三圆形颗粒在通道中沉降运动的数值研究

主要应用浸没边界的格子玻尔兹曼方法（immersed boundary-lattice Boltzmann method, IB–LBM） 对处于不同倾斜角度通道内的三个刚体圆形颗粒在重力作用下下落的动力学特性进行了计算研究. 首先分析通道倾斜角度的影响, 结果显示当通道倾斜角处于59°90°的范围时会发生后一个颗粒超越前一个颗粒的现象. 其次, 研究了Re对颗粒沉降特性的影响, 结果表明Re 越大, 颗粒间发生聚集的时间越早. 研究还发现当3 个颗粒的直径大小不均匀时, 颗粒由大到小纵向依次排列, 或者出现中间小球直径较相邻两个小球直径大的排列情况, 均能促使颗粒加快聚集. 本文的研究结果可为环境工程及地质学中的颗粒沉降问题提供有价值的参考.      

倾斜管道内圆柱状颗粒运动的数值模拟

本文采用计算流体力学–离散单元法对倾斜管道内圆柱颗粒在气体中的运动进行数值模拟,分别分析了颗粒密度、颗粒长径比、吸入速度、管道倾角、管道长径比等因素对颗粒输运效率的影响。结果表明,颗粒密度越大,颗粒的输运效率越低;输运效率随着颗粒长径比的增大而减小;输运效率随着进口速度的增大而增大。管道的倾角对输运效率存在影响,但二者不是单调关系;颗粒输运效率与管道长径比成反比。

     

平面剪切来流作用下串列布置三圆柱流致运动特性研究

基于四步半隐式特征线分裂算子有限元方法,对Re=100时,剪切来流作用下串列三圆柱体双自由度流致振动问题进行了数值计算. 首先,与现有文献结果进行对比验证该方法的正确性. 然后,着重分析剪切率、固有频率比和折减速度三个关键参数对串列三圆柱体结构流致动力响应及流场特性的影响. 数值计算结果表明:剪切率、固有频率比与折减速度对结构振幅和运动轨迹的影响较大. 随剪切率的增大,上游圆柱最大振幅的变化与单圆柱工况类似. 中下游圆柱最大振幅会增大且会出现双向共振现象,同时,发生共振响应区域会扩大. 随固有频率比的增大,上游圆柱顺流向锁定区间范围会减小,而中下游圆柱双向锁定区间会扩大. 另一方面,均匀来流作用下,结构运动轨迹以"8"字形和不规则形状为主. 随剪切率的增大,锁定区间内运动轨迹会由"8"字形转变为"雨滴"形. 在大剪切率与高固有频率比工况下,中游圆柱体结构运动轨迹会出现"双雨滴"形状. 最后,通过对流场特性的分析,揭示了剪切来流作用下串列三圆柱结构流致运动响应的内在机理.      

MICRO-SCALE NUMERICAL STUDY OF THE EFFECT OF ERYTHROCYTE MECHANICAL PROPERTIES ON THE NEAR-WALL MOTION OF PLATELET

采用浸入式边界法,模拟了多个红细胞和血小板在毛细血管内流动过程中的相互影响。通过改变红细胞体积比和红细胞的力学特性,分析了红细胞力学特性对血小板在与内皮细胞发生粘附前的动力学行为的影响机理,包括：红细胞对血小板趋壁效应的影响,血小板在流动过程中的变形情况,并从血小板所受垂直壁向合力的角度深入研究了红细胞和血小板之间的相互作用。数值模拟的结果表明,增加血流中的红细胞体积比,减小了血小板和血管壁之间的距离,增大了血小板的变形,血小板所受垂直壁向合力呈现剧烈波动,两者之间的挤压显著加强;而增大红细胞硬度,使得血小板的离壁距离增大。     

