高层建筑室外颗粒污染物扩散的数值模拟研究

环境污染问题越来越受到人们的关注,大气中颗粒污染物的不断增加导致雾霾天气频繁出现,已经影响到了人们健康,而随着高层建筑的大量出现,研究大气中的颗粒污染物对高层建筑中人们生活环境的影响有着比较重要的现实意义.本文基于有限元法,耦合欧拉-拉格朗日法(拉格朗日法对建筑物固体进行离散化,欧拉法对流体进行离散化),通过运用FLUENT软件,在简化模型的基础上采用标准k-ε模型,结合当地风场分布特点,分析了高层建筑室外不同风向流场的流动现象及速度、压力云图和颗粒污染物PM2.5的扩散分布,进行数值模拟.最终得到颗粒污染物PM2.5在不同楼层高度的分布特点,沿着楼层高度方向颗粒物浓度基本呈双峰分布,且随着建筑物高度的增加对周围空气流动的影响增强,在高层建筑物迎风面压力最大,以圆弧状逐渐减弱,背风面形成负压区,有回流现象.     

基于流体动力学的轮胎磨损颗粒物捕集通道位置研究

轮胎磨损颗粒物是车辆非尾气排放颗粒物的重要组成部分, 对大气悬浮颗粒物的影响日益增大, 对其进行捕集可减少对生态环境的潜在威胁. 基于喷射法和R-R颗粒物粒径分布, 建立了轮胎磨损颗粒物-轮胎-车辆流体动力学多相流模型, 采用Realiable k-ε湍流模型模拟了汽车在不同行驶速度下轮胎与覆盖件之间的最大风压分布区域, 继而研究了15种磨损颗粒物捕集方案通道出入口位置与捕集率的关系. 结果表明: 轮胎磨损微小颗粒物在后轮处比在前轮处与壁面碰撞的数量多; 捕集率随捕集装置入口高度的增大而减小, 随出口与轮罩边缘距离的增大而增大; 出入口的动压压差越大, 捕集率越高; 当车速为60km?h-1时, 入口位置H=297mm, 出口位置L=600mm时, 捕集率最高, 达到56.32％; 入口位置H=297mm时颗粒物捕集率均超过40％, 出口位置L=600mm时颗粒物捕集率均超过35％.     

基于边界层和复势理论的轮胎磨损颗粒物运动轨迹研究

轮胎磨损颗粒物对生态环境和生物体健康都有非常严重的负面影响,辨识其发散路径并进行捕集已成为当前环境保护的重要课题之一.本文在极坐标下使用边界层和复势理论建立了轮胎磨损颗粒物的二维散射模型,计算了颗粒物的散射路径并进行了实验验证,进一步通过正交试验得到了各种因素对磨损颗粒物覆盖件碰撞高度的影响程度.结果表明:磨损颗粒物碰撞高度在很大程度上取决于其在边界层内的运动时间,粒径为2.5～5μm的轮胎磨损颗粒物的散射高度受车速变化影响不大.粒径5～15μm的轮胎磨损颗粒物与覆盖件发生碰撞的高度随着车速的提高先增大后减小,转折车速随颗粒物粒径的增大而减小.影响磨损颗粒物与覆盖件碰撞高度的因素主次顺序是:车速、车轮半径、接地印迹半长度、胎面与覆盖件的距离.     

复合运动扑翼气动特性的数值模拟

为了研究扑翼的气动特性,对ALE格式的可压缩Navier-Stokes方程的时间导数项进行预处理,用双时间步推进方法,求解复合运动扑翼的低雷诺数非定常流场问题。结果表明,具有上下扑动、前后划动和俯仰运动的扑翼能够产生较大的升力和推力;有较强的前缘涡,是产生高升力的主要原因;上扑     

基于PFC-CFD的双环径向反应器流场特性数值模拟

双环径向反应器是一种具有更低床层压降和更高节能效率的反应器,为研究催化剂床层和反应器结构对反应器内流场的影响,模拟了颗粒尺寸为10 mm、12 mm、16 mm和20 mm随机堆积床层和分布筒开孔率为0.044、0.087和0.121时反应器内流场变化规律.结果表明:用较小的催化剂颗粒填充的床层具有更高的流场均匀度,综...     

