等离子弧焊接熔池演变过程的模拟和验证

本文建立了描述等离子弧焊接熔池相变传热与流动的三维数理模型,考虑表面张力、电磁力和浮升力的作用,并针对等离子弧焊接特点,改进组合式体积热源模型,上部采用双椭球热源,下部采用圆锥体热源。重点分析了焊接熔池形状和温度场的演变过程,熔合线的模拟形状与实验焊缝吻合,较好地呈现了焊缝的凸起和熔池宽度,验证了数学模型和热源模型的正确性。本文还进一步开展了焊接功率和焊接速度的影响分析。研究结果表明,流动对焊缝形状的影响不容忽略,而表面张力在三个流动驱动力中占主导地位;焊接功率越大,焊接速度越小,越有利于焊件焊透,数值模拟得到优化的焊接功率和速度有益于实际焊接生产质量及效率。     

等离子弧焊接穿孔、传热与流动的耦合过程

本文建立了考虑穿孔效应的等离子弧焊接传热与流动的三维数学模型。在该模型中,开发出一种新颖的随小孔连动的热源模型,即能量密度仿照实际的焊接热物理过程随小孔增长而动态变化,有效地表征了热量沿厚度方向传输过程。同时应用体积流函数(VOF)方法追踪小孔界面,将小孔深度作为热源参数调控热源分布,实现了穿孔过程与熔池内传热及流动的动态耦合。针对实验工况,数值求解了穿孔焊接过程中动态热量传输和相应的焊接温度场,并考察了小孔界面及其周围熔融金属流动的演变过程;焊接熔池形状尺寸和焊件穿孔时间的计算值与实验数据吻合较好,验证了本文模型的正确性。     

等离子弧焊接熔池演变过程的格子Boltzmann模拟与验证

本文应用基于分子动理论的格子Boltzmann方法,建立了描述定点等离子弧焊接熔池动态演变过程的二维数理模型,对相变过程的传热与流动现象开展模拟;根据焊接过程能量分布特点改进等离子弧的组合式热源模型,采用total-enthalpy模型求解温度、速度分布及追踪相界面。研究结果表明,模拟的熔合线形状与实验焊缝吻合,格子Boltzmann模拟得到的计算精度及计算效率均优于基于连续流体假设的有限容积法,验证了格子Boltzmann方法用于等离子弧焊接模拟的可行性和优越性;熔池中出现两个方向相反的环流,流动对焊缝形状的作用不容忽略;熔池的流动方式影响了温度场、速度场及二者协同度,直接影响固相线上的热量传递,促进了焊缝中部凸起的形成。     

旋转体系中湍流的LBM模拟

采用基于多松弛时间因子的格子Boltzmann方法对旋转体系中的湍流进行数值研究,考察Rossby数和Ekman数对湍流的影响,包括湍流能量及其耗散率、速度、涡结构及湍流的耗散尺度即Kolmorogov尺度和积分尺度等.研究表明,系统的旋转延缓了湍流能量的衰减速率,逐步破坏初始涡结构的均匀性,与旋转方向相反的涡逐步被抑制,并最终形成若干与旋转同向的涡柱.结果还表明,系统旋转越快,湍流的耗散尺度越小而积分尺度越大.     

低温均匀相变的格子Boltzmann方法模拟

文中基于气液两相接触时的传质机理和两相格子Boltzmann理论模型,提出相界面的密度数处于气液相密度数之间,对低温液滴相变进行了模拟研究。在低温状态下,对单个液滴进行了均匀蒸发现象模拟,分析了不同过热度对蒸发速率的影响,并模拟运动液滴的相变。结果表明,所采用的格子Boltzmann方法能够有效分析模拟低温介质的相变。     

格子Boltzmann方法在相变过程中的应用

提出了一种新的描述气液相变过程的单组分格子Boltzmann模型,利用该模型模拟水以及氨分别在R-K,RKS和P-R状态方程控制下的相变过程,发现相对于R-K和RKS状态方程,水以及氨在P-R状态方程控制下模拟结果均与实验值更接近;特别地,P-R状态方程更适合描述氨.为验证该模型处理两相问题的能力,利用该模型模拟不同温度下水以及氨在P-R状态方程控制下的界面密度梯度,所得的结果与经典的界面理论相符.为此,进一步探讨了气泡(液滴)与周围液体(气体)处于力平衡和热平衡时,气泡(液滴)内外压力差在不同温度下与其半径之间的关系,所得的结果满足Laplace定律,并得到了不同温度下水以及氨的表面张力,发现均与实验值符合得很好,且与表面张力临界理论甚为相符.     

