利用欧拉-拉格朗日方法预测层流泡状流的含气率分布

利用欧拉-拉格朗日方法，提出了用于预测竖直管道内绝热层流泡状流中含气率分布的三维模型。该模型能够跟踪单独的气泡轨迹，从而获取更多的界面力信息；同时气泡尺寸可以作为参数之一引入模型，使含气率分布的计算更为方便。模型中分析了绝热层流泡状流中气泡的各项受力表达式，建立了两种描述方法下的气液两相间的耦合关系。利用现有实验数据对模型进行的检验表明，该模型能够预测一定尺寸范围内气泡的分布；气泡径向分布主要取决于气泡所受侧向提升力。对于更大尺寸的气泡，气泡变形和气泡尾迹与当地流场间相互作用将对侧向提升力产生很大影响。     

考虑甲烷溶解效应的液膜密封稳态性能研究

针对油气混输工况密封腔内含气率变化所引起的液膜承载力不稳定问题,考虑密封腔内油气两相介质的互溶性特征,将溶解度方程引入包含Jakobsson–Floberg–Olsson (JFO)边界条件的广义稳态Reynolds方程,建立了考虑甲烷溶解效应的液膜密封润滑模型.采用有限差分法求解该溶解润滑模型,研究了液膜压力、甲烷溶解度及油相黏度之间的相互影响机制.在不同的螺旋槽结构参数与工况条件下,对比分析了甲烷溶解效应对液膜密封机理及密封性能的影响.结果表明：甲烷溶解效应在液膜高压区对油相黏度影响大;考虑甲烷溶解时所得的液膜开启力减小、空化率增大、摩擦系数增大以及泄漏量减小,且液膜动压效应越强时甲烷溶解效应对密封性能的影响越大.在高压及输送油气介质时,气体溶解对密封性能的影响不可忽略.     

欧拉描述的大变形固结理论

以往大变形固结理论主要基于一般的固体力学模型,其控制方程忽视了固结过程中排水引起 的质量变化. 提出饱和土的连续介质模型,并基于连续介质力学的公理体系推导了反映质量 变化的欧拉描述的大变形固结控制方程. 发现传统固结理论中：(1)忽视了渗流速度对土体平衡条件的影响;(2)决定土体平衡的总应力张量只有在土体变形速度和渗流速度方向相同时才具有对称性等. 在忽略变质量效应等条件下,传统理论成为本文理论的特例. 通过算例 的有限元分析,比较了欧拉描述与两种物质描述方法的差别,得到初步结论：(1)欧拉描述 方法计算的地基沉降量要小于物质描述方法的结果;(2)欧拉描述方法计算的侧向位移偏大 于两种物质描述结果.     

鼓泡流化床中流动特性的多尺度数值模拟

鼓泡流化床因其较高的传热特性以及较好的相间接触已经被广泛应用于工业生产中,而对鼓泡流态化气固流动特性的充分认知是鼓泡流化床设计的关键.在鼓泡流化床中,气泡相和乳化相的同时存在使得床中呈现非均匀流动结构,而这种非均匀结构给鼓泡流化床的数值模拟造成了很大的误差.基于此,以气泡作为介尺度结构,建立了多尺度曳力消耗能量最小的稳定性条件,构建了适用于鼓泡流化床的多尺度气固相间曳力模型.结合双流体模型,对A类和B类颗粒的鼓泡流化床中气固流动特性进行了模拟研究,分析了气泡速度、气泡直径等参数的变化规律.研究表明,与传统的曳力模型相比,考虑气泡影响的多尺度气固相间曳力模型给出的曳力系数与颗粒浓度的关系是一条分布带,建立了控制体内曳力系数与局部结构参数之间的关系.通过模拟得到的颗粒浓度和速度与实验的比较可以发现,考虑气泡影响的多尺度曳力模型可以更好地再现实验结果.通过A类和B类颗粒的鼓泡床模拟研究发现,A类颗粒的鼓泡床模拟受多尺度曳力模型的影响更为显著.      

垂直上升圆管内等温泡状流的数值模拟

介绍了描述等温状态下垂直气泡流流动的总体平衡方法(population balanceapproach). 将平均气泡数密度控制方程引入到双流体模型中实现总体平衡. 介绍了描述气泡聚并与破裂机制的Yao和Morel理论模型以及Hibiki等人的实验方法. 利用商业计算流体力学软件ANSYSCFX10, 对圆管特定位置上的5个基本变量:气含率、气泡平均直径、相间表面积浓度以及气体和液体速度沿半径分布进行了模拟计算. 预测结果与实验数据的比较表明,预测结果和实测数据之间有很好的一致性.      

