,极大地节省了网格建模时间及动网格计算消耗。本文提出一种新型附加体积力简化计算方法,将简化附加体积力以源项形式嵌入动量方程迭代中,通过用户自定义函数对CFD软件FLUENT二次开发,实现了浸入边界法和通用流体力学求解器的耦合计算。通过静止圆柱和动圆柱绕流数值模拟进行了验证,并探讨了插值函数对计算精度的影响。研究表明,通过引入浸入边界模型,能够提高计算效率,并实现结构网格背景下复杂边界和动边界的高效建模。     

固相微萃取现场流动采样装置

为了满足固相微萃取（SPME）方法现场采样的要求，设计了一套流动采样装置，并采用直接萃取法来研究苯系物（BTEX）的萃取过程，以对该装置进行性能评估。结果表明：非平衡点流动采样方法的灵敏度与国家环保局规定的顶空法相当，BTEX的LOD值均在μg/L水平。该方法具有很好的精密度和准确度，BTEX的相对标准偏差均小于5％；加标回收率均在95．2％－100．9％之间。实际应用研究结果表明，这套流动采样装置可用于实际的现场采样测定。