循环呼吸模式口喉模型内气流运动特性数值模拟

应用计算流体动力学方法对人体在循环呼吸模式下口喉模型内的气流运动特性进行数值模拟,分析了循环呼吸模式下口喉模型内的气流组织形式以及气流运动对呼吸道壁面以及气溶胶运动沉积的影响. 吸气阶段,在咽部外壁和声门下游气管上部外壁气流发生分离,形成分离区. 呼气阶段,分别在咽部外壁和喉部外壁形成高速区. 循环呼吸模式下,咽部、喉部与气管内的高轴向速度区和二次涡流运动均是在呼吸过程中间歇性的产生,形成的高剪应力区也是间歇性的. 壁面受到的剪应力周期性地改变方向,引起壁面劳损和组织损伤的可能性增大,同时在这些部位容易造成气溶胶的沉积.      

人体上呼吸道内气流运动特性的数值模拟分析

运用计算流体动力学(CFD)方法对人体上呼吸道内的气流运动特性进行了数值模拟,通过PIV实验对数值模拟结果进行了验证。研究结果表明:气流在咽部外壁、气管外壁发生分离现象,气流在气管内壁形成局部高速区,支气管内的气流在分叉处发生分离,靠近支气管内壁速度较高,并且在支气管边界层的外缘速度达到最大值。气管和支气管内的二次涡流运动和轴向速度的分布使得气管支气管内壁受到的剪应力较大,内壁粘膜更容易受到损伤。     

流固耦合作用下真实人体上呼吸道呼吸流涡结构演化的数值仿真

通过构建真实人体上呼吸道三维规范模型,运用大涡模拟数值方法,对考虑流固耦合作用的低强度循环呼吸模式下人体上呼吸道内的呼吸流进行了数值仿真,研究分析了人体口喉模型及气管支气管内的气流涡结构及其演化过程。结果表明,循环吸气过程中,气流在口腔中部以及舌苔上部形成多个涡管,在声门部位形成强烈的射流,在气管前壁出现马蹄涡,到气管中部大尺度涡结构逐步消失,支气管中只剩下一系列小尺度涡结构;循环呼气过程中,气流在气管底部产生较为复杂的涡结构,随着气流在气管内的融合,涡强度逐步减弱,在咽喉后壁形成拱状涡,气流进入口腔后,涡结构破裂,涡量扩散,没有较大的涡结构产生。     

颗粒物在人体上呼吸道模型中沉降规律的数值研究

本文采用RNG k-ε湍流模型对简化的上呼吸道内的流场进行数值仿真,并结合随机涡相互作用模型对上呼吸道内颗粒的局部运动沉积特性进行了数值模拟研究.结果表明,惯性冲击是微米级颗粒物主要的沉降机理,惯性参量能很好地衡量颗粒的沉降规律.口腔中流动较平稳,颗粒受扰动较小.颗粒由于惯性冲击而运动靠近咽部后部并易于沉积在咽部后壁面...     

用电化学方法测试动脉模型壁面剪应力

应用电化学方法,对动脉模型Ｔ型分叉部位流场壁面剪应力进行测试研究。测试了对于现有理论分析和数值计算都比较困难的高雷诺数（ＲＥ＝１０００－２０００）流动流场的壁面剪应力,并且对苦干不同雷诺数及不同支管分流情况进行了系列测试。通过实验发现,此部痊同时存在高剪应力区和低剪应力区,确定了它们的位置和剪应力的大上。系列测试还显示：随着雷诺数的变化,无量纲管应力有一定的变化;而当支管分流变化时,无量纲剪应力的     

肺腺泡内流动与可入肺颗粒物沉积特性的数值模拟

研究肺腺泡区的三维流动特性、颗粒物沉积对于理解肺部的物质输运过程及治疗呼吸系统疾病具有重要的意义。本文建立了肺腺泡区的三维对称几何模型,并通过引入动肺泡壁条件反映肺部节律收缩/扩张的动力学机制,在此基础上对非稳态呼吸时肺腺泡区的气流特性以及颗粒物沉积特性进行模拟。结果表明:随着位置逐渐下移至末端,肺泡内的流线形态从循环状向放射状变化,且流线形态在呼与吸的半周期内保持不变,颗粒物的沉积率也随肺泡的位置下移而增加。此外,通过与既有二维固定壁模型对比表明,三维模型以及动肺泡壁条件对肺部颗粒物沉积具有重要影响,不可忽略。本文对三维肺腺泡流场和颗粒物沉积的特性研究,将为肺部物质输运以及相关领域的深入研究提供可靠的理论依据。     