一种爆破片气液两相流临界泄放计算方法

针对爆破片气液两相流超压泄放难以确定的问题,应用分相模型和流体基本方程,在绝热等熵假设下引入滑速比理论,推导出气液两相流临界泄放量的计算模型。在环境压强为0.2MPa~0.6MPa情况下,计算得到:当含气率从0增加到0.1时,质量流量急剧下降;当含气率从0.1增加到0.96时,质量流量下降比较平缓;工况压力越大,质量流量越大。其中在含气率大于0.1时,计算结果与实验结果基本吻合;含气率小于0.1时,随着含气率趋近0,误差越来越大。含气率小于0.1时,通过与文献中Yoon模型、Fauske模型、实验结果进行比较,验证了绝热等熵模型仍然具有较高的准确性。最后将其与GB567-2012方法、等焓膨胀模型、均相计算模型比较,计算结果基本一致,验证了模型实际应用的准确性。     

通气空泡尾部气泡流仿真和特性分析

基于欧拉-欧拉双流体模型对通气空泡尾部气泡流进行数值仿真, 并采用基于多尺寸分组模型的总体平衡方法预估气泡尺寸分布. 应用改进后湍流耗散系数计算模型, 考虑了气泡体积含量对在湍流作用下气泡扩散现象的影响. 基于上述模型对两种试验工况下流场进行了数值仿真.结果表明模型对空泡尾部回流区特性进行了准确预示, 在回流区高湍流度作用下气泡迅速破碎成小气泡. 并进一步得到试验体尾流区空泡体积分数和速度分布. 尾流区水流速度分布保持了流体经过非流线型对称体时产生的尾流分布规律. 仿真结果与试验数据相一致, 模型适用性得到验证.      

两种颗粒湍流扩散模型数值模拟气液两相流泄漏扩散的比较

采用相间耦合的欧拉-拉格朗日方法，模拟了装有液化气（丙烷）的容器出现小孔或裂缝时，发生泄漏后的气液两相扩散过程。分别应用随机轨道模型及颗粒群模型来考察湍流对液滴扩散的影响，并与确定性轨道进行了比较。给出了数学物理模型，计算结果与实验数据进行了对比。结果表明:采用随机轨道模型能较好地描述液滴的湍流扩散，适用于有液相蒸发的两相流扩散问题。     

虚拟质量力对酸性气体-钻井液两相流波速的影响

基于两流体模型、酸性气体和钻井液状态方程,考虑酸性气体与钻井液相间虚拟质量力、粘性剪切力、相间动量交换及狭义相间阻力等条件,建立酸性气体与钻井液两相中压力波传播速度的数学模型,依据小扰动原理,对波速模型求解,得到关于波数K的波速方程。结果表明,在一定范围内,随空隙率、频率的增大,虚拟质量力对波速的影响显著增强;在高空隙率下,压强增大,虚拟质量力对波速的影响减弱;增大流体的密度或不可压缩性,均可使两相压力波速增大;延长气液交换时间或减小波动频率使相间有足够时间进行动量交换,两相压力波波速随之减小。     

近场水下爆炸气泡与双层破口结构的相互作用

针对双层结构在水中受到水下爆炸冲击这一问题,利用欧拉有限元数值模型对近场水下爆炸气泡与双层破口结构的相互作用机理进行了研究,分析了舱室涌流及流场演化等规律。首先,通过放电实验对数值模型进行了验证,结果表明,数值结果和实验结果吻合较好;然后,总结了不同破口尺寸、不同起爆位置和不同壳间水位条件下的耦合作用规律。在内部空气、流体惯性以及破口的联合作用下,气泡演化过程中会出现气泡分割现象。当内层破口尺寸系数小于0.5时,内舱室内会出现二次涌流现象,且涌流形态较细长;炸药起爆位置系数小于0.1时,自由液面处会出现破碎和重闭合现象;壳内水位对舱室涌流量的影响作用较为复杂,当水位满舱时,急速涌流会减少船艇的应急时间。     