断裂力学的数值模拟

含有限裂纹的弹性板是裂纹理论中的基本问题,作者将著名的Ｄｉｎｅｓ,Ｐａｒｋｉｎ,Ｑｒｔｉｚ等的离散解与连续解Ｎｏｖｏｚｈｉｌｏｖ和Ｔｈｏｍｓｏｎ的杂交解进行了比较,对Ｔｈｏｍｓｏｎ与Ｎｏｖｏｚｈｉｌｏｖ的模型进行了全面的对比,分析了Ｎｏｖｏｚｈｉｌｏｖ的Ｒ－子数和Ｔｈｏｍｓｏｎ的点阵函数的特性,利用Ｔｈｏｍｓｏｎ模型证明了“断裂孤立子”理论的存在,解释了Ｃｈｅｒｎｙ－ｋｏｚｏｒｅｚｏｖ模型中的松驰     

梯级河岸人工湿地的数值模拟研究

通过梯级河岸人工湿地的数值模拟,以总磷(TP)在梯级河岸人工湿地的运移为例,通过流场、TP浓度场和TP运移归宿的分析,探讨了植物根系和填料对TP运移和去除效果的影响.研究结果表明,对TP而言,有植物湿地的去除率均大于相应无植物湿地的去除率;含豆石层(降解系数和渗透系数相对较大)湿地的去除率均略大于相应无豆石层湿地的去除率.     

南昌市地下水系统数值模拟

研究区供水水源由地下水为主转变为以地表水为主,以及新老工业区地下水开采变化,使得研究区地下水流场几经更迭。自20世纪70年代中期后,研究区地下水开采总量呈缓慢下降态势,至2007年,开始基本稳定,然而地下水降落漏斗仍呈扩展趋势。分析研究区水文地质条件后,建立相应的水文地质概念模型,在此基础上应用GMS软件对研究区地下水水流进行模拟。对模型进行检验与识别后,分现状及规划条件两种开采方案,对研究区2011-2020年的地下水水位进行了预报,预报结果显示漏斗中心及其他工业区地下水开采量较大地方观测孔水位先降后升,说明研究区地下水流场受人类活动因素影响大,现在的流场尚未稳定,仍处于形成过程中。     

电离层断层成像数值模拟

将计算机断层成像(CT)技术用于电离层探测,可以得到电离层垂直剖面大尺度的电子浓度分布。根据电离层cT有限投影角度和稀疏接收站的实际探测条件,提出了增加接收站观测数据及扩展投影角度的方法。在迭代过程中对重建结果引入了最平稳解约束,以此构造了一个能量函数,在迭代过程中结合模拟退火方法,求得全局最优解。     

西北太平洋海浪数值模拟

以QSCAT／NCEP全年的风场资料为驱动风场,用第三代深海波浪模型WAVEWATCH Ⅲ（WW3）建立波浪后报数值模式,进行西北太平洋海域波浪的数值模拟,旨在得到比传统的波浪统计方法更为精确的时空网格上长时序的波浪场,以便做出更可靠的波浪要素的统计分析．经对比QSCAT／NCEP风场资料与船测的风速资料、水下地形资料（由上海海图出版社出版的最新海图经数字化转化而成）和海浪有效波高计算值与船舶实测值（相关系数在0．9以上）,从三个方面验证了计算结果的精确性．此外,建立了集分析数据和图像输出一体化的后处理系统．根据计算所得的西北太平洋全年的波浪要素值,对此海域的全年海浪的时间和空间分布特征进行分析,进行了综合评价．计算结果和统计数据可以直接应用于科学试验、船舶与海洋工程．     

