一种基于黎曼解处理大密度比多相流SPH的改进算法

多相流界面存在密度、黏性等物理场间断,直接采用传统光滑粒子水动力学(smoothedparticle hydrodynamics,SPH)方法进行数值模拟,界面附近的压力和速度存在震荡.一套基于黎曼解能够处理大密度比的多相流SPH计算模型被提出,该模型利用黎曼解在处理接触间断问题方面的优势,将黎曼解引入到SPH多相流计算模型中,为了能够准确求解多相流体物理黏性、减小黎曼耗散,对黎曼形式的SPH动量方程进行了改进,又将Adami固壁边界与黎曼单侧问题相结合来施加多相流SPH固壁边界,同时模型中考虑了表面张力对小尺度异相界面的影响,该模型没有添加任何人工黏性、人工耗散和非物理人工处理技术,能够反应多相流真实物理黏性和物理演变状态.采用该模型首先对三种不同粒子间距离散下方形液滴震荡问题进行了数值模拟,验证了该模型在处理异相界面的正确性和模型本身的收敛性;后又通过对Rayleigh--Taylor不稳定、单气泡上浮、双气泡上浮问题进行了模拟计算,结果与文献对比吻合度高,异相界面捕捉清晰,结果表明,本文改进的多相流SPH模型能够稳定、有效的模拟大密度比和黏性比的多相流问题.      

一种基于黎曼解处理大密度比多相流SPH的改进算法

多相流界面存在密度、黏性等物理场间断,直接采用传统光滑粒子水动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法进行数值模拟,界面附近的压力和速度存在震荡.一套基于黎曼解能够处理大密度比的多相流SPH计算模型被提出,该模型利用黎曼解在处理接触间断问题方面的优势,将黎曼解引入到SPH多相流计算模型中,为了能够准确求解多相流体物理黏性、减小黎曼耗散,对黎曼形式的SPH动量方程进行了改进,又将Adami固壁边界与黎曼单侧问题相结合来施加多相流SPH固壁边界,同时模型中考虑了表面张力对小尺度异相界面的影响,该模型没有添加任何人工黏性、人工耗散和非物理人工处理技术,能够反应多相流真实物理黏性和物理演变状态.采用该模型首先对三种不同粒子间距离散下方形液滴震荡问题进行了数值模拟,验证了该模型在处理异相界面的正确性和模型本身的收敛性;后又通过对Rayleigh–Taylor不稳定、单气泡上浮、双气泡上浮问题进行了模拟计算,结果与文献对比吻合度高,异相界面捕捉清晰,结果表明,本文改进的多相流SPH模型能够稳定、有效的模拟大密度比和黏性比的多相流问题.     

纳米颗粒多相流体动力学研究及应用

纳米颗粒多相流研究是目前多相流研究中新的研究方向及重点发展领域.为探索纳米尺度多相流相间作用机理及内部存在机制,采用理论分析及数值计算手段,对一般动力学方程的封闭处理、颗粒碰撞率宏观模型的有效构建、颗粒凝并系统动力学演变特性的机理分析、非稀相问题碰撞率的求取、双变量问题求解方法的建立以及一些实际应用进行了系统研究,提出了新的针对纳米尺度颗粒动力学演变的一般动力学方程求解方法,并将其应用于实际工业过程问题的研究.该文对上述研究工作进行了综述.     

多相流动的光滑粒子流体动力学方法研究综述

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)具有粒子方法的无网格和全拉格朗日特征, 适用于具有界面大变形、不连续性和多物理场的多相流的高精度模拟. SPH方法模拟多相流已有大量报道, 具体的实现方式也大不相同. 本文首先阐述了采用SPH方法模拟流体的基本控制方程, 以及求解过程中需要考虑的流体压力求解、表面张力、固体边界等问题. 整理和总结了基于SPH方法进行多相流模拟的主要实现方式: (1)双流体模型的拉格朗日求解器: 两相离散为两组独立SPH粒子, 并用显式相间作用耦合两相; (2)多相SPH方法: SPH方法对多相流模拟的自然延伸, 相间作用由SPH参数隐式描述; (3) SPH与其他离散方法的耦合: 差异较大的两相各自采用不同离散方法, 发挥不同拉格朗日方法的优点; (4) SPH和基于网格方法的耦合: 网格方法处理简单的单相流动主体, 获得精度和效率间的平衡. 另外, 还在模拟参数物理化等方面论述了与SPH方法模拟多相流相关的一些改进和修正方法, 并在最后讨论和建议了提高多相流SPH模拟效率和精度的措施.      