煤粉燃烧的灰渣沉积数值模型研究

对国内外20多年来灰渣模型研究的进展进行综述, 详细的探讨了灰渣形成、灰渣在燃烧场中的运动、灰渣在壁面的碰撞和粘附、灰渣层的成长和强度的变化、通过灰渣层的传热过程以及灰渣层的存在对燃烧工况的影响情况. 文章还指出, 在研究存在强烈相变的灰渣沉积情况时, 现有灰渣模型的假设过于简单. 作为补充, 文中建立了一种颗粒壁上燃烧模型, 给出了主要的计算思路, 用于液态排渣炉内灰渣沉积特性的数值研究.      

颈动脉分支的血流动力学数值模拟

采用有限元法数值模拟颈动脉分支的血流动力学。根据在体测量的实际尺寸来构造颈动脉分支的几何模型，以保持模型的解剖精确度；利用在体测量的颈内动脉和颈外动脉流量波形以及主颈动脉的压力波形来确定数值计算的边界条件，以保持数值计算的生理真实性。关注的重点是颈动脉窦内的局部血流形态、二次流和壁面剪应力。在心脏收缩的减速期和舒张期的某些时刻，颈动脉窦中部外侧壁面附近产生了流动分离，形成了一个低速回流区。该流动分离是瞬态的，导致了壁面剪应力的振荡，其振荡范围在-2～6dyn／cm^2之间。同时，颈动脉窦中部横截面内的二次流存在于整个心动周期，最大的二次流速度为同时刻轴向速度平均值的1／3左右。     

压力相关的壁面滑移在滑动间隙流体动压力产生中的作用

近年来,壁面滑移在纳米流变学、微流体力学、薄模润滑和微机电系统(MEMS)等领域越来越引起关注。以前大部分研究集中于表面初始极限剪应力对薄模润滑的壁面滑移和流体动力学的影响。本文通过一个极限剪切应力比例系数主要研究了与压力相关的壁面滑移滑动间隙流体动压力产生中的作用,发现极限剪切应力比例系数以相反的两种方式影响着流体膜的流体动力学:在高初始剪应力区使流体动力增加,但在低初始剪应力区使流体动力减小,这意味着就极限剪切应力比例系数影响流体动压力而言,存在一个初始极限剪切应力的转换点。但是在界面滑移存在时,较小的极限剪切应力比例系数总是产生较小的摩擦阻力。     

W型火焰锅炉炉内三维速度场数值模拟研究

W型火焰锅炉采用了煤粉浓缩、长火焰及分级送风等技术,有利于燃料的着火、火焰的稳定以及燃料的燃尽,在煤种适应性、低负荷稳燃能力、飞灰燃尽率等方面有很大的技术优势.本文通过数值模拟研究了W型火焰锅炉的三维速度场分布,得到了不同工况下炉内W型气流的流场图.通过比较数值结果和试验结果的流场图,结果表明:数值结果和试验结果基本吻合,W型火焰锅炉内的空气动力场取决于拱顶风与前后墙风的动量比,炉内气流形成两个明显的漩涡,延长了煤粉气流在下炉膛的停留时间,同时也增加了炉内气流充满度,有利于煤粉的完全燃烧.加大喉口风速,漩涡运动更加明显,在炉内形成γ型气流,煤粉气流在下炉膛的停留时间更长,炉内的一、二次风混合更加均匀.     

