管内充分发展流动与传热数值模拟的教学方法探讨

由于缺乏数值计算的基础理论知识,工科本科生在学习流体流动与传热过程的数值模拟方法并进行程序设计时,往往觉得难度较大。本文围绕圆管内不可压缩流体充分发展流动与传热,采用边界层积分法,推导出无量纲控制方程组;针对层流工况和湍流工况,开发出相应的数值方法。基于该方法的程序代码易于理解,且计算结果表明该方法具有预测精度高、收敛速度快的优点。本文的工作可以为计算流体力学、数值传热学及热工计算等系列课程的本科教学提供参考。

     

THE CROSSING FREQUENCY AS A MEASURE OF HEAT EXCHANGER SUPPORT-PLATE EFFECTIVENESS

The crossing frequency is the number of times per second the vibration amplitude crosses the zero displacement line from negative displacement to positive displacement. In flow-induced vibration in which the motions are often random and/or a number of modes contribute to the vibration amplitudes, the crossing frequencies are modal-weighted average frequencies of the vibration. It is postulated in this paper that the crossing frequency can be used as a measure of heat exchanger support-plate effectiveness. Using a time-domain, nonlinear analysis technique, the crossing frequencies of a tube vibrating in support plates with oversized holes can be computed as a function of time and the tube-to-support-plate clearances. It was found that the fluid–elastic stability margin of a tube bundle, in the context of the original Connors' equation for tube bundle fluid–elastic instability, should be independent of the tube-to-support-plate clearances. A simple method of estimating the critical velocity based on the time-domain equation of fluid–elastic stability is suggested.     

换热器传热管在静水中的挤压膜阻尼研究

本文通过求解三维Navier-Stokes方程,导出计算挤压膜阻尼的公式,对Mulcahy所提出的模型作了改进,并提出了stokes数的间隙修正因子的概念. 改进后的挤压膜阻尼模型计及管子振幅的影响,在管子振幅很小的情况下,它与Mulcahy提出的模型相似,实际上可把Mulcahy提出的模型看成改进后模型的一个特例. 为了验证改进后的模型,对传热管在空气和静水介质中的阻尼进行了实验研究.结果表明理论计算值与实验测量值符合良好.     

磁流体湍流及数值模拟研究综述

自从20世纪90年代初,AJAX计划的提出掀起了磁流体技术的研究热潮.本文总结了国内外关于磁流体湍流研究的成果,包括两方面:磁流体湍流的特点和数值模型.相比于普通湍流,磁流体湍流表现出电磁诱导的各向异性、线性焦耳耗散、湍流重层流化等特性,本文同时对磁流体湍流的结构和脉动抑制现象进行了描述;数值模型研究从雷诺平均方程和大涡模拟两方面作了介绍.当前研究集中在不可压缩磁流体湍流,距离能够应用于航空航天问题还有很长的路要走.     

冲击载荷作用下钢筋混凝土结构动力响应仿真

运用动态有限元技术对冲击性载荷作用下钢筋混凝土结构的动力响应进行细观结构的仿真分析，建立分离式材料模型，获得射弹在钢筋混凝土中的侵彻深度与弹坑半径，得出钢筋配筋率、配筋方式、配筋位置以及混凝土材料性质等相关因素的影响规律，并针对结果进行分析和讨论，为防护工程设计提供了参考依据。     

网格湍流微结构的实验研究

本文试验研究了网格湍流从前期到后期整个连续衰变过程即湍能和Taylor微尺度随时间的变化规律,以及高阶速度相关系数的变化规律,试验结果是在一个低湍流度、低速风洞内,用TSI热线风速仪测得的,而拟均匀各向同性湍流是用在风洞试验段入口处加网格产生的,本文的试验结果与文献[1]提出的涡旋结构理论的计算结果做了比较,发现理论计算的和曲线与本文实测值非常吻合,本文的实测结果与Townsendt早年的试验以及Beanett七十年代末的试验也做了比较。结果表明,这些试验结果彼此也很一致,因而,所有这些试验结果与理论计算值都相互获得了验证。     

非线性湍流模式研究及进展

现代湍流模式研究已经超出了经典的Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ涡粘性概念和线性的雷诺应力输运范畴,湍流运动过程中的非线性本质已成为模式研究人员所关心的中心问题。其目的在于使湍流模式能更加真实地再现湍流运动的复杂性,提高模式的适用范围,使复杂湍流能够得到合理的模拟,非线性湍流模式在解决复杂湍流运动的计算中已经取得可喜进展,正逐步应用于工程湍流的计算。同时,工程中的湍流问题计算也已走出了简单剪切流动类型及传统的ｋ－ε（及其它形式的）二方程模式框架,二阶矩封闭模式在先进的工程计算中已被用来解决诸如可压缩的空气动力学、发动机气缸及三维复杂几何场内等具有重要应用背景的流动问题,并逐步进入计算流体力学商业软件包。      