近场水下爆炸瞬态强非线性流固耦合无网格数值模拟研究

近场水下爆炸涉及多相流体的掺杂耦合以及结构的大变形、损伤和断裂等瞬态强非线性现象, 传统的网格算法在模拟近场水下爆炸时面临结构网格畸变、多相界面捕捉精度不足等难题, 鉴于此, 本文建立了完全无网格的近场水下爆炸冲击波和气泡全物理过程瞬态强非线性流固耦合动力学模型. 流体采用基于黎曼求解器的光滑粒子流体动力学(SPH)方法求解, 结构采用重构核粒子法(RKPM)求解, 并基于法向通量边界条件实现流固耦合. 为提高SPH对流场间断的求解精度, 引入黎曼问题思想并结合MUSCL重构算法, 为解决流场粒子体积变化剧烈导致的精度下降问题, 应用了自适应粒子分割与合并方法. 为模拟水下爆炸对结构造成的损伤断裂, 基于退化实体几何表述, 采用Lemaitre损伤算法, 建立了RKPM壳结构断裂损伤模型. 依据所建立的SPH-RKPM流固耦合模型, 对近场水下爆炸冲击波传播、气泡脉动与射流以及结构毁伤进行了模拟, 将得到的冲击波载荷、气泡演化以及结构响应与实验值和其他数值解对比, 验证了当前建立的SPH-RKPM流固耦合模型的有效性和精度, 并给出了水下爆炸载荷特性及其对结构的流固耦合毁伤机制与规律, 旨在为近场水下爆炸载荷预报提供理论和基础性技术支撑, 为毁伤威力评估和舰船防护结构设计提供参考.      

湿式发射对同心筒瞬态热冲击的影响机理

针对路基同心筒自力发射整体热环境恶劣的问题,依托弹性变形和域动分层相结合的动网格技术,基于均质多相流理论并耦合液态水专用汽化求解程序,建立在发射筒底部注水的三维气液两相流体动力学模型;以火箭发动机自由射流注水实验为基础,验证汽化程序三维计算的可靠性与有效性;通过瞬态数值计算,讨论筒底注水角度对导弹、内外筒热环境和导弹载荷特性的影响规律。分析表明:发射筒内发生了显著的汽化反应;导弹及发射系统总体热环境得到了显著改善,实现了发射系统持续降温的目的;在筒底注水后,弹底的附加推力及火箭发动机的推力有一定增加,随着注水量的减少,注水对导弹载荷的影响越来越弱。     

第二届国际多相流、非牛顿流和反应流会议与第四届国际多相流测量技术会议简介

多相流、非牛顿流和反应流广泛存在于石油、化工、冶金、航空、航天、热能、核能和水利等工程中,是流体力学和工程热物理等技术科学的重要分支学科．在中国力学学会的倡议下,曾于1997年由中国力学学会、中国石油学会等四个学会成功地联合召开了第一届国际多相流、非牛顿流和物理化学流学术会议．来自美国、英国、日本、中国、澳大利亚     

固体火箭冲压发动机补燃室沉积数值模拟

考虑液态颗粒碰撞和聚合过程、液态颗粒和壁面碰撞过程,建立了固体火箭冲压发动机补燃室沉积数值计算模型,对模型发动机补燃室内颗粒之间碰撞、沉积的相互作用过程进行了数值模拟,得到了颗粒沿轴向和沿出口平面径向方向的分布情况,并计算得到了补燃室壁面不同段的沉积层厚度值。将计算结果与试验结果进行对比,最大误差为0.8mm,表明该计算模型具有较高的计算精度。     