NUMERICAL STUDY ON THE GROWTH PROCESS OF SECONDARY AEROSOL IN THE FOG

雾环境气溶胶之间的碰撞和凝并是气溶胶迁移、生长的动力学基础. 基于颗粒群平衡方程和多重蒙特卡洛方法,针对雾环境中二次液态气溶胶生长过程开展数值研究,着重分析了湍流和布朗作用机制对单分散和指数分布的二次气溶胶碰撞凝并的影响. 结果表明:雾环境气溶胶之间的碰撞凝并使得颗粒的总数目减少,颗粒平均体积逐渐增大. 对于初始尺度为自由分子区、单分散的气溶胶,布朗运动时间为600 s时,二次气溶胶平均尺度增大至初始的202.7倍左右,数目降至初始的0.006. 对于湍流作用下有布朗运动的二次气溶胶,在较短的时间内(如100 s)气溶胶尺度增至初始的163倍,颗粒数目降至初始的0.025倍, 说明雾环境流场的湍流运动引起二次气溶胶较强的输运和聚集,导致颗粒碰撞凝并概率增加,颗粒尺度增大.     

串列布置三圆柱涡激振动频谱特性研究

对串列三圆柱体双自由度涡激振动问题进行了数值计算, 并分析了雷诺数、固有频率比和约化速度对串列三圆柱体结构动力响应及频谱特性的影响. 研究发现: 雷诺数、频率比对上游圆柱的振幅和流体力系数的影响较小. 中游圆柱频率锁定区域随着雷诺数的增大而增大, 其动力响应受上游圆柱尾流的影响较大, 但频率比的影响较小. 同时, 流体力系数在约化速度较小时受雷诺数和频率比的影响较大. 另外, 下游圆柱的振幅和流体力系数受雷诺数及频率比的影响较大. 雷诺数、频率比和约化速度对圆柱流体力系数能量谱密度(PSD)曲线中主峰幅值、频谱成分及波动性的影响较大. 流体力系数PSD曲线波动性的增强, 导致圆柱运动轨迹会从"8"字形转变成不规则形状. 当频率比为2.0时, 上游圆柱尾流出现P$+$S模式, 导致其发生非对称运动, 且升、阻力系数PSD曲线主峰重合. 最后, 激励荷载平均功率值随约化速度的变化趋势与对应的结构动力响应的变化类似. 在同一约化速度区间内, 结构振动响应的强弱与位移的平均功率值成正比. 对不同约化速度区间内的升力系数功率谱密度分析时, 振动频率比($f_{s}/f_{n, y})$对结构振动响应的影响更大.      

一类分段光滑非线性平面运动系统响应特性研究

针对由一个线性子系统和一个非线性子系统构成的两自由度非自治分段光滑非线性平面运动系统的响应特性开展了研究. 该分段光滑非线性模型可用来确定对称转子/定子系统的主要碰摩响应, 且在反映非光滑系统典型特性上具有明显的特征:(1) 切换分界面是由两自由度坐标共同决定的一个幅值曲面;(2) 子系统周期解与分界面的擦碰, 不是发生在一个点上, 而是同时发生在解的所有点上;(3) 完整系统未发现由两子系统共同作用而产生的周期解. 因此, 对于该非光滑系统响应特性的研究, 很难直接利用目前有关非光滑系统平衡点和周期解分岔分析的方法. 为此, 尝试了根据子系统的响应特性, 划分出完整系统响应对分界面处切换的敏感区和非敏感区, 并针对非敏感区可由子系统解的特性求得完整系统的响应, 而针对敏感区通过子系统动力学特征的分析有助于解释完整系统响应的生成机制.     

