基于改进LBM的气液自发渗吸过程中动态润湿效应模拟

微通道内气液自发渗吸是广泛发生在自然界及诸多工业领域的物理现象,而动态接触角是影响整个渗吸过程的关键因素.针对该问题,本文使用改进的伪势多相流格子玻尔兹曼方法 (LBM),直接捕捉微通道内气液自发渗吸过程中的实时接触角,并分析接触角的动态变化特性及其对渗吸长度的影响.首先,本文在原始的伪势多相流LBM的基础上耦合Peng-Robinson (PR)状态方程,改进流体-流体作用力以及流-固作用力格式,并采用精确差分方法将外力添加至LBM框架中.然后,通过校准模型的热力学一致性,模拟测试界面张力,静态平衡接触角等界面现象验证了模型的准确性.最后,基于建立的模拟方法,在水平方向上模拟微通道内气液自发渗吸过程.结果表明:渗吸过程中的接触角呈现动态变化特征,在渗吸初期,因受到惯性力的影响存在较大波动;随着渗吸距离的增大,其逐渐减小并趋近于静态平衡接触角.渗吸过程中的接触角与微通道尺寸及静态接触角有关,随着微通道宽度增大,实时的动态接触角与静态接触角相差大;随着静态接触角增大,实时的动态接触角与静态接触角的相差增大.此外,忽略动态接触角的Lucas-Washburn (LW)方程所预测的弯液面位置...     

非均匀矩形网格的局部网格细化LBM算法研究

传统的格子玻尔兹曼方法 (LBM),特别是基于均匀正方形网格的经典单松弛计算模型(SLBM),其算法鲁棒性和数值稳定性较差,限制了LBM的发展和应用.而网格细化策略可以有效缓解这一窘境,但是传统LBM中网格细化必然会导致计算效率骤降,计算设备要求攀高.为了解决这一问题,文章基于非均匀矩形网格结构,结合插值LBM算法的思路,在保证物面处和流动变化剧烈区域的局部网格细化以及计算精度的前提下,提出了25点拉格朗日插值LBM算法.以经典顶盖驱动方腔内流为算例,开展了包括不同网格分辨率和插值格式的对比分析研究.验证算例既包括了定常流动的数值模拟,也涉及了非定常周期性流动的求解.计算结果表明,相较于其他插值格式,拉格朗日插值格式表现优异;文章局部网格细化工作可以确保物面处及流动变化剧烈区域流动细节的捕捉;数值模拟算法可以为数值仿真提供可信的计算结果;同时大幅降低了总网格数量.因此很大程度上提升了计算效率;数值模拟方法鲁棒性较好,适用于包括定常和非定常流动的数值模拟.     

微拉曼光谱研究M55JB碳纤维/微滴的拉伸变形行为

使用评价纤维/基体界面力学性能的新方法纤维微滴拉伸测试,来研究M55JB碳纤维/环氧树脂基体之间的界面应力传递性能。使用自制的微加载装置对碳纤维/环氧树脂微滴试样进行对称式拉伸测试,用微拉曼光谱仪记录下不同应变下的嵌入微滴内纤维上的拉曼频移信号,经过应力/频移关系转换成纤维轴向应力。实验结果显示,微滴内纤维轴向应力随载荷而明显增加。根据界面力平衡模型得到相应的界面剪切应力呈反对称式分布,在纤维嵌入端存在剪应力集中。新测试方法能保证嵌入微滴内纤维上的应力呈对称式分布,而且能降低纤维嵌入端附近的应力奇异性。     

型钢再生混凝土组合柱水平承载力试验及计算方法研究

基于17个型钢再生混凝土组合柱低周反复荷载试验,分析了再生粗骨料取代率、轴压比、体积配箍率以及剪跨比对组合柱水平承载力的影响规律。通过实测型钢腹板与翼缘,箍筋及纵筋的荷载-应变曲线,并结合组合柱的破坏形态特征,分析了型钢再生混凝土组合柱在水平荷载作用下的破坏机理。在此基础上,分别推导了型钢再生混凝土组合柱发生剪切斜压破坏和弯曲破坏时的理论计算公式。为了便于计算,本文提出了型钢再生混凝土组合柱水平承载力实用计算公式。结果表明,组合柱的计算水平承载力与试验值吻合较好,满足计算要求。上述研究结论可为型钢再生混凝土组合柱的抗震设计提供参考。     

多斜孔节流气浮支承的微振动特性研究

为提升气浮支承的稳定性及其定位精度,设计了1种多斜孔节流气浮支承.建立气浮支承的CFD (Computational Fluid Dynamics)模型,基于大涡模拟方法,研究节流孔高度、节流孔倾斜角度、节流孔直径和供气压力对气浮支承瞬态流场的影响.研究结果表明：随着节流孔倾斜角度的增加,气浮支承的微振动先减小再增大,当节流孔倾斜角度为110°时气浮支承的稳定性最佳.随着节流孔高度的增加,气浮支承的微振动随之减小.当节流孔高度增加到0.4 mm后,继续增加高度对气浮支承微振动基本没有影响.气浮支承的微振动随节流孔直径的增加而减小.气浮支承的微振动会随着供气压力的增加而增大.多斜孔节流结构可改变均压腔内流场状态,提升气浮支承的稳定性,且静态特性基本保持不变.     