绕水翼空化流动多尺度数值研究

空化的多尺度效应是一种涉及连续介质尺度、微尺度空化泡以及不同尺度间相互转化的复杂水动力学现象, 跨尺度模型的构建是解析该多尺度现象的关键. 本文基于欧拉-拉格朗日联合算法, 通过界面捕捉法求解欧拉体系下大尺度空穴演化, 通过拉格朗日体系下离散空泡模型求解亚网格尺度离散空泡的运动及生长溃灭. 同时, 通过判断空泡与网格尺度间的关系判定不同尺度空化泡的求解模型. 基于建立的多尺度算法对绕NACA66水翼空化流动进行模拟, 将数值结果与实验进行对比, 验证了数值计算方法的准确性. 研究结果表明, 离散空泡数量与空化发展阶段密切相关, 在附着型片状空穴生长阶段, 离散空泡数量波动较小, 离散空泡主要分布在气液交界面位置; 在回射流发展阶段, 离散空泡逐渐增加并分布在回射流扰动区; 在云状空穴溃灭阶段, 离散空泡数量增多且主要分布在气液掺混剧烈的空化云团溃灭区. 在各空化发展阶段, 离散空泡直径概率密度函数均符合伽玛分布. 空化湍流流场特性对拉格朗日空泡空间分布具有重要影响, 离散空泡主要分布在强湍脉动区、旋涡及回射流发展区域.      

高压气体驱动二级轻气炮发射过程的数值模拟方法及应用

二级轻气炮是一种常见的超高速发射装置,多年来其数值研究大多采用简化一维模型,鲜有三维有限元模型。以14 mm口径高压气体驱动二级轻气炮为研究对象,采用耦合欧拉-拉格朗日（coupled Eulerian-Lagrangian, CEL）算法,根据膜片破裂与否,将二级轻气炮模型解耦为2个分级三维数值模型。为确定实验难以测得的参数（材料摩擦因数和膜片破膜压力）,设计正交试验,拟合确定活塞与泵管间摩擦因数为0.82,弹丸与发射管摩擦因数为0.30和膜片破膜压力为11.73 MPa。正交结果表明,摩擦因数对计算结果影响较大,在高压气体驱动二级轻气炮的计算中不应忽略。通过上述方法建立数字化高压气体驱动二级轻气炮,完整复现气炮发射过程,计算的弹丸终速与实验结果吻合度高。选取验证工况详细分析了气炮发射过程内流场变化,并呈现关键时刻的压力云图。该气炮简化方法、分级思想和关键参数确认方法可推广应用于固体发射药驱动、爆轰驱动等其他驱动形式的二级/多级轻气炮。     

搅拌槽内气液流动大涡数值模拟研究

为优化搅拌槽体型设计、提高搅拌效率,分别利用气液两相大涡模型和标准k-ε紊流模型,结合多参考系法,对搅拌槽内的气液混合过程进行了模拟计算;控制方程的离散使用了有限体积法;速度与压力耦合求解时使用了压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法;模拟自由水面采用了VOF(Volume of Fluid)法;通过计算得到了搅拌槽在相同通气率、不同转轮转速下的气液流动速度场以及不同截面含气率的分布规律。比较两种模型,模拟结果表明:叶片旋转区域紊流的各向异性随着转速的增加而明显加强;基于各向同性假设的标准k-ε紊流模型不能描述流体流速的波动变化,而大涡模拟能够捕捉叶片附近区域流场的分布规律;在通气率一定的情况下,转轮转速的大小对下叶轮附近区域的含气率影响较小,而对上叶轮附近区域含气率的影响较大。     

混凝土动态冲击问题的一种欧拉数值方法

针对混凝土的动态冲击问题给出了混凝土的Holmquist Johnson Cook本构关系 ,本构关系中的等效强度作为压力、应变率和损伤的函数 ;压力表示为体积应变的函数 ,并考虑了永久破碎的效应 ;积累损伤作为等效塑性应变、塑性体积应变和压力的函数。结合三维弹塑性流体力学欧拉数值方法 ,提出了混凝土的Holmquist Johnson Cook本构关系与欧拉程序相结合的计算方法。介绍了带混凝土Holmquist Johnson Cook本构关系的三维弹塑性流体力学欧拉程序。     

节水水嘴起泡器气液两相流数值模拟

为了研究节水水嘴起泡器内部两相流的流动规律,采用Fluent软件对其内部流场进行数值模拟.根据起泡器内部流场的流动特性,采用欧拉两相流模型以及RNG(re—normalization group)κ-ε湍流模型,分析起泡器出口截面气液两相体积分数和速度的分布特点.结果表明:增大入口水流速度可以加快分散出口截面气液两相的分布,缩短流体流动的稳定时间;整流网具有分散流体,降低流速的作用;错开整流网相邻层之间的网格可以改善出口截面的液相分布;本模型中整流网采用三层网格达到较好的出水效果.     