非线性转子系统周期响应的分析

基于时域的时间有限元法,将描述转子系统动力学特征的非线性微分方程组离散成一组非线性代数方程,然后应用吴消去法的特征列思维对所得到的非线性代数方程组进行降维求解,进而得到待求节点位移响应的解形式,并据此对一具有非线性支撑的柔性Jeffcott转子模型响应的性质进行了分析。     

激波和湍流相互作用的数值模拟

本文综述了关于激波和湍流相互作用数值模拟的近期研究进展, 主要包括激波和均匀各向同性湍流、激波和湍流边界层、激波和射流以及激波和尾迹的相互作用. 激波和湍流相互作用特性受到诸多因素的影响,如激波的强度、位置、形状和流动边界以及来流的湍流状态和可压缩性等. 激波和湍流的相互作用会引起流场结构、激波特性和湍流统计特性的显著变化. 最后简要讨论了激波和湍流相互作用数值研究需要关注的一些问题.      

急性高血压引起血管重建的数值模拟

通过建立血管重建率方程对急性高血压引起的血管零应力状态重建进行模拟。为体现高血压血管重建在时间和空间上的不均匀性，在重建率方程中引入生长因子，对零应力状态血管的重建进程进行有效控制。以6只正常大鼠腹主动脉的重建为例，对该动脉段由急性高血压引起的重建进行数值模拟。结果表明，所模拟的6只大鼠急性高血压引起的腹主动脉重建都具有相类似的重建趋势和特征，说明所提出的血管重建方法对 急性高血压诱发血管重建的预测具有一定的普遍性。同时，由于在分析模型中引进反映重建非均匀性的生长因子，使得所模拟的重建进程能较好地符合急性高血压血管重建的基本生理病理特征。     

可压缩各向同性衰减湍流直接数值模拟研究

采用五阶有限差分WENO格式直接模拟了高初始湍流Mach数的可压缩均匀各向同性湍流,主要分析了湍流的统计特性 和压缩性的影响,包括能谱特征、激波串、耗散率、标度律等. 研究表明,湍动能主要来自于速度场螺旋分量的贡献;各向同性湍流的小尺度脉动对压缩性更为敏感,并且压缩性的增强加快了湍流大 尺度脉动向小尺度脉动的湍动能输运;随着湍流Mach数的升高,胀量(压缩)耗散率所占比率也显著增长. 标度律分析表明,强可压缩湍流的横向速度结构函数仍然具有扩展自相似性;当阶数较高(p ≥ 5)时,纵向速度结构函数的扩展自相似性则不再成立. 对于压缩性较弱的湍流,与不可压缩湍流一致,横向湍流脉动的间歇性要强于纵向湍流脉动;而对于强可压缩湍流,纵向湍流脉动的 间歇性要强于横向湍流脉动.     

板壳式换热器波纹倾角对换热和阻力性能影响

研究了波纹倾角（α=45°,60°,75°）对板壳式换热器单流道内单相流动与换热过程的影响,分析了波纹流道内的速度分布、湍动能分布、压力分布和温度分布;基于范宁摩擦阻力因子f和Nu与Re的关系,提出了板壳式换热器不同波纹倾角下换热特性和流动阻力特性的预测关联式;通过计算不同波纹倾角下的综合性能评价指标（performance evaluation criteria,PEC）和面积质量因子（j/f）综合评价了流动与换热性能。结果表明：波纹倾角是影响圆形板间流体流动形态的因素之一,随着波纹倾角增大,会出现“十字交叉流”向“曲折流”转变;所提出的关联式能够很好地预测板壳式换热器内阻力与换热性能,阻力特性偏差在±14%范围内,换热特性偏差在±7%范围内;α为45° 时,j/f较大,流道内阻力相对小;α为60° 时,PEC较大,流道内换热性能相对强。

     

平行涡管三维合并的直接数值模拟

采用拟谱方法求解Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，对两个同向平行涡管的三维合并过程进行直接数值模拟，分析了它的不同于二维合并的“缠绕式”特性，特别地，对在合并过程中产生的垂直于初始涡管方向的非主体涡量的意义和物理机制了探讨。     

NUMERICAL SIMULATION OF TWO–DIMENSIONAL BUOYANCY–DRIVEN TURBULENCE IN A TALL RECTANGULAR CAVITY

A computational study of natural convection of air in a tall rectangular cavity with 4:1 aspect ratio is conducted. In an effort to investigate the applicability of the Boussinesq approximation to turbulent flow simulation, the cavity is differentially heated from the sides and is insulated at the ends at a Rayleigh number of 10⁹. Starting from quiescent and isothermal flow conditions, the flow is driven to turbulence without any artificial perturbations. The computer programme developed integrates the two-dimensional, time-dependent Navier–Stokes equations with the Boussinesq approximation and the energy equation by a time-accurate method on a stretched, staggered grid. The simulation proceeds to a statistically steady solution in which large-scale structures are found in the mean. Both mean and fluctuating quantities provide good agreement with experimental results.     

