外力场对冷凝过程影响的分子动力学模拟研究

固壁表面发生的冷凝过程在工程应用中广泛存在,本文采用非平衡分子动力学模拟方法对高温蒸气在低温壁面上发生的冷凝过程进行了模拟研究.着重对该过程中的密度和局部温度等热力学参数分布进行了研究.同时,考察了两种气固温差条件下,壁面内、外法线方向上,不同强度的外力场对冷凝过程的影响,得到了结论:外力场是壁面内法线方向时促进冷凝进行,反之则阻碍冷凝进行,力场强度越大则影响效果越显著;当外力场一定时,气固温差越小,则外力场的相对影响程度越大.     

甲烷气体在泡沫陶瓷中预混燃烧的数值模拟和实验研究

本文对甲烷气体在泡沫陶瓷内燃烧进行了数值模拟和实验研究.根据预混燃烧理论,建立了基于气固两相局部非热平衡模型,采用 26 种组分,77 步详细化学反应机理来模拟反应过程.边界上的辐射换热采用双通量法求解,为减少计算时间,计算区域内部利用扩散近似法求解.为减少边界条件对模拟结果精度的影响,提出了采用能量平衡方法,建立边界上的对流,导热和辐射的整个换热过程,模拟表明这种边界条件具有二阶离散精度.     

固壁加热的分子动力学模拟研究

本文应用分子动力学模拟方法,讨论了NVE系综中不同初始晶格类型对模拟系统平衡温度和截断半径对模拟系统平衡总能的影响.建立了一种新的固壁加热模型,模拟研究了由铂组成固壁对流体氩快速加热过程.在本文的模拟条件下,由于固壁与液体之间的快速加热作用,固壁与液体之间产生的蒸汽推动液体向上移动,可以明显地观察到Leidenfrost现象的产生.     

T型突变出口提升管气固流动的数值模拟研究

循环流化床提升管内气固流动不仅受操作工况的影响,还与出口结构密切相关.本文应用双流体模型结合EMMS曳力模型,对T型突变出口提升管内两种工况的气固流动进行了二维模拟.模拟得到的轴向固体浓度分布和实验值符合较好.验证了EMMS曳力模型对于快速流态化气固不均匀流动模拟的适用性.     

50 kW_(th)双循环流化床煤化学链燃烧系统

本文对华中科技大学自主设计的50 kW_(th)化学链燃烧双循环流化床进行全床尺度的计算颗粒流体力学(CPFD)模拟。CPFD提供了反应器内气固流动和化学反应的详细信息,不仅是对实验难以测量的细节信息的补充,而且可用于优化实验操作条件和指导反应器设计优化和放大。该实验装置以天然赤铁矿为氧载体,以煤为燃料。首先对床内气固两相反应流动进行分析,比较实验和模拟得到的气相组分出口浓度,验证了CPFD模拟的可靠性。之后重点分析反应器间的固体循环流量、系统压力分布、固相浓度分布、煤转化过程关键信息。最后基于模拟分析,提出了优化操作工况,模拟结果显示可提高CO_2气产率和燃烧效率。本文结果表明CPFD模拟可为化学链燃烧反应器的设计和运行提供重要的参考依据。     

50 kW_(th)双循环流化床煤化学链燃烧系统热态CPFD模拟

本文对华中科技大学自主设计的50 kW_(th)化学链燃烧双循环流化床进行全床尺度的计算颗粒流体力学(CPFD)模拟。CPFD提供了反应器内气固流动和化学反应的详细信息,不仅是对实验难以测量的细节信息的补充,而且可用于优化实验操作条件和指导反应器设计优化和放大。该实验装置以天然赤铁矿为氧载体,以煤为燃料。首先对床内气固两相反应流动进行分析,比较实验和模拟得到的气相组分出口浓度,验证了CPFD模拟的可靠性。之后重点分析反应器间的固体循环流量、系统压力分布、固相浓度分布、煤转化过程关键信息。最后基于模拟分析,提出了优化操作工况,模拟结果显示可提高CO_2气产率和燃烧效率。本文结果表明CPFD模拟可为化学链燃烧反应器的设计和运行提供重要的参考依据。     

微型循环流化床的CFD-DEM模拟

快速流态化是颗粒材料工业处理过程中的重要工艺手段,在各领域中都有极广泛应用。本文利用计算流体力学—离散单元方法(CFD-DEM),对典型快速流态化装置一微型流化床内的复杂气固流动现象进行尝试性模拟,模拟结果真实地还原了流化床内各个组件内复杂的气固流动特性。在此基础上,对装置内气固时均速度场、时均空隙率分布等进行了分析。发现这些统计量在入口和出口附近都有明显的波动变化,颗粒时均速度沿轴线呈反"C"型分布,装置结构对气固流动特性有重要影响。     