等离子弧焊接多物理场耦合输运模型

本文基于电场、磁场、温度场和流场的多物理场耦合,建立了简单实用的电弧与工件一体化模型,既准确表征等离子弧焊接过程中的多物理场输运作用,又无需使用流体体积函数(VOF)计算气液两相界面,大大减少计算时间和成本。模型计算出电弧压力分布,将其简化为压力源项作用于工件表面,同时该界面上电弧与工件耦合传热,实现了电弧与工件的热-力传递。获得了焊接过程电弧和工件的温度、速度、电流密度和电磁力的分布规律,揭示了焊接熔池的形成和演变机制,并开展实验验证了模型的准确性。最后分析了不同工艺参数对电弧热流密度和压力的影响规律,为焊接质量优化提供理论指导。     

相变过程的格子Boltzmann方法模拟

应用Shan提出的伪势多相模型替代R-K着色模型,建立一种新的描述气液相变过程的格子Boltzmann理论模型,模拟蒸发(高密度转化为低密度)过程.改进了计算效率,且得到较好的计算结果.同时应用该模型从孔隙尺度模拟了多孔介质中的相变现象,验证了该模型模拟复杂相变问题的可行性.     

零质量射流激励下诱发液体相变及其格子Boltzmann方法模拟

使用格子Boltzmann方法对零质量射流激励下液体的相变演化过程进行了数值模拟和分析.首先,提出了此特定零质量射流进出口边界的处理格式.然后,结合Shan和Doolen提出的单组分多相模型,模拟了方腔内液体受到此零质量射流激励而诱发产生空化的过程,着重分析了三个重要射流参数ε/T,T和v out/v in对方腔内液体相变的影响.分析表明:演化过程中方腔内气相节点数量在初始阶段急剧增长,然后经振荡趋于一个稳定值.由于ε/T和v out/v in可以反映射流在出入方腔两个过程间相互转换时的急剧变化,所以能够影响方腔中的液体相变的演化;而改变参数T并不影响射流速度的变化程度,所以T对液体相变的影响较弱.对于本文给定的参数取值,ε/T较小时,方腔内液体相变生成的孤立气泡脱离壁面;较大的ε/T下产生附着于方腔壁面的气泡,并且能够加速液体的相变进程;v out/v in的增加使方腔内相应的孤立气泡所覆盖的范围略有减小.研究结果揭示了零质量射流激励诱发的液体相变过程,为进一步探索液体空化的控制途径奠定了基础.     

冷凝过程中浸润性对液滴行为影响的模拟研究

冷凝过程中,对单个液滴的运动行为进行分析具有重要的意义,因为冷凝面上整体传热量的计算是以单个液滴的形态及动力学行为为基础的。在众多单液滴动力学行为的影响因素中,壁面浸润性占有一定主导作用,但是目前对单个液滴的分析还是基于一定假设条件下的理论分析。针对此问题,本文基于格子Boltzmann方法,并采用多松弛碰撞模型,开展了浸润性对单个液滴动力学行为影响的数值模拟研究。对液滴动力学行为的研究表明,亲疏水表面具有不同的液滴脱离形态,且在液滴的不同生长阶段,发生冷凝的位置也不同。对液滴脱离直径的分析表明,在亲水表面上,理论预测值要大于模拟计算值,而在疏水表面上二者吻合较好。     

基于格子Boltzmann方法的二维气泡群熟化过程模拟

Ostwald熟化(ripening)是指局部热力学平衡状态下,颗粒/液滴/气泡系统为了减小界面能而自发地进行颗粒群尺度分布调整的过程,具有重要研究价值.针对目前数值模拟研究不充分的现状,本文采用格子Boltzmann方法,对相变速率主控的二维蒸气泡系统演化开展了数值模拟研究.模拟结果与本文推导的二维气泡群演化标度律符合较好,证实了格子Boltzmann方法对复杂相变-物质输运过程捕捉的准确性.研究同时表明,蒸气泡系统演化过程中物质输运为液相压力不平衡所驱动,并且在小气泡“溃灭”过程中水动力学作用会影响气泡群半径分布函数的局部细节;气-液状态方程参数对熟化过程的影响效果分析显示,气液两相比内能差是驱动相变的核心要素,此差异越大相变速率越快,该结论进一步诠释了化学势驱动熟化过程的物理图像.     

