微通道内椭球颗粒惯性聚焦行为数值研究

基于浸没边界-格子Boltzmann方法,对方形截面微通道内椭球颗粒的惯性迁移与旋转动力学行为进行数值研究,发现微通道内椭球颗粒的惯性迁移存在两种主要的运动状态：①翻转状态,即椭球颗粒前进过程中长轴始终在中心对称平面内;②滚动状态,即椭球颗粒前进过程中长轴始终垂直于中心对称平面.研究表明：在低Re数（Re=10）下颗粒以两种状态随流体迁移至平衡位置;在较大Re数（50≤Re≤200）下最终均以翻转状态随流体迁移,随Re数增加,平衡位置先逼近壁面后远离壁面.通过对不同运动状态下椭球颗粒周围的微观流场进行分析,提示该微观流动在颗粒惯性聚焦行为特征中有重要影响,并从流体和颗粒的惯性角度对颗粒不同运动状态的转换机理给出解释.     

粗糙度对大高宽比槽道内流动影响的数值模拟

基于确定表面粗糙结构形状的PML模型模拟表面粗糙度对大高宽比小槽道内流动特性的影响,并与3-D模拟结果对比,结果较为一致.基于该模型对不同的流速和不同的粗糙度进行模拟,结果表明:表面粗糙度导致槽道内出现速度线性分布的流动底层.Re数相同时,单位长度压降与相对粗糙度成二次方关系.粗糙单元高度相同时,压降随Re线性增加.     

不连续冷源布局多孔介质内热流耦合LBM数值模拟

为研究不连续冷源边界对内置发热体多孔介质方腔内传热及流动的影响,采用格子Boltzmann方法对REV尺度下多孔介质方腔内的自然对流进行计算,并研究瑞利数（Ra）、达西数（Da）、孔隙度对多孔介质方腔内传热流动的影响.发现Da对方腔内的流体流型影响很大,Da为10^-4时,多孔介质方腔内只有一个涡流,而Da为10^-2时,方腔内有两个涡流.增大Ra、Da、孔隙度可以提高冷源壁面的平均努赛尔数（Nu）,增强散热效果,孔隙率对平均Nu影响程度和Da的大小有关.当冷源布置在壁面上方,壁面的平均Nu随Ra的增加剧烈变化,方腔处于高Ra条件下时,将冷源布置在边界的上方可以提高散热效果.6种布置方案中Case 6的散热效果最好.     

周期性波纹通道内换热与流动的数值研究

采用曲线坐标系下压力与速度耦合的SIMPLER算法,数值研究了一种紧凑换热器中波纹通道内周期性充分发展的层流流动与换热情况,流动Re数的范围为100~1100,Pr数为0.7.计算考察了不同波纹高度、波纹间距对流动与换热的影响,并对模型参数进行了性能评价.计算结果表明,整体Nu数及fRe数随着流动Re数的增加而增加.随着波纹高度的增加或波纹间距的减小,换热增强,特别是在高Re数下波纹高度的增加更加强化换热.最佳波纹高度和间距分别为1.15 mm和13 mm.     

纳米尺度绕流现象中流体分子运动行为研究

采用分子动力学模拟方法,研究纳米尺度低Re数(Re=20)条件下,氩流体流过铂(FCC(100))金属圆柱的绕流现象.从流线和速度矢量分布两方面刻画涡的周期性产生、发展和脱落过程.结果显示,一个涡脱落周期大约为0.3 ns,斯特劳哈尔数St约为0.2;时均对称涡的长度是圆柱直径的1.4倍,涡径与圆柱直径相当.从速度场和密度场的角度刻画回流区,并进一步研究典型区域(圆柱中心线附近区域及下游邻近区域)的速度分布特性.     

三维可压缩绕球流的整体线性稳定性研究

研究基于三维可压缩Navier-Stokes方程拟线化方法的整体稳定性问题的数值求解,采用隐式重启的Arnoldi方法求解其特征值问题.针对三维可压缩绕球基本流,研究其在亚临界参数Reynolds数Re=200,马赫数M=0.2,以及超临界参数Re=300,M=0.6下的整体稳定性问题.结果表明,Mach数的增加(直至M=0.6)对流场模态的转变没有定性影响.     

周期性渐扩-渐缩通道层流流动与换热特性研究

以渐扩-渐缩通道内周期性充分发展的层流流动与换热为研究对象,采用SIMPLE算法,适体坐标网格及Amano周期性边界条件的实施方案对之进行数值模拟,计算了在层流范围内不同Re数下的流动与换热规律.结果表明,在Re=100~1000范围内,与平行平板通道相比,阻力增强了(10~200)%,换热增强了(40~320)%.     