开放空腔壳体倾斜入水运动特性试验研究

基于高速摄像试验方法,研究了开放空腔壳体的倾斜入水运动特性,重点分析了开放空腔结构引起的空泡流动特征和壳体运动规律. 通过试验数据分析了开放空腔内气体运动将引起独特的空泡流动和阶段性的运动规律,探讨了初始入水速度、入水姿态对入水弹道和空泡形态等运动特征的影响. 结果表明:开放空腔壳体入水空泡出现阶段波动演化现象,并先后经历两次闭合;入水空泡演化改变流体动力分布,直接影响壳体运动方式,进而改变水下弹道特征;空腔内部形成相对独立流场环境和开放端周期性流动,在重力作用下液体对空腔内下侧壁面作用力较大,加剧壳体偏转,从而改变入水运动过程的稳定性;随着入水速度的增大,空泡波动特征逐渐明显,闭合时间延迟,非对称深闭合引起的横向位移减小,但偏转角度与入水速度无关;随着初始姿态倾角减小,空泡波动程度减弱、闭合时间延迟,偏转角速度增大,闭合引起的横向位移增大.      

蜻蜓滑翔时柔性褶皱前翅气动特性分析

蜻蜓是自然界优秀的飞行家,滑翔是其常见且有效的飞行模式.蜻蜓优异的飞行能力来源于其翅膀的巧妙结构,褶皱是蜻蜓翅膀上最为显著的结构之一,不仅提高了翅膀的刚度,还改变了其气动特性,而飞行过程中柔性翅膀会产生变形是蜻蜓翅膀的另一特性.为揭示蜻蜓在滑翔时,柔性褶皱前翅的变形,探究褶皱和柔性的共同作用对其气动特性的影响,基于逆向工程,依据前人的测量数据和研究成果,通过三维建模软件建立了蜻蜓三维褶皱前翅的计算流体力学(computational fluiddynamics,CFD)模型和计算结构力学(computational structuralmechanics,CSD)模型,并通过模态分析验证了此模型有足够的精度.基于CFD方法和CFD/CSD双向流固耦合计算方法分别对蜻蜓滑翔飞行时刚性和柔性褶皱前翅的气动特性进行了数值模拟,结果表明,柔性褶皱前翅受气动载荷后,翅脉和翅膜产生形变,柔性前翅上下表面压力差相较于刚性前翅减小了,从而其升力和阻力也减小了,而在大攻角时,变形后的前缘脉诱导出比刚性前翅更强的前缘涡.因此在攻角小于10$^\circ$时刚性前翅的气动特性优于柔性前翅,继续增大攻角,柔性前翅的气动特性则优于刚性前翅.前翅受载后气动响应时间短,翅尖的变形最大,仅仅产生了垂直于翅膀所在平面方向上的变形,而没有发生扭转,翼根处受到应力最大,褶皱上凸部分承受蜻蜓滑翔时前翅的主要载荷.      

质点在斜面上的二维运动

质点在斜面上受到大小恒定的下滑力和摩擦力而运动,但后者方向随速度而变化。摩擦因子与斜面坡度比值即等效摩擦因子λ> 1 时质点最终在斜面上停止;0:5 λ≤6 1 时质点不会停止但水平方向运动距离存在限界,而λ≤0:5 时水平方向也可运动至无穷远。相同等效摩擦因子下质点运动轨迹的曲线簇具有包络线。     

粘接-映射混合算法及其对颗粒材料中板的振动特性分析

结构与颗粒材料相互作用广泛存在于各工程领域,其研究过程中涉及的连续-离散耦合计算方法面对诸多挑战.本文提出了粘接-映射混合算法来研究连续体与离散介质耦合动力学问题.将连续体模型划分为内部区域及与颗粒接触的边界区域.边界区域采用粘接算法模拟连续体外部形状并使用高效的球形接触判断准则;提出一种包含Rayleigh阻尼映射的有限元映射质点弹簧算法来精确计算连续体内部区域内力和变形.二者相结合构成粘接-映射混合算法,并引入计算机集群和GPU(图形处理器)并行技术,对埋没于颗粒材料中受激振动固支方板的连续-离散耦合动力学问题进行了数值仿真研究.结果表明,粘接-映射混合算法有利于双层级并行算法的程序实现及优化,并在连续-离散耦合界面进行快速接触判断的同时实现对颗粒材料中方板位移、变形、振动形态等参数的研究.通过定幅扫频和定频变幅方式考察激振力频率和幅值对振动板非线性动力学行为的影响并观察到二倍周期现象,同时给出了该连续-离散耦合系统中颗粒体系的能量耗散特性.      

