静止水中单个上升气泡的直接数值模拟

本文发展了基于Front Tracking的直接数值模拟方法研究气液两相界面的迁移特性,该方法对气液两相采用半隐式的分步法直接求解N-S方程,耦合Front Tracking Method获得两相界面的三维变形。针对无边界以及垂直壁面附近静止水中的单个气泡上升过程进行模拟,研究气泡运动的机理以及气泡与壁面的相互作用。数值模拟准确再现了气泡的上升过程和变形,不同Re数下气泡的上升速度计算结果同经验关联式非常吻合,验证了该方法的有效性。随后分析了气泡周围流场的结构,发现壁面对气泡周围流场的抑制是壁面对气泡作用力的主要原因,将导致气泡逐渐偏离垂直壁面。     

倾斜壁面附近上升气泡的直接数值模拟

本文利用基于Front Tracking的3D直接数值模拟方法对高粘度流体中倾斜壁面附近上升的气泡进行了直接数值模拟,以研究气泡与壁面相互作用以及壁面附近气泡运动的机理.在不同的壁面倾斜角(10°,30°和50°)下针对Eo数分别等于0.7和10的两种典型工况计算了气泡的变形、运动轨迹和上升速度并与实验进行了对比.发现倾斜壁面使得气泡被压扁,在较大的倾斜角下气泡不对称变形程度更大、由此导致的流场不对称性也更大,表明壁面垂直方向的速度受到抑制是壁面引发升力的原因.对于不同的倾角,气泡最终都会沿着倾斜表面滑动,而且倾角越大,气泡中心越接近壁面.气泡的上升速度则随着倾角的增大而单调减小,同实验结果的对比吻合良好.     

气泡在内置交错矩形肋管道中自由上升的FTM直接数值模拟

采用直接数值模拟的FTM（Front-Tracking Method）方法研究在重力作用下单气泡在竖直内置矩形肋管内的自由上升.选择矩形肋的肋高、肋距与方管宽度的比值作为管道几何特征值,用莫顿数作为流体特征参数,分析不同肋高、肋距及莫顿数情况下的气泡自由上升,研究不同几何特征及流体参数对气泡运动轨迹的影响.研究表明：在矩形肋片的影响下气泡上升时形状不对称,存在水平方向位移,表现为"蛇形"上升.这种现象与管道几何结构及气泡周围流体性质有关,肋高越大,现象越明显;气泡周围流体的粘度越小,水平方向位移越大.     

黏性液体中单个气泡上升的形状特性

采用基于Level Set方法的直接数值模拟技术对黏性液体中单个气泡的上升运动进行三维模拟.数值模拟采用拟单相流模型处理气泡内外的气液两相流动,应用Level Set方法捕捉运动气泡的变形.针对Eo数从O(0)～O(2),Mo数从O(-11)～O(2)的流动范围,重点研究了上升气泡的形状特性,并与经典的气泡形状图谱进行了比较.模拟结果表明,上升气泡的形状与无量纲参数(Eo、Mo和Re)密切相关.在高Re的扁椭球区域,数值发现了气泡形状的周期性振荡行为.     

粗糙壁面上湍流边界层的直接数值模拟

本文采用多重直接力内嵌边界法计算流体与粗糙壁面之间的相互作用力,直接数值模拟了粗糙壁面上湍流边界层的流动状况。粗糙壁面则通过流向和展向分别叠加正弦函数的方法产生。研究发现,峰值较大的位置优先诱导产生出涡结构,并且加大了涡结构的倾斜角度。此外,较大峰值处的粗糙度所产生出的"喷出"和"扫入"事件更加强烈,其对外层的作用范围也就更大。同时粗糙壁面的峰值大小对于雷诺应力的输运也起着至关重要的作用。     

基于VOSET方法模拟并排气泡的上升过程

采用VOSET方法和耦合表面张力模型的N-S方程,模拟竖直通道内并排气泡对的上升过程,模拟与实验结果吻合较好.重点研究表面张力系数对并排气泡上升轨迹和速度的影响.结果表明,随着表面张力系数的变化,并排气泡对的上升过程出现三种类型:两气泡融合,两气泡反复靠近、远离但未融合,两气泡碰撞反弹后逐渐远离.在未融合的情况下,并排气泡对的上升轨迹关于通道中心线对称,左右两个气泡的上升速度基本一致,水平速度大小相同,方向相反.     

颗粒趋壁沉积的直接数值模拟

气相采用直接数值模拟方法、颗粒相采用拉格朗日轨道模型方法对摩擦雷诺数为180的充分发展槽道内Stokes数为1～104的颗粒趋壁沉积现象进行了研究.研究表明,惯性颗粒在湍流涡的作用下趋向壁面运动,并以一定速率沉积.在"吸收壁面"条件下沉积速率首先随着颗粒弛豫时间增大而增大,在弛豫时间大于100时,沉积速率保持不变.     

舰船远场尾流气泡分布特性的数值模拟

为了了解舰船尾流中气泡的分布特征,为激光探测舰船尾流提供依据,建立了计算热分层环境中舰船远场尾流中气泡数密度分布的数学模型,该模型由抛物化的RaNS方程及气泡输运方程组成,采用k－ε两方程湍流模式.利用该模型数值模拟了舰船尾流中的气泡数密度分布特征、气泡尾流宽度扩展规律,气泡数密度衰减规律,并与实测结果进行了比较,二者定性符合得较好.数值模拟表明舰船尾流中半径为10~30 μm的气泡存活时间最长, 为了确保能在距船尾5 km处还能探测到舰船气泡尾流,其探测的对象应以半径10~30 μm的气泡为主,并且探测准确度至少应能达到识别出初始截面上气泡数密度的3%.     

