风沙运动的电场-流场耦合模型及气固两相流数值模拟

沙尘暴和尘卷风等风沙运动的静电场是空气流场中沙粒间的碰撞摩擦带电及沙粒粒径的分层效应引起的, 本文耦合沙粒摩擦荷电模型和风沙运动气固两相流模型, 提出了离散单元法与计算流体动力学结合的数值方法. 数值模拟计算表明电荷呈中性的沙粒临界直径为300 μm; 在充分发展的水平风沙流中, 细小的沙粒带负电, 较大直径的沙粒带正电, 所模拟的沙粒带电的荷质比及水平风洞试验段的电场强度与实验测量值一致, 验证了风沙运动的电场-流场耦合模型及数值计算方法的合理性. 本文基于沙粒摩擦荷电机理的风沙运动气固两相流模型提供了理解风沙运动静电场产生的一种物理机理.     

离散相系统群体平衡模型的求解算法

准确预测离散相系统中微观粒子的尺度分布演变对系统动态流动行为的准确确定起关键性作用. 粒子的尺度分布演变以及引起尺度分布变化的离散相微观行为(聚并、破碎、长大等)由群体平衡模型来描述. 该模型是关于数值密度函数的非线性双曲型方程, 数值求解为主要手段. 本文对群体平衡方程的直接离散方法、Monte Carlo、矩方法从实现难易程度、计算机资源消耗、计算精度三方面进行了详细阐述, 并着重介绍了几种性能优越的矩方法—— 矩积分方法(QMOM)、矩直接积分方法(DQMOM)、可调节矩积分方法(M-QMOM)、自适应矩直接积分方法(ADQMOM)、定点矩积分方法(FPQMOM)、粒子游动算法(MPEM)和局部定点矩积分方法(LFPQMOM). 最后根据算法的优缺点及其当前发展状况对不同算法的未来发展做了预测.     

颗粒系统成核、长大、聚并微观行为的模拟

针对描述多相体系中成核、长大、聚并微观过程的群体平衡方程,提出了一种可以跟踪任意数目矩的定点矩方法。为便于方法处理,将间歇式和连续式两种不同操作过程下的群体平衡方程写成统一形式,并利用权值残差法导出统一形式矩方程,实现了两种操作条件下矩的直接跟踪。将数值密度函数简化为连续Dirac Delta函数加权和,将积分或微分转化为连续求和。对连续式操作下的成核、长大微观过程和间歇式操作条件下的聚并、长大微观过程模拟结果表明：该方法具有较高数值精度,与分析解的相对误差在10^-8％以内。对无分析解间歇式操作过程中成核、聚并、长大复合微观过程模拟,重现了复合过程微观行为,说明该算法的可行性。     

一种改进后的亚格子特征尺度表达式

针对大涡模拟涡粘性亚格子模式中使用网格尺度为特征尺度存在的不足,提出一种改进的亚格子特征尺度表达式,利用结合Sagaut混合尺度模式获得的改进模式与Smagorinsky模式、Germano模式和Sagaut模式等进行对比研究.时间发展混合层和中性大气边界层的大涡模拟结果表明,改进的有效亚格子特征尺度能合理反映亚格子脉动的时空分布特性,同时扩展了适用范围.在对耗散程度、流动演化过程、可解湍流强度和可解雷诺应力等方面的模拟,改进模式优于基准模式,表明亚格子脉动有效特征尺度在大涡模拟中具有一定的理论基础和广泛的应用价值.     

利用高阶分区并行算法实现直接数值模拟

在基于MPI环境的分布式内存机群上,结合高阶WENO-RF格式的特点,实现了5阶WENO-RF格式的分区并行计算方法,计算精度不受分区和节点数量影响。使用该分区并行算法以三维可压缩时间发展混合层为例进行了直接数值模拟,验证了并行算法的准确性,表明机群并行运算可以显著扩展微机的计算能力,并行效率高,减少了计算的墙上时间,适合在小型高速局域网内进行大规模数值模拟计算。     

一种风沙运动的颗粒动力学静电起电模型

基于水的电离理论和颗粒动力学理论,提出了一种风沙运动颗粒碰撞的静电起电模型：颗粒表面覆盖有水分子薄层,颗粒间的碰撞导致能量转移和颗粒温度变化;水电离生成H₃O⁺和OH^-离子,当两个温度不同或水分子薄层正(负)离子浓度不同的颗粒相接触时,H₃O⁺比OH^-以更快地速度从浓度高的地方向浓度低的地方迁移. 在动力学的模拟计算中采用0.1mm,0.2mm和0.4mm三种粒径的沙粒以示沙 关键词： 风沙运动 静电 颗粒动力学 尘卷风     

工业中粉体颗粒的荷电机理及数值模拟方法

工业过程中粉体颗粒不可避免地会相互摩擦碰撞而荷电. 荷电颗粒的存在可能会危害正常的工业生产过程, 也可能对工业过程起促进作用. 因此, 荷电粉体颗粒及其特性受到了广泛的关注, 但目前对粉体颗粒的荷电机理依然缺乏透彻的了解, 尤其是在气固两相流动中的粉体颗粒荷电现象. 事实上, 工业中存在的粉体颗粒的运动都受到流体的影响, 是典型的气固两相流系统, 流体对粉体颗粒的作用使粉体颗粒接触的荷电现象变得更为复杂, 因此从两相流动的观点来研究粉体颗粒荷电的物理本质就显得越来越重要. 本文介绍了工业过程中的几种不同类型的粉体颗粒荷电行为, 回顾了颗粒的荷电机理与描述颗粒荷电的数学模型. 对于工业过程中颗粒的荷电现象及颗粒在多相流体中的动力学行为, 介绍了研究颗粒受流体影响时荷电特性的数值模拟方法. 本文旨在对粉体颗粒的荷电机理、应用以及研究方法进行梳理与探讨, 为正确认识工业过程中粉体颗粒的荷电现象并加以控制利用提供理论借鉴.     

计算二维声腔传递矩阵的正方形线声源模型

在比较现有二维矩形声腔的声源计算模型特点的基础上,提出了一种新的正方形线声源计算模型,用于计算基于模态级数叠加法的压力响应函数.分析表明,此模型不仅可以克服点声源模型的奇异性,而且在合理选择模型的几何尺寸的前提下能得到比面源模型更为均匀的压力分布,提高了传递函数计算的准确率.数值试验考察了此模型的实际应用效果,表明新的线声源数学模型较圆形线声源更为简便,可以提高计算效率. 关键词： 传递矩阵 正方形线声源模型 二维声腔 模态级数叠加法     

时变来流条件下大气边界层流动大涡模拟

采用大涡模拟方法,利用平坦地面模型和带楔形结构的粗糙地面模型研究近地面空间风场特征.结果表明,在时变来流条件下,平坦地面模型和粗糙地面模型均在阵风峰期产生下沉气流,在阵风谷期产生上升气流;垂直气流大小与下垫面粗糙度和水平来流风速变化幅度有关.大气边界层内风场的风速大小和方向总是随时间变化的,与稳定来流假设相比,随时间变化的来流条件下边界层的流动更有利于边界层内物质和能量的输运.