热流体力学及其应用

热流体力学是一门涉及传热学、流体力学和热力学的交叉学科,并把重点放在讨论热过程对流体流动的影响。它由5部分组成:①热阻力。在某些情况下热阻力的存在对通道中的流体流量和换热系数有重大影响。借助于热阻力系数的定义和分析表达式,不仅可以预示单相通道流中的压力降,而且能用简便的方法预示气-液两相通道流中的压力降和临界热流。②热绕流。运用“虚质量源”和“热偶极子”的概念,对热绕流现象进行了分析和数值研究。它可在热除尘、粒子样品收集和热设备中流量分配等方面获得广泛的应用。③热驱动。不仅在重力场中,而且在如离心力场、表面张力场和电磁力场中也存在着热驱动流。着重讨论了流体运动的起因及其带来的后果,它包括环境污染、传热强化和同位素分离系数的提高等,④热不稳定性。重点讨论了热不稳定性的物理机理。用各种动力学方法所得到的流动不稳定性的临界准则对材料加工、热减阻、水源热污染等都是十分重要的。⑤热优化。研究了基于熵产生最小(热力学第二定律)为目标函数的流动和传热过程的优化。探讨了在一定条件下热力学第一定律效率和第二定律效率的内在联系。     

热流体力学及其应用

热流体力学是一门涉及传热学、流体力学和热力学的交叉学科,并把重点放在讨论热过程对流体流动的影响。它由5部分组成:①热阻力。在某些情况下热阻力的存在对通道中的流体流量和换热系数有重大影响。借助于热阻力系数的定义和分析表达式,不仅可以预示单相通道流中的压力降,而且能用简便的方法预示气-液两相通道流中的压力降和临界热流。②热绕流。运用“虚质量源”和“热偶极子”的概念,对热绕流现象进行了分析和数值研究。它可在热除尘、粒子样品收集和热设备中流量分配等方面获得广泛的应用。③热驱动。不仅在重力场中,而且在如离心力场、表面张力场和电磁力场中也存在着热驱动流。着重讨论了流体运动的起因及其带来的后果,它包括环境污染、传热强化和同位素分离系数的提高等,④热不稳定性。重点讨论了热不稳定性的物理机理。用各种动力学方法所得到的流动不稳定性的临界准则对材料加工、热减阻、水源热污染等都是十分重要的。⑤热优化。研究了基于熵产生最小(热力学第二定律)为目标函数的流动和传热过程的优化。探讨了在一定条件下热力学第一定律效率和第二定律效率的内在联系。      

二层流体中波动问题的Hamilton正则方程

研究了两种常密度不可压缩理想流体组成的垂直分层的二流体系统的无旋等熵流动,考虑了上层流体与空气及两层流体间的表面张力。流动区域在水平方向无限伸展,上层流体有限深度,下层流体无限深。利用自由面及分界面相对于静止时平衡位置的偏移以及两层流体的速度势构造了Hamilton函数。为导出Hamilton正则方程引用了Euler描述下的流体运动的变分原理。自由面的位移是Hamilton意义下的正则变量,其对偶变量是上层流体在自由面上取值的速度势与密度的乘积。另一个正则变量是分界面的位移,其对偶变量是下层流体的密度与下层流体速度势在分界面上所取值的乘积减去上层流体密度与上层流体速度势在分界面上所取值的相应乘积。导出的Hamilton结构对分析分层流动中表面波与内波的相互作用是重要的。     

一种修正的低温流体空化流动计算模型

为了更准确地预测低温流体的空化流动特性, 基于Kubota空化模型, 对蒸发和凝结源项进行修正, 建立了一种考虑热力学效应的空化模型. 分别采用原始和修正的Kubota空化模型, 计算了绕对称回转体液氮的空化流动, 通过与实验结果的比较对修正的空化模型进行了评价. 结果表明, 与原Kubota空化模型比较, 修正的空化模型由于考虑了热力学效应, 计算获得的蒸发量减小, 凝结量增大, 空穴长度减小, 空穴界面形态呈模糊状态.计算结果与实验结果更加一致, 说明修正的空化模型能准确的描述低温流体空化过程的质量传输过程, 能够更准确模拟低温流体中的空化流动特性.      