水平液─固流中颗粒抑制湍流的行为和条件

用激光多普勒分相测量方法，考察了水平含颗粒水流的主流区，亚毫米颗粒对水流湍流有抑制行为，湍流削弱程度与颗粒浓度、流动发展长度、水流雷诺数等因素有关．按照不出现尾涡脱落和至少能响应一部分大尺度涡的运动这两个基本条件，分析了湍流抑制与有关参量的依赖性．结果表明，流动尺度和颗粒尺寸之比，对于颗粒消耗而不增生湍流起着最主要的作用．在一定的水流雷诺数下，只要这一比值很大，亚毫米颗粒就会表现出对湍流的抑制作用     

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为了研究爆炸及燃烧产生的“蘑菇状”烟云,采用中尺度气象模式RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)模拟计算了冲击波过后的爆炸烟云运动过程。对于稳定层结大气条件,模拟结果显示爆炸烟云造成的流动是一个多层次涡-波运动的过程。爆炸烟云在浮力作用下会形成浮力涡环结构,在到达最大高度以后,其烟云外侧边缘部分涡度变号,形成了环套环的多涡结构。随时间增加,涡能量的逐步衰减,涡运动转变为重力内波运动。通过模拟不同爆炸当量和不同稳定度烟云的上升最大高度,得到了与目前常用的爆炸烟云上升公式一致的形式。     

水平液─固流中颗粒抑制湍流的行为和条件

用激光多普勒分相测量方法，考察了水平含颗粒水流的主流区，亚毫米颗粒对水流湍流有抑制行为，湍流削弱程度与颗粒浓度、流动发展长度、水流雷诺数等因素有关．按照不出现尾涡脱落和至少能响应一部分大尺度涡的运动这两个基本条件，分析了湍流抑制与有关参量的依赖性．结果表明，流动尺度和颗粒尺寸之比，对于颗粒消耗而不增生湍流起着最主要的作用．在一定的水流雷诺数下，只要这一比值很大，亚毫米颗粒就会表现出对湍流的抑制作用     

固壁温度对壁湍流相干结构的影响

用半导体元件对平板进行加热，用ＶＩＴＡ法和ｍｕ－ｌｅｖｅｌ法两种条件采样技术研究了固壁温度对湍流相干结构的影响，改进了Ｔｉｅｄｅｒｍａｎ等人提出的“归组”方法，并且用“归组”的ＶＩ－ＴＡ法和ｍｕ－ｌｅｖｅｌ法研究了固壁加热对湍流猝发平均周期的影响．实验结果表明，固壁加热使得湍流脉动速度均方根值变大，条件采样检测到的事件数量增多，但猝发周期维持不变     

NEW DESIGN RECOMMENDATIONS FOR FLUIDELASTIC INSTABILITY IN HEAT EXCHANGER TUBE BUNDLES

Design equations are presented to determine the critical velocities for the occurrence of fluidelastic instability in uniform single-phase cross-flow. These equations are an essential part of a new guideline in the “VDI-Wärmeatlas” for estimating vibration excitation in real tube bundle heat exchangers. Six existing guidelines for fluidelastic instability were tested and compared with about 300 experimental data from 34 papers (eight of them being not yet considered in a guideline before). New equations for the stability factor K as a function of the pitch ratio for different tube configurations were derived with statistical methods by a variation of the reference definitions for the structural parameters and the exponents of either the dimensionless mass and the damping or the mass-damping parameter. The criterion used here was first to be on the safe side with a minimum number, and minimum deviation, of experimental data below the recommended threshold line, and second a minimum r.m.s. error for all data considered. The pitch ratio has the strongest influence for the normal triangular array and the influence becomes less for the rotated as well as for the in-line square configuration. This significant gradation of the stability constants as a function of the pitch ratio and the tube bundle configuration enables a reasonable interpolation for non-standard configurations. The exponent of the dimensionless mass-damping parameter for gas cross-flow depends on the tube configuration and is 0·5 for the 30°- and 45°-configuration, and 0·4 for the 60°- and 90°-configuration. For liquid flow, an average exponent of 0·15 has been observed.     

梯形截面直齿零件挤压过程变形力规律的数值模拟

本文采用上限单元技术(UBET),对非完全轴对称单元、推导出梯形截面直齿零件的挤压速度场公式,并成功地模拟了挤压过程中变形力的变化规律,理论计算结果与实验结果比较吻合.