摆动行波的时空结构

基于流体力学方程组,对长高比Γ=30腔体内混合流体对流中摆动行波的时空结构进行了数值模拟。结果发现:当分离比Ψ=-0.6,-0.4时,在摆动行波存在的下临界附近,摆动行波的对流滚动有消失也有产生,对流平均波数在周期内变化;在摆动行波存在的上临界附近,摆动行波的对流滚动既无消失也无产生,对流平均波数保持为常数。随着相对瑞利数r的增加,对流滚动的摆动幅度和摆动周期明显减小。当分离比Ψ=-0.6时,摆动行波是准周期的;当分离比Ψ=-0.4时,摆动行波是周期的;当分离比Ψ=-0.2时,在摆动行波存在的下临界附近,观察到了一种沿着行波的对称轴线两侧发生对称的摆动行波的新型对流结构。在摆动行波存在的上临界附近,摆动行波是无周期的。随着分离比负值减小,摆动行波存在的上、下限下移,摆动行波存在的稳定区间Δr减小。     

侧向局部加热腔体内对流时空结构的研究

通过二维流体力学基本方程组的数值模拟,研究了普朗特数Pr=6.949时侧向局部加热腔体内水平温差驱动的自然对流。仔细观察腔体内水平流的入侵过程,发现在冷热流体交接面的上下部位同时出现了冷入侵流和热入侵流,并且在交汇处有破碎扰动波出现。揭示了周期性双局部对流结构,并发现在右壁面温度高于左壁面温度区域顶部有对流卷生成,对流卷随时间沿侧壁面向腔体下部移动,最后消失,同时又有新对流卷在该区域顶部生成,这种现象重复循环着。结果表明:在右壁面温度高于左壁面温度区域,热边界层厚度(θδ)随腔体高度增加而增大;在右壁面温度等于左壁面温度区域,θδ值随腔体高度增加而减小;并且格拉晓夫数(Gr)越大,θδ值越小。     

三种不同对流结构的行波斑图

利用二维数值分析,探讨了长高比Γ=20、分离比ψ=-0.4的三种行波对流斑图。结果表明:在r?(1.67,2.0]范围内出现了具有两个间歇性缺陷的行波斑图,第一缺陷和第二缺陷发生的位置固定;第一缺陷的出现周期随着相对瑞利数r的增加而增加。当相对瑞利数r较小时,第二缺陷的出现周期不确定;当相对瑞利数r较大时,第二缺陷的出现周期随着相对瑞利数r的增加而增加。在r?(2.0,2.59]范围内出现了具有一个间歇性缺陷的行波斑图,缺陷发生的位置不固定;缺陷的出现周期随着相对瑞利数r的增加而增加。在r?(2.59,4.6]范围内出现无缺陷的行波斑图,这说明随着相对瑞利数r的增加,行波对流结构变得简单化;同时发现不同的行波对流结构有不同的对流振幅变化过程。     

混合流体局部行波对流斑图选择的初值依赖性

利用Simple算法对流体力学基本方程组进行了数值模拟,初步研究了局部行波对流斑图选择的初值依赖性问题。分离比ψ-(28)6.0、相对瑞利数r(28)2.1时依赖于初值的有间歇性缺陷的行波,位于腔体右端的局部行波和位于腔体左端的局部行波的多重稳定性;分离比ψ(28)-0.6、相对瑞利数r在1.855~2.118范围内依赖于初值的位于腔体右端的局部行波和位于腔体左端的局部行波的多重稳定性等。虽然在不同初值下,局部行波存在的区间有所不同,局部行波的空间位置有所不同,但局部行波的特性参数变化规律基本一致。结果说明混合流体局部行波对流斑图选择的初值依赖性是存在的。     

瑞利数对行波对流缺陷特性的影响

通过流体力学方程的数值模拟,研究了瑞利数对分离比ψ=-0.6的混合流体行波对流缺陷结构的影响。结果表明:对于给定的相对瑞利数r,缺陷的出现是间歇性的,缺陷出现的位置固定,缺陷出现的周期保持为常数;对于不同的r,缺陷形成时滚动的分裂是不对称的,可以在原滚动的上方也可以在原滚动的下方形成一个新的滚动,从而形成缺陷,缺陷出现的位置基本稳定在腔体的中部,缺陷出现周期随着r的增加而增加;在具有缺陷的行波存在的下限附近,缺陷出现周期减小得较快;在具有缺陷的行波存在的上限附近,缺陷出现周期增加得较快。有缺陷和无缺陷的行波的对流垂直流速最大值δwmax都随着时间在周期变化,但规律是不同的。具有缺陷的行波中,垂直流速最大值δwmax的周期代表缺陷出现的周期;在无缺陷的行波中,垂直流速最大值δwmax的周期代表行波的周期。     

极小长高比腔体内混合流体Undulation行波对流

通过二维流体力学基本方程组模拟了具有较强Soret效应(分离比ψ=-0.47)的混合流体在极小长高比(Γ=4)腔体内的Rayleigh-Benard对流运动.研究了极小长高比行波对流的动力学特性,得到了稳定的Undulation行波存在的r值范围,给出了稳定后的Undulation行波摆动周期Tp的变化规律,分析了极小长高比行波对流的r依赖性及稳定性.首次发现极小长高比Γ=4时,与长高比Γ=12和Γ=8时相比,在腔体两端的滚动生成和消失的现象不再出现.讨论了长高比对Undulation行波向行波过渡的影响.     