非均匀交错网格上的Temam方法及驱动方腔流动的数值模拟

给出一种有效求解多重尺度问题的计算方法,把作者在交错网格上的修正Temam格式^[5]推广到非均匀交错网格,网格分布是根据边界层厚度由无奇异连续坐标变换来实现,以保证计算精度,连续方程约束用压力修正投影法来实现.所导致的非均匀网格上的Poisson方程用FISHPACK中的广义循环约减法程序求解。对驱动方腔流动进行了数值模拟,给出了Re数为100,400,1000,5000的定常结果.这些结果定量上与文献中的结果一致,在Re数较大时分辨出三级涡,但计算效率有显著提高。     

多孔介质方腔内混合对流格子Boltzmann模拟

采用格子Boltzmann方法,对多孔介质方腔内的混合对流现象进行研究.方腔内部中心有一发热圆,径宽比D/L=0.4,冷流体从方腔左下角入口流进,从方腔左上角出口流出,四周壁面绝热.在普朗特数Pr=0.71和格拉晓夫数Gr=1.4×10⁴时,分析理查德森数Ri和达西数Da对发热圆表面平均努赛尔数Nu的影响.结果表明：Ri数位于10^-3~10范围内,Nu随Ri的增大而减小.Da越大,Ri对Nu的影响越显著;Da数位于10^-5~10^-2范围内,强制对流占主导的情况下（Ri≤0.1）,Nu随着多孔介质的Da的增大而增大.自然对流占主导的情况下（Ri=10）,Nu对Da的变化不敏感.     

微液滴振荡过程的光滑粒子动力学方法数值模拟

本文对传统的光滑粒子动力学方法进行了改进, 改进的光滑粒子动力学方法对传统粒子方法中的核梯度进行了修正, 采用了一种新型的核函数和离散格式, 应用改进的光滑粒子动力学方法对微液滴振荡过程进行了数值研究. 研究了不同纵横比和雷诺数(Re)下振荡阻尼与振荡的周期、振幅与Re数的关系. 研究表明: 对于纵横比λ≤ 4时的微液滴振荡过程, 其他参数恒定不变的前提下, Re数越大, 液滴形状变化越剧烈, 波的阻尼作用越弱, 液滴振荡周期变长; 在Re数一定的前提下, 随着液滴初始的纵横比的增大, 液滴振动的振幅增大, 液滴振荡的周期变长.     

微小水滴撞击深水液池空腔运动的数值模拟及机理研究

为了探究微米级微小水滴撞击深水液池运动中空腔的成长过程与机理,采用自适应网格技术和流体体积方法对撞击速度为2.5–6.5 m/s的微小水滴撞击深水液池的运动进行数值模拟研究,考察不同撞击速度下水滴撞击深水液池后的水体混掺、毛细波传播、空腔变形规律以及气泡截留过程,并深入探究空腔运动的动力学机制.研究结果表明,不同撞击速度下,在忽略毛细波作用、空腔深度h∈（D,h_max）的前提下,空腔深度随时间的成长仍满足t∝h^5/2的关系;液滴撞击产生的空腔形状有U形和半球形两种,前者一般向V形转变,后者空腔底部会变为圆柱形,产生细长射流,并有可能发生气泡截留现象;在撞击速度较低时,低压区首先在空腔侧壁与底部交界处产生,随后在靠近液面以及空腔底部靠近中心区域各产生一个较大的涡环;在撞击速度较高,产生细长射流时,涡环的生成被抑制,低压区首先在波浪底部与侧壁上交界处产生,随后空腔底部变为圆柱状,空腔侧壁首先坍塌形成气泡截留.     

Multiple solutions and hysteresis in the flows driven by surface with antisymmetric velocity profile

Multiple steady solutions and hysteresis phenomenon in the square cavity flows driven by the surface with antisymmetric velocity profile are investigated by numerical simulation and bifurcation analysis.A high order spectral element method with the matrix-free pseudo-arclength technique is used for the steady-state solution and numerical continuation.The complex flow patterns beyond the symmetry-breaking at Re■320 are presented by a bifurcation diagram for Re 2500.The results of stable symmetric and asymmetric solutions are consistent with those reported in literature,and a new unstable asymmetric branch is obtained besides the stable branches.A novel hysteresis phenomenon is observed in the range of2208 Re 2262,where two pairs of stable and two pairs of unstable asymmetric steady solutions beyond the stable symmetric state coexist.The vortices near the sidewall appear when the Reynolds number increases,which correspond to the bifurcation of topology structure,but not the bifurcation of Navier-Stokes equations.The hysteresis is proposed to be the result of the combined mechanisms of the competition and coalescence of secondary vortices.     