群体布局下建筑风驱雨量分布的数值分析研究

基于欧拉-欧拉多相流模型,以雨滴谱及雨滴降落末速度确定雨滴体积分数并构成雨相组分边界;采用Realizable k-ε湍流模型封闭求解N-S方程的新型WDR数值方法,模拟研究了单体多层、高层建筑及群体布局建筑的迎风面雨量分布特性。分析结果表明:单体建筑WDR抓取率分布呈由下至上、由中间向两侧增加的规律,整体WDR抓取率随风速和雨强的增大而呈增大趋势;群体布局时,前排建筑迎风面WDR抓取率分布仍类似于单体,随间距减小而减小;后排建筑在迎风面顶端两侧仍出现较大抓取率,其值随前后间距(顺风向)减小而大致减小,随左右间距(横风向)减小而大致增大;后排建筑迎风面与前排建筑等高的两侧区域,WDR抓取率出现突增,其值随前后间距减小而增大,随左右间距减小而先增大后减小;交错布局时,后排建筑迎风面顶端拐角区域的WDR抓取率较单体增加显著。模拟分析获得的建筑迎风面雨量分布规律及布局干扰特性可为相关领域的研究与设计提供指导。     

一种考虑虚拟质量力的井筒气液两相压力波色散经验模型

考虑虚拟质量力、管道特性、频率、空隙率等因素,建立气液双流体压力波速模型,结合小扰动理论,提出了一种新的考虑虚拟质量力的两相压力波色散经验模型,与前人气液两相流（12.5%空隙率）中波色散实验测试数据对比是一致的,且经验公式也可达到准确求解压力衰减系数的目的．对控压钻井两相压力波进行计算,结果表明：(1)随系统压力的增大,压力波衰减系数呈现减小趋势,随节流阀动作频率增大、温度增大,压力波衰减系数呈现增大趋势;(2)随空隙率增大,压力衰减呈现先增大后减小趋势,空隙率在8%≤φ≤40%区间,两相压力衰减系数存在最大峰值,当压力为0.2 MPa时,空隙率在19.5%时达到峰值2.78 dB/m;(3)在低频下,波色散主要受相间机械及热力学平衡机制的制约,波色散现象明显;在高频下,相间来不及进行动量及能量交换,气液状态达不到有序的状态,因而波色散现象不明显;(4)不考虑虚拟质量力,两相压力衰减系数呈现增大趋势,波色散现象显著性下降．     

水平管气液两相间歇流含气率研究

对大直径水平管内气液二相流动进行了实验，实验结果表明大直径水平管与小直径水平管具有不同的气液二相流动特征。分析和提出了适用于大直径水平管内间歇流液弹含气率模型，其计算值与实验值非常接近。     

无单元法求解欧拉梁及梁系的自由振动问题

双变量无单元法以广义移动最小二乘法为理论基础,同时考虑挠度和转角双变量.采用双变量无单元法建立了欧拉粱的质量矩阵和刚度矩阵,并进行自由振动的计算.不同边界条件欧拉梁动力特性的算例表明:双变量无单元法比与只考虑挠度的单变量无单元法具有更高的插值精度,并能在高阶振型计算中获得明显优于有限元的计算精度.通过试算法对影响半径中的scale乘子进行了讨论,认为在动力计算中Scale取3.5较合理.最后在欧拉粱的基础上,将无单元法应用于梁系模型的自由振动计算,显示了该法在复杂模型中的精确性.     

聚能装药的欧拉数值模拟

用二维有限差分欧拉程序MEPH2Y模拟了聚能装药的作用过程,包括爆轰波的形成、传播及与其他介质的相互作用,高温高压下射流（或射弹）的形成、延展、减压、断裂,射流（或射弹）对靶的侵彻及靶的成坑和动态响应等过程。介绍了程序所用的数学模型、数值方法,以及模拟的部分问题与实验结果的比较。结果表明,数值模拟结果与实验结果符合较好。