基于LBM-LES的三维串列多圆柱绕流尾涡结构研究

为了研究三维串联多圆柱绕流在不同圆柱间距比L/D(L为圆柱的间距,D为圆柱直径)情况下的尾涡结构,基于格子玻尔兹曼(LBM)方法,采用大涡模拟(LES)方法计算了高雷诺数下三维单圆柱及三维串联多圆柱在不同L/D情况下的尾涡流场.数值结果表明:LBM-LES方法可以较好地模拟出三维单圆柱以及串联多圆柱的尾涡结构;高雷诺数...     

高温熔融铝液柱遇水蒸汽爆炸的压力及固体产物分布实验研究

为揭示高温熔融铝液柱遇水作用后的蒸汽爆炸压力及固体产物分布特性,开展了不同温度和下落高度条件下的熔融铝液柱与水相互作用的实验研究.通过对爆炸后固体产物粒径的统计分析,获得了不同条件下的产物粒径分布图.将熔融铝与水相互作用分为未爆炸、局部爆炸和完全爆炸3种类型.当熔融铝质量为200g时,发生完全爆炸的超压在100kPa～...     

基于Shan-Chen模型的格子Boltzmann方法在微流动模拟研究中的应用

对格子Boltzmann方法的本质及Shan-Chen模型的核心机制进行了全面阐述, 并从应用实例角度对基于Shan-Chen模型的格子Boltzmann方法在微流动模拟方面的有效性、适应性进行了详细分析. 结果表明, Shan-Chen模型易于耦合微观条件下占主导作用的微观力, 拓宽了格子Boltzmann方法在微流动模拟方面的应用. 同时, Shan-Chen模型在润湿性边界条件表征方面的优势, 使得这种方法在微结构表面的滑移效应模拟方面具有很好的应用前景.     

基于能量变化的微尺度金属应变突变准则研究

微尺度金属在塑性变形过程中呈现出显著的应变突变特性.论文以力加载条件下单晶Ni微米柱体和位移加载下Au纳米柱体为对象,探讨应变突变的判定准则与不同特征阶段的判别条件.首先从经典塑性理论Hill稳定性条件出发,分析微柱体变形过程中的动能变化,提出了应变突变发生与结束的判定准则.进一步分析柱体变形过程中的内能变化,结合动能变化的分析结果,给出了微尺度金属不同变形阶段的判别条件.通过与文献中实验与理论结果对比发现,基于动能变化的应变突变判定准则能够判断应变突变的发生与结束,基于能量变化的判别条件可以有效区分微柱体的不同变形阶段.最后对新理论准则的可靠性与适用性进行了讨论.     

基于变形和累积耗能的型钢再生混凝土柱地震损伤模型研究

为研究型钢再生混凝土柱地震损伤性能,本文依据17个试件低周反复荷载试验研究结果,将型钢再生混凝土柱划分为正常使用、暂时使用、修复后使用、生命安全和防止倒塌五个状态水平;以层间位移角作为该柱抗震性能控制指标,对试验数据进行数理统计分析,确定型钢再生混凝土柱不同性能水平下量化指标取值;结合型钢再生混凝土柱受力特征,对修正的ParkAng损伤模型进行改进,确定构件单调荷载下极限变形计算方法;采用多变量回归方法得到耗能因子的计算式,并分析设计参数对型钢再生混凝土柱耗能能力的影响规律,最终建立型钢再生混凝土柱基于变形和累积耗能的地震损伤模型,结果表明:型钢再生混凝土柱在破坏状态时的损伤指标计算平均值为0.986,接近1.0,离散性较小;故该损伤模型用于评价型钢再生混凝土柱的地震损伤性能是可行的;在此基础上,建立了型钢再生混凝土柱不同状态水平与损伤指数的对应关系,并确定了相应的损伤指数取值。上述结论可为型钢再生混凝土柱的抗震性能设计和地震损伤评估提供参考。     

水平井砾石充填数值模拟研究进展

综述了水平井数值模拟研究的最新进展,内容包括：水平井砾石充填机理及技术难题、充填过程中平衡砂床高度、临界流速的计算模型,描述了筛管/井筒环空砂浆流动、冲管/筛管环空纯携砂液流动以及它们之间流体的交换和向地层的滤失过程. 重点介绍了$\alpha$波充填过程中流动数学模型的研究现状及影响水平井砾石充填的各个因素和存在的问题.     