近壁面气泡运动特性的数值计算

采用体积加速度模型确定水下爆炸气泡运动的初始条件,基于MSC.DYTRAN有限元软件开发了定义流场初始条件和边界条件的子程序,对气泡在水平刚性壁面附近的运动特性进行了数值模拟,通过对比发现数值计算结果与实验结果具有较好的一致性,证明了初始条件定义、子程序开发和有限元模型建立的正确性和数值计算的准确性。以此为基础,研究了水深、泡心与刚性底面之间的距离对气泡动态特性和射流速度的影响,通过数值计算得到了一些有规律的曲线。计算模型、方法及结果对相关的工程研究和计算具有一定的参考价值。     

可吸入颗粒物近壁运动的直接数值模拟

本文采用湍流直接数值模拟方法对近壁面附近直径为1,10,:100 μm的颗粒运动进行了研究。采用分布投影法进行N—S方程的求解,时间推进采用3阶Runge-Kutta法,方程空间离散采用高阶差分格式进行。数值模拟准确再现了近壁面附近的湍流流动特征,以及可吸入颗粒的运动行为。模拟出颗粒在壁面附近的聚集现象,以及不同尺寸颗粒的分布情况,为进一步研究可吸入颗粒控制技术奠定基础。     

高精度有限差分在湍流直接数值模拟中的应用

本文采用高精度有限差分法对矩形管道内充分发展湍流换热进行了直接数值模拟,湍流雷诺数Rer和普朗特数分别为400(Rem=6200)和0.71,压力泊松方程分别采用两种不同的离散格式(二阶和四阶中心差分离散).结果表明,同二阶中心差分格式相比,高精度有限差分可以在较少的网格下得到较好的结果;压力泊松方程采用四阶中心差分或二阶中心差分对计算结果的影响甚小,但采用二阶中心差分时,可以节省大量的计算时间.     

高雷诺数气固湍流射流的直接数值模拟

本文对流动雷诺数 Re=5990的空间发展的气固两相湍流射流进行了直接数值模拟。其中对流场的求解采用具有四阶精度的紧致差分格式,对颗粒场的跟踪采用拉格朗日方法。结果表明,湍流拟序结构逐渐由对称模式发展到非对称模式;较小 Stokes 数的颗粒在流场中均匀分布,较大 Stokes 数的颗粒沿横向没有明显的扩散,而 Stokes 数为 1的量级的颗粒则大量聚集在大涡结构的外围。     

气固两相圆柱绕流的直接数值模拟

本文运用谱元方法对气固两相圆柱绕流进行了直接数值模拟。在获得高精度计算流场信息基础上,进行颗粒扩散运动的研究。通过研究颗粒大小对颗粒扩散运动的影响来刻画气固两相圆柱绕流的物理特征。研究时发现,由于圆柱尾流独特的涡结构特征,颗粒在流场中心轴线附近区域的扩散机理主要是决定于吸力作用,该作用会驱使小颗粒卷吸进入圆柱尾部近壁区,甚至与圆柱后壁发生碰撞,这种扩散机理与混合层中颗粒扩散机理明显不同。     

单个汽泡周围的电场数值研究

为明晰电场对汽—液两相系统的效应,本文针对均匀电场作用下的汽液两相流中附着于壁面的单个汽泡,建立了数学模型,考虑了汽泡的存在对电场分布的影响。通过求解电场控制方程,得到了均匀电场作用下汽泡周围及其内部的电势及电场分布的数值解。这为进一步研究 EHD 作用下的两相系统中汽泡的行为,揭示 EHD强化沸腾换热机理奠定了基础。     

圆柱近尾迹湍流涡结构的直接数值模拟

本文运用谱元方法对圆柱尾流进行直接数值模拟。通过对中等Re数（1000）时的圆柱近尾迹湍流涡结构的演变系统细致的研究,经过长时间流动计算,用速度矢量及相应涡结构示意图显示主涡,二次涡结构的相互作用,显示整个尾迹涡结构在一个周期内的演变过程,获得了在实验中难以清楚观察到的近壁流动特征。本文得到圆柱近壁处二次涡形成有两种不同的机理,并总结出涡的合并所需要的条件。     

各向同性湍流中颗粒引起湍流变动的直接模拟

本文通过直接数值模拟对均匀各向同性湍流中颗粒对湍流的变动作用进行了研究.颗粒相的体积分数很小而质量载荷足够大,以至于颗粒之间的相互作用可以忽略不计,而重点考虑颗粒与湍流间能量的交换。颗粒对湍流的反向作用使得湍动能的耗散率增强,以至于湍动能的衰减速率增大.湍动能的衰减速率随颗粒惯性的增大而增大。三维湍动能谱显示,颗粒对湍动能的影响在不同的尺度上是不均匀的。在低波数段,流体带动颗粒,而高波数段则相反.     

颗粒沉降运动的虚拟区域法直接数值模拟

文采用基于四边形网格的分布式拉格朗日乘子／虚拟区域方法(DLM／FD method)对二维方槽内775个圆形颗粒在流体中的沉降过程进行了直接数值模拟。得到了颗粒流沉降过程中流体和颗粒速度和涡量分布、流场压力分布等流动细节,展示了颗粒在沉降过程中由于相间的相互作用以及颗粒间的作用,使得颗粒流在流场内形成大小不一的旋流区,颗粒回旋着沉降,同时颗粒的尾涡影响附近颗粒的运动．本文的结果说明分布式拉格朗日乘子／虚拟区域方法对模拟存在很多颗粒的悬浮体流动是可行的。