枝晶生长和气泡形成的数值模拟

本文建立了二维的格子玻尔兹曼方法-元胞自动机(lattice Boltzmann method-cellular automaton, LBM-CA)耦合模型, 对凝固过程中枝晶生长和气泡形成进行模拟研究. 本模型采用CA方法模拟枝晶的生长, 根据界面溶质平衡法计算枝晶生长的驱动力. 采用基于Shan-Chen多相流的LBM模拟气泡在液相中的生长和运动. 在LBM-CA的耦合模型中包含了固-液-气三相之间的相互作用. 应用Laplace定理和模拟气-液-固三相之间的润湿现象对模型进行了验证. 应用所建立的LBM-CA耦合模型模拟研究了气-液相互作用系数对单气泡生长的影响. 发现单气泡的生长速度和平衡半径随气-液相互作用系数的增大而增大. 定向凝固过程中枝晶和气泡生长的模拟结果再现了枝晶的择优生长、 气泡的优先形核位置、气泡的长大、合并、在枝晶间受挤变形以及在液相通道中的运动等物理现象, 与实验结果符合良好. 此外, 初始气体含量越高, 凝固结束时气泡的体积分数也相对较高. 本模型的模拟结果可以揭示在凝固过程中气泡形核、 生长和运动演化以及与枝晶生长相互作用的物理机理.     

过渡区内纳米颗粒的曳力特性模拟研究

在过渡区内,关于纳米颗粒曳力计算及输运特性的研究较为困难,通常会采用一些近似方法,将自由分子区或者连续介质区的理论计算式进行修正,以适用于过渡区,但是其准确性值得商榷.本文基于分子动力学模拟方法,研究了过渡区内纳米颗粒的曳力特性,并与相关理论进行对比.结果表明,气-固分子间相互作用对纳米颗粒的曳力具有显著影响.当气固结合强度较弱时,理论计算结果与分子动力学模拟值吻合较好;当气固结合强度较强时,分子动力学模拟结果明显大于理论值,这是由于气体分子在纳米颗粒表面的吸附所导致.基于气体分子在颗粒表面的吸附特性,提出引入有效颗粒半径修正,其过渡区内曳力的理论计算结果与分子动力学模拟结果吻合较好.     

增湿活化反应器内气—液滴—固三相流场的数值模拟

本文给出了气—液滴—固三相流体的双流体模型下的各控制方程组。颗粒动理学方法模拟颗粒相湍动能。模型中考虑了气、液滴和固相的相互作用以及液滴与固相的非弹性作用造成的能量传递和耗散。模型预测在增湿活化反应器内相速度和浓度等参数空间分布,以及操作参数、结构布置等对相速度等参数的影响。     

循环流化床气固曳力模型

气固曳力是稠密气固两相流动,尤其是垂直流动中的主要作用力,相应的模型也是数值模拟中准确描述气固两相运动的关键.为了解决现有经验或半经验模型的普适性问题,合理描述流动中经常发生的颗粒团聚现象及其对气固曳力的影响,从理论分析入手,运用最小能量的概念,将传统的CFD方法与宏观的系统分析方法相结合,建立了一个新的计及颗粒团聚效应的气固曳力理论模型.与现有模型相比,新模型不仅具有相同的函数变化关系,可合理地描述气固两相相互作用的物理过程,而且避免了以往经验系数不准确导致的各种误差,为稠密气固两相流动的数值描述提供了重要依据.     

可压稠密气固两相流动过程的模拟计算

基于稠密气体分子运动论和颗粒动理学,建立可压稠密气固两相流动模型。采用梯度模拟来考虑气相可压缩性对气相湍流的影响。模拟计算表明气固两相射流速度沿轴向和径向减小,颗粒浓度下降。气固两相射流具有高的颗粒温度,呈现强烈的气固两相湍流流动特性。     

复杂Dynamos混沌系统的追踪控制与同步

基于系统稳定性理论,设计合适的新型非线性反馈控制器,实现复杂Dynamos混沌系统的状态向量与任意给定的不同参考信号追踪广义投影同步.以追踪控制超混沌系统、混沌系统、正弦余弦信号以及不动点为例,通过改变比例因子,可以获得多个不同混沌系统之间的异结构广义投影同步以及与正弦波形的广义同步,或者将复杂Dynamos混沌系统控制到期望的平衡点.数值仿真进一步表明了该方法的有效性. 关键词： 复杂Dynamos混沌系统 追踪控制 广义投影同步 平衡点     

匀加速运动声源的声场建模及其数值算法研究

针对匀加速运动点声源的声场特性与其运动状态密切相关这一问题,提出匀加速直线运动状态下点声源的声场计算方法。利用此方法建立了匀加速直线运动时点声源的声压模型,对模型中的关键参数声矢量R进行数值解析,并对声压进行数值分析仿真,得出匀加速直线运动时固定接收点的声压数值计算方法。用此方法对固定接收点位置的匀加速点声源声压进行声场建模,结果表明:在声源接近接收者一定距离以后,声压明显增大;在此距离之外,距离对声压的影响不大。     