超燃冲压发动机燃烧流场及火焰稳定初步研究

采用壁面燃料喷射并结合凹槽设施作为火焰稳定器是超燃冲压发动机设计的理想方案,本文采用非定常数值模拟研究了带凹槽的超燃冲压发动机壁面横向喷射乙烯的火焰稳定过程。结果表明:在燃烧室入口马赫数2、静温530K、静压0.1MPa条件下,冷流流场达到稳定所需时间约为2ms;当凹槽内喷油当量比为0.1时,火焰稳定模式为燃料尾迹和凹槽共同形成的回流区稳定模式;当凹槽内喷油当量比为0.315时,火焰稳定模式完全处于凹槽回流区稳定模式;当凹槽前端壁面注油当量比为0.05时,火焰稳定模式为凹槽回流区稳焰模式;当凹槽前端壁面注油当量比为0.2时,火焰稳定模式为射流回流区和凹槽回流区稳焰模式。     

动脉局部狭窄时脉动流的有限元分析

本文利用有限元方法研究动脉局部狭窄下的脉动流流场,重点考查在50％与80％面积狭窄下的速度分布、压力分布、壁面剪应力分布及流动分离情况。几何形状及边界条件均模拟相应的脉动流实验模型。采用测得的随时间变化的速度分布作为入口端条件,并利用罚函数和逆风格式等计算技巧得出了光滑的与实验基本相符的速度、压力波形。本文讨论了不同狭窄下速度、压力、壁面剪应力的分布形态,给出了脉动流中狭窄处局部流动分离的间歇性变化规律,并结合实验与临床应用进行了讨论。     

窦部对称狭窄对颈动脉内流场影响的数值研究

以颈动脉分岔血管为例，采用数值方法研究了窦部环缩狭窄之后的流场分布情况，并和正 常血管情况下的流场分布进行了比较. 结果表明，采用环缩方式给颈动脉分岔血管施加对称 的狭窄改变了颈动脉窦内流场，特别是壁面剪应力的分布规律. 低剪应力区出现在狭窄段之 后的窦内，并且沿整个周向均匀分布. 根据低剪应力和动脉粥样硬化的关系，指出： 若人为地给颈动脉窦内施加对称狭窄，则脂质沉积将在狭窄下游的窦内沿周向轴对称 发展. 为了更真实地反映颈动脉窦内的狭窄，建议根据动脉血管中的实际狭窄情况，采用非 对称的狭窄分布模式.     

45钢柱壳爆炸膨胀断裂的SPH模拟分析

金属柱壳爆炸膨胀断裂存在拉伸、剪切及拉剪混合等多种断裂模式,目前其物理机制及影响因素还不清晰。本文中采用光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics, SPH）对45钢柱壳在JOB-9003及RHT-901不同装药条件下的外爆实验进行了数值模拟,探讨柱壳在不同装药条件下发生的剪切断裂、拉剪混合断裂模式及其演化过程,模拟结果与实验结果一致。SPH数值模拟结果表明:在爆炸加载阶段,随着冲击波在柱壳内、外壁间来回反射形成二次塑性区,沿柱壳壁厚等效塑性应变演化呈凸形分布,壁厚中部区域等效塑性应变较内、外壁大;在较高爆炸压力（JOB-9003）作用下,柱壳断裂发生在爆轰波加载阶段,损伤裂纹从塑性应变积累较大的壁厚中部开始沿剪切方向向内、外壁扩展,形成剪切型断裂模式;而在RHT-901空心炸药加载下,虽然裂纹仍从壁厚中部开始沿剪切方向扩展,但随后柱壳进入自由膨胀阶段,未断区域处于拉伸应力状态,柱壳局部发生结构失稳,形成类似“颈缩”现象,裂纹从剪切方向转向沿颈缩区向外扩展,呈现拉剪混合断裂模式。拉伸裂纹占截面的比例与柱壳结构失稳时刻相关。可见,柱壳断裂演化是一个爆炸冲击波与柱壳结构相互作用的过程,不能简单将其作为一系列膨胀拉伸环处理。     

利用格子Boltzmann方法模拟单个气泡在复杂流道内的运动特性

利用格子Boltzmann方法模拟了单个气泡在具有三个半圆形喉部的复杂流道内的上升过程.通过分析气泡运动过程中的形态、运动轨迹及运动速度的变化,研究复杂流道对气泡运动特性的影响.研究结果表明,在上升过程中,由于壁面的影响,气泡的形状发生严重的变形,运动轨迹也发生相应的偏转.通过实验结果的对比,验证了模拟结果的正确性.结果表明格子Boltzmann方法可以用于模拟具有复杂边界的两相流问题.     