侧向局部加热对流斑图的演化

通过二维流体力学方程组的数值模拟,探讨了普朗特数Pr(28)703.0时高宽比A(28)10矩形腔体内侧向局部加热自然对流在初始小扰动下的成长情况和格拉晓夫数(Gr)对对流的影响规律.研究表明,流速场线性成长阶段扰动的成长率mγ是格拉晓夫数的函数,并给出了成长率随着格拉晓夫数的变化关系式.随着Gr数的增加,对流斑图按定常流—周期—准周期变化,在周期性阶段观察到了2种新的对流斑图,即相位错位对流斑图和同相位对流斑图.最后,探讨了腔体尺寸(d)对对流振幅和热壁面传热能力的影响.     

底部周期加热的局部对流斑图

运用Simple算法对二维流体力学基本方程组进行了数值模拟,探讨了普朗特数(Pr)为0.0272时矩形腔体底部周期加热对对流时空斑图的影响。当水平流动雷诺数(Re)为0时,发现了由正弦波周期加热引起的稳定的局部定常对流。当Re≠0时,由于正弦波周期加热与水平流动相互作用,获得了由正弦波周期加热和水平流动引起的局部行波对流。进一步比较和讨论了底部正弦波周期加热局部对流和混合流体Rayleigh-Benard局部对流的时空斑图,发现它们存在不同的机理。     

格拉晓夫数Gr对侧向局部加热腔体内对流结构的影响

通过二维流体力学基本方程组数值模拟,研究了Pr=6.949时侧向局部加热腔体内不同格拉晓夫数Gr对对流结构的影响.发现随着格拉晓夫数Gr增加出现以下四种情况:准定常流→单局部周期滚动→双局部周期滚动→定常流.还分析了周期对流阶段的对流特性.随着格拉晓夫数Gr增大,对流卷随时间移动的周期减小.随Gr增大,在0≤≤Y 5.2和0.5≤≤Y 5.7范围内对流卷逐渐消失,在5.2≤≤Y5和5.7≤≤Y10范围内对流卷由单对流卷变为多对流卷.     

对流-扩散相互作用结构的不变性

本文提出并证明了不可压缩剪切层流中对流-扩散相互作用结构不变性诸定理:即二难剪切层流与其线性化及非线性扰动存在同一的对流-扩散相互作用结构,且物理尺度(指时间、空间和速度尺度)相同。给出十个推论,例如:对流-扩散相互作用可在剪切层流及其扰动场内“激发“快时间尺度和小空间尺度结构,线性化稳定性原理的约定对剪切流体系统成立等。应用题例导出计及时间-空间尺度效应和非平行流效应的广义Orr-Sommerfeld(GOS)方程,证实它有两个粘性解:阻尼层解和干扰层解;经典OS方程及其两个粘性解:边界层解和Heisenberg临界层解,Triple-deck稳定性理论基本方程及其两个粘性解,均是本文GOS方程及其两个粘性解的特例。     

双流体Rayleigh—Benard对流中的局部行波

Rayleigh-Benard对流是研究非平衡对流的斑图（Pattem）及非线性动力学特性的典型模型之一。据此，通过流体力学基本方程组的数值模拟，探讨了分离比沙-0．4时双流体局部行波的形成过程；讨论了双流体局部行波流速场、温度场、浓度场、平均浓度流的结构和特性，分析了局部行波被局部化的原因。研究结果表明：局部行波始终在背离端壁方向传播并被限定在此端，它存在于腔体左端还是右端取决于经过过渡后对传波中最终控制腔体的一支行波的传播方向；在局部行波的存在范围内（1．519≤r≤1．604），随相对瑞利数增加，衡量对流振幅的最大垂直流速、特征通过流体层的垂直热流量的努塞尔数、局部行波宽度等都在增加，但反映浓度特性的混合参数减小。     

有水平流时双流体混合物对流的时空演变

在水平流动作用下混合流体(比如水和酒精)的Rayleigh-Benard对流,由于外部强制力和内在行波传播的耦合,构成了研究开流系统中斑图选择和非线性耗散波的理想模型系统,本文介绍对该系统初步的研究成果.首先简述了线性稳定性分析以及水平流对行波非线性分岔特性的影响,然后主要给出我们对这一系统在有限空间非周期边界条件下一维行波对流的研究成果,包括存在的时空形态及其特性对Rayleigh数和槽道长度的依赖关系,最后给出了进一步工作的展望.      

