高雷诺数下非混相Rayleigh-Taylor不稳定性的格子Boltzmann方法模拟

本文采用相场格子Boltzmann方法研究了竖直微通道内中等Atwoods数流体的单模Rayleigh-Taylor不稳定性问题,系统分析了雷诺数对相界面动力学行为以及扰动在各发展阶段演化规律的影响.数值结果表明高雷诺数条件下,不稳定性界面扰动的增长经历了四个不同的发展阶段,包括线性增长阶段、饱和速度阶段、重加速阶段及混沌混合阶段.在线性增长阶段,我们计算获得的气泡与尖钉振幅符合线性稳定性理论,并且线性增长率随着雷诺数的增加而增大.在第二个阶段,我们观察到气泡与尖钉将以恒定的速度增长,获得的尖钉饱和速度略高于Goncharov经典势能模型的解析解[Phys.Rev.Lett.200288134502],这归因于系统中产生了多个尺度的旋涡,而涡之间的相互作用促进了尖钉的增长.随着横向速度和纵向速度的差异扩大,气泡和尖钉界面演化诱导产生的Kelvin–Helmholtz不稳定性逐渐增强,从而流体混合区域出现许多不同层次的涡结构,加速了气泡与尖钉振幅的演化速度,并在演化后期阶段,导致界面发生多层次卷起、剧烈变形、混沌破裂等行为,最终形成了非常复杂的拓扑结构.此外,我们还统计了演化后期气泡与尖钉的无量纲加速度,发现气泡和尖钉的振幅在后期呈现二次增长规律,其增长率系数分别为0.045与0.233.而在低雷诺条件下,重流体在不稳定性后期以尖钉的形式向下运动而轻流体以气泡的形式向上升起.在整个演化过程中,界面变得足够光滑,气泡与尖钉在后期的演化速度接近于常数,未观察到后期的重加速与混沌混合阶段.     

浸没边界-简化热格子Boltzmann方法研究及其应用

针对流固耦合传热问题,本文提出了一种基于浸没边界-简化热格子玻尔兹曼方法(immersed boundary method-simplified thermal lattice Boltzmann method,IB-STLBM)的耦合模型.不同于传统的格子玻尔兹曼方法使用分布函数演化流场和温度场,简化热格子玻尔兹曼方法(simplified thermal lattice Boltzmann method,STLBM)的演化过程不需要依赖分布函数,只涉及平衡态分布函数和非平衡态分布函数,能够直接演化宏观量,极大减小了计算过程中所占用的虚拟内存,简化了边界条件的实现方式,同时具有较高的稳定性.传统的浸没边界法对流场的计算采用欧拉网格,对固体边界采用拉格朗日网格,认为固体边界是对流场产生某种体积力.在应用浸没边界法时,汲取介观的思想,把固体的介入看作是对流场的干扰,打破了固体附近流体介观微团颗粒原始的平衡状态,这种干扰可以看作是在耦合边界上产生的一个非平衡项,可用非平衡态分布函数来表示.基于此,在模型中浸没边界法与简化热格子玻尔兹曼方法更紧密联系在一起,更大程度发挥二者的优点,整个计算过程更加简单直观,符合物理特性.通过对热圆柱绕流和内含热颗粒的封闭方腔自然对流问题的模拟以及对其结果的分析,验证了该算法在求解流固耦合传热问题的有效性和可行性.      

基于LBM方法的风力发电机尾流结构仿真

针对传统CFD数值计算方法难以实现风力机动态旋转及其旋转状态下的流固耦合计算,本文结合格子玻尔兹曼(LBM)方法易于处理动态复杂边界的特点及大涡模拟(LES)方法在非稳态涡流结构捕捉上的优势,采用LBM-LES联合方法进行三维风力发电机整机气动性能及尾流结构仿真研究,同时采用尺度自适应方法对尾涡结构进行跟踪和精细化计算。针对NREL PhaseⅥ型试验机进行模拟,得到了与实验结果吻合的流动形态及尾流结构演变规律,分析了尾流区速度演变规律并对比了不同亚格子湍流模型对计算结果的影响.     

受限于两平行板间的对称星形共聚物Am Bm熔体相行为的格子自洽场理论研究

采用格子自洽场理论计算研究了受限于2个平行板间的对称星形共聚物AmBm(m=1,2,3,4,5)熔体形成的层状相结构.在给定的相互作用下(χNAB不变,χ为Flory-Huggins相互作用参数,NAB=(N?1)/m为单个聚合物分子中一对AB臂的总链节数目),针对平行板间距为体相周期的情况,系统考察了共聚物链长N和单个聚合物分子中A(或B)臂数目m对受限层结构细节及层取向的影响.由计算结果,当N或NAB不变时,受限层的归一化界面宽度随m的增大而减小.受限板为中性时,垂直层结构的单链自由能比平行层结构的低.随着板对共聚物中一种嵌段的选择作用Λ的增大,体系发生垂直层到平行层的转变,该转变为一阶相变.当m不变时,N越小,上述转变出现在越大的Λ值处,体系越容易保持垂直层结构.并且N越小,层状结构周期越小.当N或NAB不变时,m越大体系越容易保持垂直层结构.总之,星形共聚物的链长越短、臂数越多时,垂直层稳定的Λ区间越大、层状结构的界面宽度越小.这些结论可以指导刻蚀应用中对体系参数的选择.     