固体火箭燃气射流驱动液柱过程的CFD分析

固体火箭燃气射流驱动液柱过程会产生一个复杂的非稳态多相流场,为了研究液柱对固体火箭发动机工作过程中射流流场的降温效果,并揭示燃气冲击液柱的流动演化和气水之间的相互作用,利用FLUENT软件中耦合了液态水汽化方程的VOF多相流计算模型对燃气与液柱之间的耦合流动及相变过程进行了数值模拟,并与无液柱情况下射流流场的计算结果进行了对比分析。计算结果表明,当有液柱平衡体时射流流场中的压力、温度、速度波动幅度均减小,减弱了射流流场中的湍流脉动强度;液柱与燃气之间的汽化以及液柱的阻碍作用减小了射流流场的轴向发展位移,尾管后的完全发展射流流场核心区域内的压力峰值降低了0.9 MPa,温度峰值降低了503 K,速度峰值降低了291 m/s,验证了实验中液柱对燃气射流流场的降温效果。     

固体火箭发动机柔性接头摆动密封可靠性研究

柔性接头由弹性件与增强件交替粘接而成,是固体火箭发动机进行推力矢量控制的重要装置,因而柔性接头的摆动密封性能对固体火箭发动机而言至关重要.为研究固体火箭发动机柔性接头摆动过程中的密封可靠性,以内聚力模型作为粘接界面的本构模型,通过计算柔性接头各界面的损伤情况及界面间的接触应力,并定义界面节点单元间、界面间以及柔性接头的...     

考虑动力学特性的航空发动机主轴球轴承热弹流分析

本文中以476728航空发动机主轴球轴承高速重载典型工况为算例,提出一种将轴承动力学分析和热弹流润滑分析相集成的数值算法,打破传统分析中二者在各自领域独立进行的局限性,提高了轴承数值计算的精确度.对比了传统拟动力学分析、集成分析和实验实测的最小膜厚,结果表明:集成分析结果与试验获得数据更为一致,证明本文的算法可行,能够更为准确地判断航空发动机主轴球轴承的润滑状态.探讨了航空发动机主轴球轴承结构参数曲率系数、初始接触角和滚动体数目对轴承接触应力、相对滑动速度、弹流润滑膜压力、膜厚和温度性能的影响,为航空发动机主轴球轴承的结构设计及优化提供重要理论依据.     

高速碰撞数值计算中的SPH自适应粒子分布法

针对传统光滑粒子法在计算高速碰撞问题时会出现近邻粒子逸出核函数影响域而产生数值破坏这一缺陷,提出了一种根据粒子间距变化自动添加、合并粒子的SPH自适应粒子分布算法。采用该方法对Taylor碰撞和超高速碰撞问题进行了数值模拟,结果表明,该方法可以有效地消除计算中出现的数值破坏,提高计算精度。     

航空发动机材料摩擦学研究进展

机械产品中的摩擦磨损问题不可避免,且严重影响装备性能与寿命可靠性。航空发动机是飞机的心脏,针对该类复杂机械产品的摩擦磨损问题更应得到高度重视.通过材料摩擦学行为调控,可有效减轻或排除航空发动机中的摩擦磨损问题,大幅抑制发动机功能精度衰减,提高其寿命稳定性.为系统有序地开展航空发动机材料摩擦学研究,在本文中以典型三代涡扇发动机为例,按冷端至热端结构顺序,阐述进气道、风扇、中介机匣、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷口等关键部位涉及摩擦磨损部件及材料的摩擦学服役工况、主要磨损类型和磨损机制.结合发动机整机故障分析结果,有针对性的选择4种具有代表性的航发材料作为摩擦学重点研究对象,即叶片尖端与封严涂层的高速刮擦、主轴轴承滚动接触疲劳与滑擦损伤、钛合金叶片的微动损伤、动密封装置中石墨的摩擦磨损及其寿命评价台架试验.从材料摩擦学损伤演变规律、磨损机制、耐磨功能设计和表面改性等角度综述国内外研究进展,提出航发材料摩擦学研究技术路线,即从材料级摩擦磨损实验复现航发零件磨损失效特征出发,实现基于摩擦学行为调控原理获得材料耐磨减摩功能化改进,最终采用模拟工况摩擦学实验台架验证新材料摩擦磨损性能.此外,针对新一代...     