绕旋转圆柱流动涡尾流结构和临界状态特性

采用作者提出的基于区域分解，有限差分法与涡法杂交的数值方法，结合高阶隐式差分格式，和以修正的不完全ＬＵ分解为预处理器的共轭梯度法作求解器，系统地研究了雷诺数Ｒｅ＝１０００，旋转速度比α∈（０．５，３．２５）范围内，绕旋转圆柱从突然起到充分发展，长时间内尾流旋涡结构和阻力，升力系数的变化规律，计算所得流动图案与实验流场显示符合很好。数值试验证帝了临界状态的存在，并首次给出了临界状态时的旋涡结构特性。     

NUMERICAL STUDY ON THE EFFECTS OF SMALL-AMPLITUDE INITIAL PERTURBATIONS ON RM INSTABILITY

采用Navier-Stokes 方程对入射激波及其反射激波连续诱导小振幅扰动界面的Richtmyer-Meshkov 不稳定性增长过程进行了二维数值模拟,分析了单模和随机多模两种不同初始形态的界面上钉结构和泡结构在反射激波作用前后的发展特性. 研究结果发现：单模扰动的初始界面形态对反射激波前、后界面的扰动增长都有影响,反射激波前的界面形态信息可以通过钉和泡结构之间的反转传递到反射激波过后. 扰动界面上钉结构的发展速度控制了界面混合区总体的发展速度,反射激波前界面上发展成具有完整冠部形态的钉,在反射激波后会反转成复杂的泡结构,此泡结构对反射激波后钉的发展不利. 随机多模界面显示了与单模界面类似的发展规律,但随机多模界面上的复杂泡结构分布的不对称性使得其对钉结构增长的拖曳效应相对要弱,这导致了相似扰动波长下多模随机界面的扰动发展相对单模界面扰动发展要快.     

湍流边界层中固体颗粒运动的数值模拟

根据Ｌａｇｒａｎｇｅ颗粒运动微分方程及不可压缩湍流边界层中流体的壁面速度分布规律，数值求解了颗粒在湍流边界层中的运动，考虑了Ｓａｆｆｍａｎ升为对颗粒运动的影响，壁面对运动阻力的影响，给出了固体颗粒沉积边壁，在边界层外缘上所需的最小速度和最小入射角，计算结果还表明边界层对固体颗粒撞击边壁的速度和入射角有较大影响，从数值结果可可以发现一个重要现象。     

基于PIV技术分析颗粒在湍流边界层中的行为

采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)在平板湍流边界层内开展实验研究,对比颗粒相及单相液体的平均速度剖面、湍流强度、雷诺应力等湍流统计量,分析颗粒在湍流边界层中的行为.利用空间多尺度局部平均涡量的概念提取壁湍流发卡涡展向涡头(顺向涡)并统计其数量规律,得到不同法向位置处顺向涡周围流向脉动速度及流线的空间拓扑结构,比较分析顺向涡发展程度及周围的湍流相干结构.结果发现:与清水工况相比,颗粒相湍流边界层的缓冲层变薄、对数律区下移,湍流强度得到增强,雷诺应力在对数律区有所增大;颗粒的流向脉动速度在展向涡周围的分布与清水工况不同,颗粒能够被流体展向涡周围的猝发过程有效传递;颗粒相的顺向涡涡核较大,且随着法向位置的升高逐渐发展完整,涡和条带在流向上拉伸得更长;同时发现在两种工况下,顺向涡的左下方始终存在一个逆向涡,颗粒相逆向涡的形成弱于单相流体;两种工况下的顺向涡数量均随着法向位置的升高而减少,最后逐渐趋于稳定.      