嵌段共聚物相容剂对聚合物共混体系力学性能影响的连续介观模拟

结合介观动力学方法和三维弹簧格子模型, 研究了嵌段共聚物相容剂对相容性较差的聚合物二元共混体系力学性能的影响. 在适当范围内不断增加嵌段共聚物相容剂的用量, 研究了相容剂含量对体系杨氏模数及拉伸强度的影响, 同时也对不同体系材料的破碎位点进行了分析. 结果表明, 未加入相容剂的二元共混体系在拉伸模拟中表现出较低的拉伸强度, 而适量添加相容剂可以显著提升材料的拉伸强度, 随着相容剂含量的增加, 共混体系的破碎位点会发生转移并最终改善材料的整体性能. 而相容剂的加入对体系杨氏模数的影响较小. 该连续模拟方法为关联聚合物复合体系的微观结构和宏观力学性能提供了一条高效的途径.     

Theoretical statistical solution and numerical simulation of heterogeneous brittle materials

The analytical stress-strain relation with heterogeneous parameters is derived for theheterogeneous brittle materials under a uniaxial extensional load, in which the distributions of theelastic modulus and the failure strength are assumed to be statistically independent. This theoreticalsolution gives an approximate estimate of the equivalent stress-strain relations for 3-D heterogeneousmaterials. In one-dimensional cases it may provide comparatively accurate results. The theoreticalsolution can help us to explain how the heterogeneity influences the mechanical behaviors, Further, anumerical approach is developed to model the non-linear behavior of three-dimensional heterogeneousbrittle materials. The lattice approach and statistical techniques are applied to simulate the initialheterogeneity of heterogeneous materials. The load increment in each loading stage is adaptivelydetermined so that the better approximation of the failure process can be realized. When the maximumtensile principal strain exceeds the failure strain, the elements are considered to be broken, which canbe carried out by replacing its Young‘s modulus with a very small value. A 3-D heterogeneous brittlematerial specimen is simulated during a full failure process. The numerical results are in good agreementwith the analytical solutions and experimental data.     

充分发展湍流场中Pr数对被动标量输运的影响

采用直接数值模拟方法,研究壁湍流中分子Pr数对湍流被动标量输运的影响.发现在槽道湍流的外层,湍流雷诺平均普朗特数PrT与分子普朗特数的倒数呈线性关系;湍流亚格子普朗特数PrT与分子普朗特数的关系较为复杂,在分子普朗特数为1附近时,湍流亚格子Prt数出现极小值.     

波纹钢屋盖结构板件相关屈曲的试验研究与分析

拱型波纹钢屋盖结构的受力机理异常复杂，波纹、加工制作过程中产生的变形和残余应力等初始缺陷在理论分析中很难精确定量描述。论文对波纹钢屋盖结构梯形截面板组进行了轴心和偏心压力作用下稳定承载能力的试验研究，并与理论结果进行了比较分析，试验与理论结果吻合较好。试验结果表明波纹板组具有较高的局部屈曲承载能力，但几乎无屈曲后承栽能力，与平板板组屈曲特性相比有显著差异。     

MEASUREMENT OF NON-UNIFORM RESIDUAL STRESSES BY COMBINED MOIRE INTERFEROMETRY AND HOLE-DRILLING METHOD： THEORY, EXPERIMENTAL METHOD AND APPLICATIONS

Hole-drilling method is one of the most convenient methods for engineering residual stress measurement. Combined with moiré interferometry to obtain the relaxed whole-field displacement data, hole-drilling technique can be used to solve non-uniform residual stress problems, both in-depth and in-plane. In this paper, the theory of moiré interferometry and incremental hole-drilling (MIIHD) for non-uniform residual stress measurement is introduced. Three dimensional finite element model is constructed by ABAQUS to obtain the coefficients for the residual stress calculation. An experimental system including real-time measurement, automatic data processing and residual stresses calculation is established. Two applications for non-uniform in-depth residual stress of surface nanocrystalline material and non-uniform in-plane residual stress of friction stir welding are presented. Experimental results show that MIIHD is effective for both non-uniform in-depth and in-plane residual stress measurements. The project supported by the FRAMATOME ANP