双大涡模拟方法模拟提升管内气固两相流动

基于Smagorinsky涡黏模型以及颗粒动理学理论,建立了气固两相流双大涡模拟模型。考虑大涡模拟中过滤尺度的影响,给出颗粒相亚格子压力和热传导系数计算模型。考虑颗粒聚团对两相作用的影响,给出了考虑颗粒聚团作用的气固两相多尺度曳力系数模型。数值模拟了提升管内气固两相流动特性,合理地预测出了提升管内气固两相环-核流动结构。模拟结果与Knowlton等实测结果相吻合。     

Enhancement of stability and accuracy of the moving particle semi-implicit method

As a Lagrangian gridless particle method, the MPS (Moving Particle Semi-implicit) method has been proven useful in a wide range of engineering applications. Up to now, most of MPS applications have been limited to problems with compressive stress states. This paper investigates the performance and stability of MPS method in simulation of more general hydrodynamic problems, including those characterized by tensile stresses or by changes in the stress states. It is shown that MPS-based simulations are prone to become destabilized in presence of attractive interparticle forces. This instability appears to be similar to the so-called tensile instability in SPH method. Two new modifications, namely, a modified Poisson Pressure Equation and a corrective matrix for pressure gradient model, are proposed to resolve this shortcoming. These two new modifications together with two previously proposed improvements are shown to stabilize and enhance the performance of MPS method.     

一类参数不确定混沌系统的延迟同步

针对一类混沌系统，研究了参数未知的混沌系统的延迟同步.基于Lyapunov稳定性定理，给出了延迟同步控制器和参数自适应律的解析表达式.该方法简单、适用范围广.以新混沌系统为例，数值模拟说明了该方法的有效性和可行性.通过研究有界噪声作用下该系统的控制效果，表明了该方法具有较强的鲁棒性和抗干扰能力. 关键词： 延迟同步 Lyapunov稳定性定理 新混沌系统 有界噪声     

Numerical investigation of a coupled moving boundary model of radial flow in low-permeable stress-sensitive reservoir with threshold pressure gradient

The threshold pressure gradient and formation stress-sensitive effect as the two prominent physical phenomena in the development of a low-permeable reservoir are both considered here for building a new coupled moving boundary model of radial flow in porous medium. Moreover, the wellbore storage and skin effect are both incorporated into the inner boundary conditions in the model. It is known that the new coupled moving boundary model has strong nonlinearity. A coordinate transformation based fully implicit finite difference method is adopted to obtain its numerical solutions. The involved coordinate transformation can equivalently transform the dynamic flow region for the moving boundary model into a fixed region as a unit circle, which is very convenient for the model computation by the finite difference method on fixed spatial grids. By comparing the numerical solution obtained from other different numerical method in the existing literature, its validity can be verified. Eventually, the effects of permeability modulus, threshold pressure gradient, wellbore storage coefficient, and skin factor on the transient wellbore pressure, the derivative, and the formation pressure distribution are analyzed respectively.     

An immersed interface method for Stokes flows with fixed/moving interfaces and rigid boundaries

We present an immersed interface method for solving the incompressible steady Stokes equations involving fixed/moving interfaces and rigid boundaries (irregular domains). The fixed/moving interfaces and rigid boundaries are represented by a number of Lagrangian control points. In order to enforce the prescribed velocity at the rigid boundaries, singular forces are applied on the fluid at these boundaries. The strength of singular forces at the rigid boundary is determined by solving a small system of equations. For the deformable interfaces, the forces that the interface exerts on the fluid are calculated from the configuration (position) of the deformed interface. The jumps in the pressure and the jumps in the derivatives of both pressure and velocity are related to the forces at the fixed/moving interfaces and rigid boundaries. These forces are interpolated using cubic splines and applied to the fluid through the jump conditions. The positions of the deformable interfaces are updated implicitly using a quasi-Newton method (BFGS) within each time step. In the proposed method, the Stokes equations are discretized via the finite difference method on a staggered Cartesian grid with the incorporation of jump contributions and solved by the conjugate gradient Uzawa-type method. Numerical results demonstrate the accuracy and ability of the proposed method to simulate incompressible Stokes flows with fixed/moving interfaces on irregular domains.     

等离子体表面梯度硅沉积对环氧树脂电气性能的影响

环氧树脂作为常见的绝缘材料,在高压直流电场作用下易在其表面积累电荷,发生电场畸变,导致材料绝缘性能下降,影响电力系统运行可靠性。为改善气固界面的电荷特性和绝缘性能,在大气压等离子体射流技术的基础上,对环氧树脂表面进行等离子体梯度硅沉积处理。对改性前后环氧树脂表面理化特性、表面电导率、表面电荷消散和沿面耐压特性进行了多参数测量。实验结果表明,梯度改性对材料表面的物理形貌和化学组分均有明显影响,不同区域的电导率实现了梯度分布,加快了表面电荷消散速度,表面陷阱能级变浅;梯度改性后的样品沿面闪络电压提升幅度可达30.16%。通过等离子体表面梯度硅沉积处理能够改善环氧树脂表面电气性能,在高压直流设备的绝缘设计方面具有广阔的应用前景。