混凝土材料的平板撞击实验与数值模拟研究

通过实验和数值模拟研究了混凝土材料在强冲击载荷（平板撞击）下的动态特性.采用内径57mm的一级轻气炮实验结合高阻锰铜压阻计的动态测试技术,得到了C40混凝土试样的原始电压-时间波形曲线,并换算得到相应的应力-时间波形;分析应力波传播速度,得到材料的最大应变率约为55.40×10s-1,压力峰值区间为0.340~2.702GPa.实测结果表明：不同位置处的压力在快速上升至峰值后均随时间衰减,且冲击波峰值随传播距离快速衰减,呈现出明显的粘弹性特征和耗散特性.并利用LS-DYNA程序对混凝土试样的平板撞击实验过程进行了数值模拟,模拟的应力-时间曲线与实测压力波形走势完全一致,峰值很接近,整体吻合较好.     

基于三维数值模拟的高填方边坡强夯效应研究

根据某拟建变电站高填方边坡地质资料建立三维数值计算模型,计算分析不同夯击能和夯击位置条件下边坡土体的竖向位移、水平位移和加速度等响应随动力时间的变化规律.不同工况下的计算结果表明:夯击主要影响表层土体,夯击能越大夯击区域表层土体位移越大,不同夯击能下土体影响区变化较小;夯击引起的土体加速度峰值随夯击能的增大而增大;夯击点离边坡面越远,夯击影响区有所增大而夯沉量有所减小,且边坡顶部和边坡面中部水平位移下降十分显著.研究结论可为类似高填方边坡工程强夯施工设计提供参考.     

一次强沙尘暴长距离输送的数值模拟研究

利用HYSPLIT-4传输,扩散模式对2003年4月9日发生在我国西北的强沙尘暴进行长距离输送的数值模拟研究,并进行轨迹和浓度分析.研究结果表明:(1)2003年4月9日强沙尘暴过程的沙尘来源并非某单一地区;(2)此次沙尘暴长距离输送过程中,主要有两个高浓度中心向东传输.一个在北纬35度附近,主要在1 500～3000m高空传输,另一个在北纬40度附近,且主要在1 500m以下传输.后期两者合二为一.     

半圆形粗糙元壁面颗粒沉积数值模拟研究

为研究半圆形粗糙元壁面对颗粒沉积的影响,分别采用雷诺应力模型（RSM）和离散相模型（DPM）求解流场与颗粒运动轨迹,并结合临界速度判别颗粒沉积的方法。通过构建不同半圆形粗糙元参数（e/D,p/e）的通风管道计算域,研究了1~10 μm颗粒沉积速度变化及沿气流方向颗粒的沉积趋势,分析了流场所引起的湍流变化对颗粒沉积的影响,与相同参数下的方形粗糙元壁面颗粒沉积特性进行了对比。同时,分析了粗糙元参数对颗粒沉积速度的影响。结果发现,半圆形壁面颗粒沉积速度小于同参数下的方形壁面颗粒沉积速度,这是由于半圆形壁面的回流区相对方形粗糙元更小,捕捉颗粒能力差,半圆形粗糙元流体附壁效应导致半圆形粗糙元拦截效率较低。当e/D=0.02,p/e=3时,颗粒沉积速度变化较大,但在其余参数下变化并不大。半圆形粗糙元壁面的迎风面是颗粒沉积的主要区域。     

脉冲调制微波放电等离子体的数值模拟

建立零维空气与氩气微波放电等离子体数值模型,研究调节约化电场强度和占空比对空气和氩气微波放电等离子体的影响,系统地阐述不同约化电场强度和占空比下电子密度的时间演化与平均粒子密度的变化,以及空气反应中粒子的主要生成路径。计算结果表明：在放电阶段,随着约化电场强度的增加,空气与氩气微波放电等离子体的电子密度峰值呈增大趋势。随着占空比的增加,空气微波放电等离子体电子密度峰值呈减小趋势,氩气等离子体电子密度峰值保持不变。大部分粒子的平均密度随着约化电场强度和占空比的增大而增大,且氩气等离子体的平均电子密度高于空气的。     