THE NUMERICAL STUDY OF LATTICE BOLTZMANN METHOD BASED ON DIFFERENT GRID STRUCTURE

传统的格子波尔兹曼方法(lattice-Boltzmann method, LBM)通常基于标准均匀网格, 这主要取决于速度的空 间离散格式.均匀网格结构的特点, 使LBM在处理具有复杂边界的问题时遇到较大的困难, 从而限制了它的应用.另外, 对于较为复杂的流动, 其流场存在流动变化剧烈和平缓的区域, 在流动变化剧烈的区域, 往往需要足够的网格点才能更好地捕捉到流场信息, 而均匀网格会使得网格数量过多, 这会增加计算量, 但网格数量过少又无法获得必要的流场信息, 使LBM的计算效率降低.为了解决上述问题, 用不同的网格结构, 以顶盖驱动的腔体内流、柱体绕流和翼型绕流为例, 探讨了提高LBM算法的计算效率和适用性问题.     

三峡水库岸边排污的特性及数值模拟研究

数值模拟是研究和解决三峡水库污水岸边排污的重要手段之一．针对三峡水库岸边污水排放的特点,分析并阐述了排污口附近的水流和污染物分布特性及其所带来的数值困难．基于这些分析,讨论了深度平均二维模型和不同分层三维模型在模拟三峡库区岸边排污问题中的优势和不足,为库区岸边侧向排污数值模型的进一步发展奠定了基础．     

明渠湍流边界层中颗粒的运动与分布

利用直接数值模拟、点球浸入边界法和颗粒离散元法相结合的方法, 模拟了颗粒在明渠湍流边界层中的运动, 并对颗粒的瞬时位置进行了Voronoi 分析, 定量研究了颗粒在湍流边界层中的运动和分布规律. 研究发现:颗粒的输运对湍流的统计特征有影响, 其运动与近壁区湍流拟序结构密切相关, 在"喷发"结构作用下被带离壁面, 在"扫掠" 结构和自身重力作用下回到壁面; 在湍流边界层中, 颗粒倾向于聚集在低流速带, 呈条带状分布;颗粒在大部分时间处于"簇"状态, 偶尔跳跃到"空" 状态, 但能够很快回到邻近低速区域.      

混合层绕流圆柱旋涡脱落的数值研究

对平面混合层绕流圆柱时的旋涡脱落和流动结构进行了数值研究。方法是用一空间、时间三阶精度的有限差分格式解二维不可压Navier-Stokes方程和连续性方程。计算时雷诺数Re取为1000,混合层速度比Ra从0到1,混合层动量厚度θ由0.2到2。     

INVESTIGATION ON THE ATTENUATION OF A ROTATING LIQUID MOTION IN A CYLINDER WITH BOUNDARY RESISTANCE

为了分析圆柱形容器内同步旋转液面在边界阻力作用下的衰减机理，采用层流摩阻与湍流摩阻的理论模型和实验测试的方法对同步旋转液面在边壁阻力作用下的衰减规律进行了研究. 通过分析壁面阻力的特性，采用当量湿周对圆柱形容器中旋转液体运动的能量损失进行模拟，建立了壁面糙率、旋转半径，静水深度和液体旋转速度之间的本构方程. 通过对圆柱容器中的同步旋转液面在边界阻力作用下的层流和湍流形态的衰减过程进行实验测试，验证了理论模型的正确性. 基于验证后的理论方法，获得了圆柱容器中旋转液体的角速度、高度等随时间的变化过程，分析了摩阻形态、糙率和直径对旋转液面衰减过程的影响. 结果表明，边壁糙率和容器半径是决定旋转液面的衰减过程主要因素，边壁糙率越大液体旋转速度衰减越快，圆柱形容器半径越大液体旋转的衰减越慢.