双扩散对流中台阶结构的实验研究

线性层结的盐水系统在底部加热和顶部冷却时,会产生明显的温盐台阶结构,这是双扩散对流现象. 温盐台阶由界面和混合层组成. 温度垂向廓线的变化可以反映台阶的生成与合并. 根据盐水系统上下边界之间温差的变化,系统演化过程分为两个阶段. 在温差增加阶段,主要发现在已有台阶顶部生成新台阶,而最下层台阶与其上层台阶发生合并过程. 在此阶段,由于台阶的生成速率大于合并速率,系统内台阶越来越多. 在温差减小阶段,系统仅存在台阶的合并过程,因此台阶数目越来越少. 最后,系统内仅存在一个大尺度环流. 同时,发现台阶的生成与合并过程虽然发生在局部区域,但会影响到系统的其他区域. 例如,由于最下层台阶的合并,系统下边界的温度梯度发生明显变化. 实验中,由于最下层台阶不断与其上层台阶合并,最下层台阶厚度比其他台阶厚度大,而其他台阶厚度变化不大. 最下层台阶厚度（h）随时间（τ）的变化满足h~τ0.7 的关系.      

具有大负分离比的混合流体局部行进波对流

从流体层底部加热引起的对流运动是研究非平衡对流的时空结构或斑图(Pattern)及非线性动力学特性的典型模型之一.本文通过流体力学基本方程组的数值模拟,探讨了具有强Soret效应的混合流体局部行进波的形成过程,发现当分离比ψ=-0.6时,在局部行进波的存在范围内,向局部行进波过渡的不同过程依赖于相对瑞利数r.进一步,讨论了具有强Soret效应的混合流体局部行进波流速场,温度场, 浓度场的结构和特性,分析了局部行进波的存在区间对分离比ψ的依赖性.发现随着Soret效应的增强或负分离比ψ的绝对值的增加,局部行进波稳定存在的区间Δr也在增加.     

考虑行波荷载影响的地下防护结构的动力分析

本文根据地下防护结构在平面压缩波作用下的受力特点,在考虑行波荷载影响的基础上,提出考虑结构介质相互作用的动力分析方法。主要是采用粘弹性体模型来描述介质对结构的作用;用一维波理论近似处理结构变形速度对动荷载特性的影响。同时,将结构视为有限自由度体系(由N根杆件组成的绞结机动链),利用虚位移原理建立t时刻的运动微分方程。引进线性加速度假设,以逐步积分法进行求解。文中还给出算例,程序设计框图。最后,对有关问题进行了初步讨论。     

船行波

船舶航行时,由船体对水的作用产生压力变化而形成的表面水波,称为船行波。因为在船的首部和尾部水流压力变化最大,所以在那里产生的波浪也最明显.由于产生波浪常需要能量,所以船行波越明显,船舶兴波阻力也往往越大。船舶兴波阻力的大小不仅和船速有关,而且还和船型有密切关系。随着航速的提高,兴波阻力占船舶总阻力的比例不断上升,高速舰船的兴波阻力可达到总阻力的50％以上。因此,如何应用消波的方法,减弱或消除船行波,从而减小兴波阻力以进一步提高航速,就成为一个很有现实意义的问题。     

局部结构导数及其应用

经典的导数建模方法刻画了特定物理量对时间或空间的变化率,较少直接考虑复杂系统介观时间-空间结构对其物理力学行为的重要影响.论文通过引入结构函数,提出了一种局部结构导数建模方法,以克服传统方法的不足.结构函数刻画了系统的时间-空间特征,实际上是一个时空变换,基于其上的结构导数能够描述复杂问题介观时空结构与特定物理量的因果关系,减少模型参数,降低计算成本.我们可通过问题的广义基本解或已知统计分布的概率密度函数,推导出其系统的结构函数.两类应用实例表明,基于对数结构函数的结构导数方法可以描述软物质中的特慢扩散现象,也可用来建立以Weibull分布的概率密度函数为结构函数的可靠性结构导数扩散方程.     

基于COMSOL的简化对流传热结构拓扑优化方法

提出了一种基于COMSOL平台的简化对流传热结构拓扑优化实现方法。简化对流传热拓扑优化可用于获得性能更优的散热结构概念设计,但缺乏可行性强和适用范围广的实现方法,导致工程应用存在较高的技术门槛。为解决该问题,本研究采用在经典传热方程中引入对流换热项的方式,建立了可用于COMSOL平台简化对流换热分析的控制方程。进一步的,结合COMSOL平台提供的传热分析模块以及拓扑优化模块,搭建了简化对流传热结构拓扑优化计算框架。数值算例考虑了经典二维和三维的简化对流传热结构优化设计问题。结果显示了本文方法的有效性及可行性。