等离子体氯化氧化法太白反应器流场的数值模拟

本文提出了等离子体氯化氧化法钛白反应器流程的物理化学流体动力学模型,用k-ε方程描述湍流运动,用Partankar-spalaing发展的SIMPLER方法对控制方程求解,就三种情况即a)有化学反应,壁面绝热,b)有化学反应,壁面温度T_w=450k,c)无化学反应,壁面绝热,给出了反应器中的速度场,温度场和浓度分布,对钛白生产的物理化学过程作了数值模拟,所得结果可作为有关工程设计的理论依据。     

球型密闭容器中铝粉爆炸机理的研究

对中心点火球型密闭容器中的铝粉爆炸进行了实验和理论两方面的研究。实验采用２０立升的球。除测量压力外,还通过系踪平均法测试了流场的湍流强度,并利用电子显微镜和Ｘ光衍射仪分析了铝粉及其燃烧后残渣的形状和组分。文中对２０立升和５０立升球型容器中铝粉燃烧的全过程进行了数值模拟。对于可测量的量如压力和压力上升速率,计算结果与实验结果基本相符。基于反应区外质点的熵几乎不变这一事实,对计算获得的参数剖面还进行了理论分析。     

近水平红层路堑边坡滑动机理和防治对策

以广南高速宋家坡挖方堑坡岩体失稳为例,提出了近水平岩层的概念,总结了红层近水平岩体堑坡开挖造成部分岩体沿层面失稳的机理,提出了相应的防治方法。对此类工程的勘察、设计和施工具有一定的指导意义。     

MPS-FEM方法模拟弹性船体在规则波中的运动

船舶在海洋中航行时经常会受波浪的作用,在波浪的作用下,船体可能会发生六自由度的运动.在船体运动幅度较小时,可以简单地将船体运动视为刚体运动.但当波浪环境较为剧烈、船体运动幅度较大时,船体可能会发生变形,此时船舶弹性的影响无法忽略.因此,研究弹性船体在波浪中的运动对船舶运动性能和航行安全具有重要的意义.移动粒子半隐式方法 MPS方法是一种基于拉格朗日方法表示的无网格粒子类方法,该方法在模拟具有自由面大变形特征的问题时具有其独特的优势.有限元方法 FEM作为一种传统的并且已被广泛应用的结构求解方法,具有很好的稳定性、准确性和鲁棒性.本文将MPS方法与FEM方法二者的优势结合,基于MPS-FEM耦合方法,使用自主开发的MPSFEM-SJTU流固耦合求解器,模拟刚性船体和弹性船体在规则波中的运动,并分析船体的弹性对船体运动响应的影响.首先模拟刚性船体在不同波长的规则波中的运动,研究规则波波长对船体运动响应的影响.接着分别模拟了刚性和弹性船体在规则波中的运动,结果表明,刚性船体的运动幅值大于弹性船体的运动幅值,而弹性船体船舯附近的压力大于刚性船体.     

基于虚拟区域法的黏弹性流体中微生物游动的数值模拟和应用

微生物是自然生态系统的重要组成部分,掌握微生物在复杂流体中的运动特性可以为微型器件的设计制造提供理论指导.壁面效应是微生物游动研究中的重要问题之一,已有研究表明微生物在壁面附近存在复杂的行为特征.然而已有研究大多集中于微生物在牛顿流体中的游动模拟,仅有少数涉及黏弹性流体等非牛顿流体.本文采用直接力虚拟区域法与乔列斯基分解相结合的数值方法,引入Squirmer微生物游动模型,研究了微生物在黏弹性流体中的游动问题.首先给出求解黏弹性流体本构方程的数值格式;并将该方法应用于研究微生物游动中的壁面效应.研究结果表明,游动方向是影响微生物颗粒壁面效应的重要因素.流体弹性应力会对微生物产生一个反向转矩,影响微生物的游动方向,从而阻碍微生物逃离壁面.微生物颗粒在黏弹性流体中与壁面作用时间较长,几乎达到牛顿流体的两倍以上.     

基于混合方法的二维水力压裂数值模拟

水力压裂在页岩气开采中被广泛使用,采用数值方法研究压裂机理具有重要意义.基于连续-非连续单元法(CDEM) 和中心型有限体积法(FVM),提出解决水力压裂流固耦合问题的二维混合数值计算模型.该混合模型中,使用CDEM 求解应力场和裂缝扩展过程,使用FVM 求解裂隙渗流场.应力场裂缝扩展和渗流场均使用显式迭代求解, 并通过相互之间数据交换实现流固耦合.通过与KGD 理论模型进行对比, 验证数值模型的正确性.通过与颗粒离散元数值结果进行对比,验证数值模型的有效性.通过计算复杂缝网压裂模型,研究水力压裂机理,并说明该数值模型在水力压裂模拟中具有很好的前景.      

水平分布三气泡运动特性研究

为研究孔径、间距对三气泡运动特性的影响规律,本文利用高速相机和粒子图像测速仪观察三喷嘴气泡的运动过程,分析间距与孔径对三气泡的轨迹、速度、偏移量的影响,并与单气泡和双气泡进行对比,获得间距与孔径对气泡的影响规律以及流场对气泡的运动影响。实验结果表明,气泡数目的增多会使气泡运动轨迹更加复杂;气泡间距和孔径的增大或减小,对气泡的速度、流场、偏移量和运动轨迹都会产生影响。     

冲压过程模拟的接触与摩擦关系数值方法

文中简介采用非经典算法求解板件冲压过程数值模拟的基本思想；就与模具间接触与摩擦关系的处理作重点论述，并给出算例。