信号灯控制下的交通流数值模拟

为研究信号灯控制下的交通流特性,利用先前提出的一个改进的NaSch模型对信号灯控制下的单车道交通流进行了建模和模拟,模型中考虑了司机和车辆的敏感性．模拟得到的流量一密度图包括3个不同的密度区域,即畅通交通、饱和交通和拥挤交通．结果显示：当信号周期丁小于某个值时,饱和流量随着丁的增大而增大,这与大多数微观模型的模拟结果不同．随后通过车辆演化时空图分析了其中的微观机理,得出司机和车辆的敏感性对流量的变化起着重要的作用．同时对交通拥堵特性也进行了研究,表明当处于饱和交通时,信号灯不仅会引起局部拥堵,还会对整体交通造成影响．     

高铁挡风墙对强风沙响应规律的数值模拟研究

为保证列车在强风沙环境下安全运行,本文研究挡风墙布设对高速列车周围流场特性的影响.借助CFD方法,运用DPM模型,在强风沙环境下,对有无挡风墙两种情况所导致的其他变量进行对比分析,对不同强度的风沙通过挡风墙的情况进行数值模拟,研究挡风墙背风侧流场特性及挡风墙结构参数对强风沙的响应规律.结果表明,在未布设挡风墙时,携沙气流遇到路堤后在路堤的路肩处形成分区,在迎风侧路肩上方位置风速急剧增大,对路肩的侵蚀最为严重;在布设挡风墙后,携沙气流遇到挡风墙出现速度分区的现象,高速区由路堤的路肩前移到挡风墙上方区域,同时挡风墙也起到了净化气流的作用,减少了沙粒沉积在轨道的数量;不同风速的携沙气流通过挡风墙时,风速垂直廓线的规律大致相同,呈现先缓慢波动增长、后指数规律增长的趋势,最后逐渐接近初始风速.     

偏振散斑的速度传感数值模拟

提出了一种基于偏振的散斑干涉速度测量方法,分析了圆偏振光照射运动的粗糙表面时,反射或散射光与线偏振参考光干涉产生正交偏振散斑的原理,推导了动态正交偏振散斑信号的表达式。用数值模拟实验研究了正交散斑信号强度的变化,得出了一维运动粗糙表面速度方向的判别方法及速度的大小。研究结果表明,基于偏振的散斑干涉测量方法,在速度传感测量应用中可以同时获得速度的大小和方向,克服了大多数散斑测量方法只能测量速率的不足。     

相变潜热对焊接数值模拟的影响

基于热弹塑性理论,通过是否考虑相变潜热进行数值计算并通过实验验证,探究焊接相变潜热对焊接数值模拟的影响.结果表明:考虑相变潜热计算所得熔深4.2 mm,熔宽8.2 mm,实验所得熔深4.9 mm,熔宽8.2 mm,所得熔池尺寸与实际焊缝形貌尺寸基本吻合;不考虑相变潜热时,计算出的熔池温度为2 367℃,比实际温度高150℃,热影响区温度为1 189℃,比实际温度高100℃,但二者在冷却阶段差别不大;相变潜热对横向残余应力和厚度方向残余应力峰值有略微影响,差值分别为7 MPa和10 MPa,对纵向残余应力和等效残余应力峰值影响不大.相变潜热对焊接温度场计算影响较明显,对焊接应力场计算影响较小.     

恶劣天气环境下的交通流数值模拟

基于NaSch模型提出了一个改进的元胞自动机交通流模型, 旨在反映雨雪天气时道路湿滑能见度差的情况下司机驾驶车辆更加谨慎的特点. 考虑谨慎司机的不同比例, 通过数值模拟得到了一组基本图, 发现含有不同比例的谨慎司机对交通流产生不同程度的影响. 并通过车辆的时空演化图, 从微观的角度对恶劣天气时交通流的非线性特性进行了细致的分析, 揭示了在雨雪等恶劣环境下更容易出现交通拥堵的机理, 与实际交通特征相吻合. 因此模型能够部分地反映恶劣天气时交通流的微观特性, 同时也证明了司机的驾驶行为对交通拥堵的形成确实具有重要的影响.