PTT黏弹性流体的光滑粒子动力学方法模拟

运用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法对基于PHan-Thien-Tanner (PTT)模型的黏弹性流动进行了数值模拟. 首先, 利用SPH方法模拟了基于PTT模型的平板 Poiseuille流, 通过与文献结果的比较, 验证了SPH方法模拟黏弹性流动的准确性和有效性; 随后, 基于PTT模型对黏弹性自由表面流-液滴碰撞问题进行了SPH模拟, 研 究了PTT模型中拉伸参数对碰撞过程的影响. 为了解决张力不稳定问题, 采用简化的 人工应力公式. 数值结果表明, SPH方法可有效而灵活地模拟黏弹自由表面流问题.     

多相流与传热研究的进展

第3届国际多相流与传热学术会议于1983年4月18—20日在美国迈阿密举行。会议由美国科学基金会支持,美国迈阿密大学清洁能源研究所召开。出席代表180余人,宣读论文182篇,内容包括:多相流基础,多相流流动结构,多相流压降与传热,质量交换与相变,沸腾与凝结,二相流不稳定性,反应堆安全,多相流模型,蒸汽发生与分配,过渡过程,流化床,质点动力学,能量转换,测试技术及多相流的应用等。我校宣读了垂直U型管弯管      

湍流扩散多相流

湍流扩散多相流在许多工程和环境科学实际应用中十分常见.流体相中的湍流和扩散相的随机本质使得湍流扩散多相流中遇到的问题远比单一流体中遇到的湍流现象复杂得多.首先评述了湍流扩散多相流研究中实验技术和数值计算方面的现状、各自的优点与局限性,以及该领域研究中未来面临的挑战.主要关注湍流扩散多相流研究中以下3方面重点内容:颗粒、液滴和气泡的选择性聚积;湍流对流体相和扩散相耦合作用的影响以及颗粒物和气泡的存在对流体相中湍流的调节机制.     

航空发动机涡轮盘裂纹萌生寿命的估算方法

针对航空发动机涡轮盘裂纹萌生寿命的估算问题，给出一个全新的损伤参量。该损伤参量结合了分析多轴疲劳的临界面方法，“应力功”的概念和疲劳破坏的微观机制。依据该损伤参量，利用有限元程序和自编程序计算得出损伤参量和疲劳循环次数的关系，建立以这一损伤参量为基础的疲劳损伤累积模型，进而估算涡轮盘裂纹萌生寿命。     

热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和抗腐蚀设计方法

对于沿海地区或海洋环境中使用的航空发动机来说,由于高温、机械载荷和盐雾环境的共同作用,热腐蚀疲劳破坏是影响其热端部件服役寿命的主要因素.本文对热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和防腐蚀设计方法进行了总结、归纳及评述,提出了未来的研究趋势与发展方向.首先介绍航空发动机热端部件的热腐蚀疲劳故障案例、损伤演化机理;其次,重点分析了低温腐蚀疲劳寿命的唯象模型、损伤力学模型、断裂力学模型以及机器学习模型;再次,对几种代表性的考虑腐蚀演化不同阶段的分段式腐蚀疲劳全寿命模型进行综述,还分析指出了腐蚀疲劳全寿命模型的发展趋势;从次,对航空发动机材料选择、零件制造、结构强度设计和外场运行维护不同阶段的抗腐蚀方法进行了综述.最后,对增材制造零部件的热腐蚀疲劳问题以及无损检测技术、人工智能等与热腐蚀疲劳研究的结合进行了展望.     

模拟火箭引射混合特性的实验研究

 专门设计了可用于研究箭基组合循环发动机(RBCC)在起动阶段 (Ma=0)所使用的引射火箭性能的实验装置. 作为初步试验，研究了不 同工况的引射热喷流(一次流)和被引射空气(二次流)之间混合的演变、 发展过程，找出不同来流条件下影响引射性能的主要参数，为最终探 明引射火箭的最佳工作条件打下基础，同时根据试验结果提出了促进 一、二次流混合的可行方案，便于下一步深入研究.     

头部与大挠度弹性板的撞击响应特性分析

在行人与汽车碰撞的研究中，头部-汽车发动机罩撞击损伤是重要的内容．把此问题简化为柔性球体与大挠度弹性板的大变形撞击响应问题，采用有限元方法分析了头部与汽车发动机罩撞击的动态响应特性，得出了相关因素对撞击响应的影响特点，并提出了具有行人保护作用的发动机罩的设计原则．为非线性动态响应力学问题的研究提供参考．