中等严重程度冠状动脉病变模型的血流动力学参数分析

基于中等严重程度冠状动脉病变模型,应用流固耦合方法数值研究了中等严重程度面积狭窄率(AS=50%,65%,75%)和病变长度(LL= 0 mm,15 mm,20 mm) 对血流动力学参数的影响.研究发现:随着AS与LL的增大,病变血管分支的壁面剪应力变化愈加剧烈,狭窄段下游的壁面剪应力值逐渐降低,狭窄段下游回流区的长度呈"S"型增长,模型最大剪切速率呈抛物线型增长, 压力分布曲线显著下降.血流动力学参数结果表明, 中等严重程度面积狭窄率和病变长度均是可能引发血栓的因素,临床上应予以重视.      

环形腔内双层薄液层热毛细对毛细对流的渐近解

为了解水平温度梯度作用下环形腔内双层薄液层热毛细对流的基本特性,采用渐近线方法 获得了热毛细对流的近似解. 环形腔外壁被加热,内壁被冷却,上、下壁面绝热. 结果表明, 当环形腔宽度与内半径比趋于零时,环形腔退化为矩形腔,所得到的主流区速度场和温度场 的表达式演化为Nepomnyashchy 等得到的矩形腔内的结果;与数值模拟结果的比较 发现,在主流区渐近解与数值解吻合较好.     

不同润湿性纳米通道内库埃特流动的模拟

利用非平衡分子动力学模拟方法, 模拟了两无限大平行平板组成的纳米通道内的库埃特流动, 并给出了壁面润湿性和速度对流场密度、速度分布及壁面滑移的影响规律.数值模拟中, 统计系综采用微正则系综, 势能函数选用LJ/126模型, 壁面设为刚性原子壁面, 温度校正使用速度定标法, 牛顿运动方程的求解则采用文莱特算法.结果表明, 纳米通道内流体密度呈对称的衰减振荡分布, 且随壁面润湿性的降低, 振荡幅度减小, 振荡周期保持不变;滑移量随壁面润湿性的提高而降低, 甚至在亲水壁面时出现负滑移现象;随壁面速度的增加滑移速度逐渐增大, 且在流体呈现非线性流动阶段其增幅显著加大.另外, 还发现当壁面设置为超疏水性时, 壁面滑移呈现出随润湿性降低而减小的反常现象, 并基于杨氏方程对其进行了解释.     

非球形固体颗粒对弯管内壁的磨损机制

为研究弯管内固体颗粒在液相夹带条件下的运动特性及颗粒对弯管内壁的磨损,采用计算流体动力学与离散元耦合的方法,建立数值模型,考虑固液两相之间的作用,对弯管内的固液两相流动进行数值模拟;通过软件的应用程序编程接口嵌入自编译磨损模型;借助试验结果,验证数值模型的有效性.结果表明,所建立的数值模拟方案可以准确地模拟颗粒在管内的运动特征并能够预测弯管内壁的磨损位置以及磨损程度.弯管内的二次流对颗粒运动有重要影响,弯管外侧壁面中心线附近的磨损较严重,磨损的形式以小角度划擦切削为主.弯管磨损主要与颗粒对壁面的碰撞速度、碰撞角度及碰撞频率有关.运动中的颗粒与壁面发生多次碰撞,碰撞角度逐渐减小.随着颗粒球形度的增大,在相同碰撞条件下引起的磨损量变小,但是会降低颗粒的随流性.颗粒形状影响颗粒在流场中的运动速度以及颗粒与壁面的碰撞.随着颗粒球形度增大,严重磨损区域向弯管进口方向移动,壁面平均磨损量先减小后增大;当输送颗粒的球形度为0.91时,壁面磨损量最小.     

环形腔内双层薄液层热毛细对流的渐近解

为了解水平温度梯度作用下环形腔内双层薄液层热毛细对流的基本特性,采用渐近线方法获得了热毛细对流的近似解. 环形腔外壁被加热,内壁被冷却,上、下壁面绝热. 结果表明,当环形腔宽度与内半径比趋于零时,环形腔退化为矩形腔,所得到的主流区速度场和温度场的表达式演化为Nepomnyashchy 等得到的矩形腔内的结果;与数值模拟结果的比较发现,在主流区渐近解与数值解吻合较好.