脉动参数对波纹通道内传热强化的影响

采用曲线坐标系下压力与速度耦合的SIMPLER算法,数值研究了波纹通道内脉动流动与换热情况,流动Re数的范围为5~500,Pr数为0.7.计算考察了脉动参数如脉动频率和振幅对通道内强化传热和压力损失的影响.研究结果表明,流动阻力特性呈周期性余弦规律变化,换热Nu数呈正弦规律变化;频率、振幅的增大,使得阻力脉动幅度增大.受入口脉动流的影响,通道内的旋涡发生周期性的脱落、增长和迁移,从而增强了流体之间的扰动和掺混,强化了传热;传热的强化效果随着振幅的增大而增强,但在特定入口脉动流下,相同振幅不同频率下的强化效果几乎一致.     

室内可吸入颗粒物运动特性的格子 Boltzmann方法模拟

为探究室内可吸入颗粒物的运动特性,使用格子Boltzmann方法,在颗粒物运动概率模型的基础上考虑布朗力对颗粒物的作用,利用改良的LB-CA（Lattice Boltzmann-cellular automata）模型,模拟了Re数分别为400、1 000和2 000时粒径为0.01 μm、0.1 μm和1 μm的颗粒物在上送上回和上送侧回两种回风形式中的运动特性.结果显示：颗粒物的空间分布范围随着Re数的增大而增大,小粒径的颗粒物受到气流湍动和扩散作用的影响更明显;颗粒物的均方位移（mean square displacement,MSD）与Re数、颗粒物粒径的大小成反比,而同样的Re数下,颗粒物在上送侧回的回风形式中其MSD较大.总体上看上送侧回的回风形式具有较低的悬浮颗粒数和更高的室内空气品质.     

多孔表面推迟高超声速边界层转捩的机理

利用线性稳定性理论分析（LST）结合直接数值模拟（DNS）研究高超声速多孔表面边界层流动的失稳特征,分析多孔表面推迟高超声速边界层转捩的机理.在Ma=6,Re=2.0×10⁴（参考长度为入口处边界层位移厚度）条件下获得平板边界层及不同孔隙排列情形下平板边界层的典型流动特征,并采用LST方法分析光滑平板及多孔平板扰动的增长率及累计放大率.研究表明三维顺排及错排多孔表面都可以抑制第二模扰动的发展,推迟高超声速边界层转捩,但顺排多孔表面推迟高超声速边界层转捩能力更强.     

通道中串列旋转圆柱的格子Boltzmann-虚拟区域方法的模拟

通过结合格子Boltzmann方法(LBM)和虚拟区域(Fictitiou sDomain)思想,建立格子Boltzmann-虚拟区域(LB-DF/FD)方法.采用两套网格系统,欧拉网格用于流体,拉格朗日网格用于固体.原有的LBM在计算运动固体的受力方面存在数据振荡,LB-DF/FD方法改进了此缺陷.为验证该方法,模拟圆柱绕流、圆形颗粒在无限长通道中平动及在无限大流场中转动三种情况,结果与其他数值解及理论解符合得很好.利用该方法模拟低雷诺数下通道中串列旋转圆柱周围的流场,分析圆柱间距(g)及雷诺数(Re)对流场结构的影响.给出Re=0.001,0.1和10下,0.2≤g≤8.0的流线结构、圆柱升力、阻力以及力矩等数值结果.结果表明,g对流场的结构及圆柱的受力有显著影响,Re对圆柱阻力及Stokes单元数目的影响较大.     

平面撞击流偏斜振荡的实验研究与大涡模拟

采用实验和大涡模拟对喷嘴出口雷诺数(Re= U₀ hρ/μ, 其中 U₀为出口平均速度, h为平面喷嘴出口狭缝高度, ρ和 μ分别为流体的密度与动力黏度)为25–10000, 喷嘴间距 L为4h–40h范围内的平面撞击流偏斜振荡特性进行了研究. 通过对平面撞击流模拟和实验的结果进行比较, 验证了数值模拟的可靠性, 并对平面撞击流发生偏斜振荡的无因次参数(喷嘴间距 L/h与出口雷诺数 Re)范围进行划分, 重点考察了湍流平面撞击流的偏斜振荡周期及速度-压力变化特征. 研究结果表明大涡模拟能对平面撞击流的偏斜振荡进行有效预报; 当平面撞击流发生周期性偏斜振荡时, 特定点的压力与速度也发生周期性变化, 且变化周期与偏斜振荡周期一致, 偏斜振荡本质上是由速度-压力的周期性变化和转换引起的. 关键词： 平面撞击流 偏斜振荡 大涡模拟