气泡成核过程的格子Boltzmann方法模拟

利用精确差分格子Boltzmann模型探讨水在特定温度下的亚稳态及不稳定平衡态, 获得等温相变过程中形成气泡和液滴的条件, 模型预测结果与理论解符合良好. 在该等温模型的基础上耦合能量方程, 通过调节流体-壁面相互作用力获得不同的气泡与固壁间接触角, 从而建立了一种新的描述气液相变的格子Boltzmann理论模型. 利用该新模型模拟不同流体-壁面相互作用力下凹坑气泡成核过程, 再现了气泡成核过程中的三阶段特性; 探讨了接触角、曲率半径及气泡体积随气泡成核过程的变化关系, 获得了与文献结果定性符合的曲率-气泡体积关系曲线. 关键词： 格子Boltzmann方法 气泡成核过程 气液相变 接触角     

超燃冲压发动机等截面隔离段中流动的LBM模拟

采用耦合的双分布函数格子Boltzmann方法模拟超燃冲压发动机中隔离段的流动.计算结果反映了隔离段内流场的基本结构,表明LBM在隔离段的模拟中是-种具有潜力的数值计算方法.     

方腔内电场强化固液相变传热

采用格子Boltzmann方法对方腔内介电相变材料的熔化过程进行数值模拟与分析,系统研究了电场力和浮升力耦合作用下固液相变传热过程的流体流动、电荷输运以及传热等基本特征,重点分析了电瑞利数T、斯蒂芬数Ste、离子迁移率M和普朗特数Pr等多个无量纲参数对固液相变传热过程的影响.研究表明,与浮升力驱动下的固液相变情况相比,...     

双扩散自然对流的格子Boltzmann模拟

建立了一个模拟双扩散自然对流系统的格子Boltzmann模型,用此模型对受温度和浓度梯度驱动的方腔流动进行了模拟,研究了浓度Rayleigh数对传热传质的影响,并与其它文献的结果进行了比较.     

基于LBM的多孔陶瓷有效热导率和相变传热分析

多孔氮化铝陶瓷具有高导热、耐熔盐腐蚀等优点在相变材料封装方面具有较大应用前景。本文采用微米计算机断层扫描(CT)得多孔氮化铝的灰度图像,并精准重构三维孔隙结构。并采用四参数随机生长、堆积颗粒、维诺结构等数值方法建立结构模型。基于介观尺度的格子玻尔兹曼方法 (LBM),计算了多孔陶瓷的有效热导率,结果表明维诺结构与CT真实重构的热导率接近。采用三维焓法LBM模拟了多孔骨架内的相变传热过程,获得了孔隙尺度对流相变的传热机理,并分析了不同孔隙率时的储热密度和复合材料的有效热导率。基于CT扫描和LBM的相变传热模拟有助于快速分析骨架的热特性,为多孔骨架的设计提供理论基础。     

底部局部加热多孔介质自然对流传热的格子Boltzmann模拟

运用格子Boltzmann方法研究了底部局部加热多孔介质方腔的自然对流传热.方腔的上壁面为低温热源,下壁面为局部高温热源,左右壁面为绝热条件.重点分析了高温热源位置a及尺寸b对多孔介质方腔自然对流传热性能的影响,提出了平均Nusselt数Nu和位置a及尺寸b的拟合关系式.研究结果表明:高温热源位置及尺寸对多孔介质方腔内自然对流传热性质的影响很大,且存在最佳高温热源位置(a=4/16)和尺寸(b=0.75),以达到最强的对流换热强度(Nu_(max)≈10.35)和最大的对流换热量(Q_(max)≈5.69).     

过热液体中蒸汽泡上升过程的格子Boltzmann三维数值模拟

应用格子Boltzmann相变模型,在三维空间研究蒸汽泡在过热液体中生长、上升和变形等动力学行为.为研究传热传质对蒸汽泡运动的影响,对比模拟相同条件下气泡在等温环境中上升的物理过程.结果表明：蒸汽泡在过热液体中上升发生的变形程度较小,意味着相变对蒸汽泡的影响和表面张力一样使汽泡保持初始的形状.蒸汽泡在过热液体中的上升速度较小,说明随着汽泡生长拖拽力的影响比浮力大.蒸汽泡生长率在初始阶段达到最大值,随后会趋于一个恒定的值.随着汽泡体积增大和上升速度的增加,其对流场的扰动也越来越剧烈.蒸汽泡生长和上升引起的对流运动对温度场的演化造成很大的影响.     

基于焓法的固-液相变格子Boltzmann模型

潜热储能系统中的相变材料固液相变问题是一个重要的多相流动问题.本文研究了在具有不同类型源项下的焓法格子Boltzmann相变模型在还原温度场分布上的特性.为了消除外力项对温度场的额外影响,本文对源项进行了修正,并通过求解单区域相变问题和自然对流相变问题,验证了由Chapman-Enskog展开得到的焓守恒方程中源项的影响.结果 表明,在单区域相变问题中,改进模型的温度分布更加准确.另外,在有相变的自然对流问题中,没有潜热附加项的改进模型的熔化过程比其他模型略慢,同一时刻的最大液相率与最小液相率之差小于0.01.