页岩凝析气藏相平衡的快速准确计算方法

对页岩油气藏中复杂流体的相平衡计算需要建立考虑毛细作用效应的先进的数值模型, 并设计出快速可靠的算法以应对实际工况中储层流体包含多达数十种组分的复杂情况. 本文将基于适合页岩油气藏常见组分的真实流体状态方程, 即Peng?Robinson状态方程构建具有热力学一致性的VT型孔观相平衡计算体系. 通过引入描述毛细压力做功的数学模型实现对页岩流体热力学性质更准确的刻画. 结合扩散界面模型建立动力学演化格式, 采用成熟的凸分裂方法求解摩尔数和体积分数的演变, 从而描述相平衡的动态过程. 在此基础上, 本文开发了一套具有自适应性的深度学习算法, 设计了独特的双网络结构以实现对不同流体中不同组分的广泛适用性. 该神经网络的输入和输出参数均在热力学分析的基础上选取关键的热力学性质参数, 并进行了全面的超参调试以确定最合适的网络架构和最后形成的预测模型的基本结构, 且通过多种深度学习技术解决了过拟合问题, 在显著加速了传统的基于迭代方法的闪蒸计算的同时保证了相平衡状态预测的准确性, 得到了较好的预测效果. 相分离判定自动整合在预测结果中, 且从最终预测结果可以显著地捕捉到毛细作用的影响. 这一套快速、准确、可靠地基于深度学习算法的页岩油气孔观相平衡计算体系可以为后续的多相流动模拟提供具有物理意义的相分布初场, 确定系统内各个阶段的相数, 并可以作为构建具有物理守恒性的多相数值模型的热力学基础.      

二阶非牛顿流体蠕流精确解

二阶流体是工业界常见的非牛顿流体,因为其本构关系简单而被广泛采用和研究.逆方法预先假定流场满足某类特定的物理的或几何的特性,从而求出流体运动方程的精确解.本文通过假定平面定常二阶非牛顿流体的涡量场与受到扰动的流函数相等这一特定形式,采用求解非线性微分方程常用的逆方法,推导并获得了平面二阶蠕流流场的精确解,由此容易进一步获得流场的压力.所获得的精确解包含了Poiseuille,简单Couette平行流动以及两相向流体的相互作用等流动.这些精确解为实验,数值以及渐进解的检验提供了借鉴和参考.     

肾小管中液体流动特性的分析

本文分折了肾小管中液体的流动特性,假定穿过管壁流体的泸过现象服从一般的Starling定律,通过求解小Re数时的NaVjcr-Stokes方程,求得小管内流体压力,速度与流量的分析表达式,在此基础上,提出确定表征管壁渗透特性的参数的方法,所得结果与实验结果吻合得较好。     

有基本流动的渠道中的孤立波

迄今为止,大多数关于渠道中的孤立波的研究都作了静水的假定,从而避免了波与流相互作用的难题。但在自然界的江河中大都有基本流动,这就要求我们研究有基本流动情况下渠道中的孤立波。Benjamin,Peters,Turpin等人先后在这方面做了一些工作。 我们研究无粘、不可压缩流体的运动,基本流动沿着渠道方向,渠道断面及坐标如图     

水下超声速细长锥型射弹超空泡形态的计算方法

采用理想可压缩流体无旋定常流动以及超空泡尾部Riabushinsky闭合方式假定,基于细长体理论和匹配渐近展开法,建立了描述水下超声速条件下细长锥型射弹超空泡流动的积分微分方程.求解得到了考虑压缩性影响的超空泡形态二阶近似解,改进了超空泡形态的计算精度.分析了超声速射弹高速冲击条件下流体压缩性对超空泡形态的影响.流体压...     

关于流动稳定性的分支解理论

流体运动一般可分为两大类:①层流;②湍流。关于“层流向湍流过渡”的研究,到目前为止,已有许多专题论文和综合评述。本文介绍流体运动稳定性理论的分支解方法。流体运动稳定性理论的主要任务是:找出区分不同流态以及与之相应的流动方式的各种临界值。在流动区域、边界条件和外力场给定以后,支配流体实际运动状态的微分方程组(N-S方程)的解就随流体粘性和初始条件的改变而改变。因此若能找出区分不同流动状态的临界粘性值,那将是很有意义的。通常认为当粘性下降到低于某临界值后,流动就失去稳      

Investigation on nonequlibrium radiation and relaxation phenomena in shock tubes

The experimental results for the excited time of the nonequlibrium radiation and the ionization behind strong shock waves are presented. Using an optical multichannel analyzer, InSb infrared detectors and near-free-molecular Langmuir probes, the infrared radiation, the electron density of air and the nonequlibrium radiation spectra at different moments of the relaxation process in nitrogen test gas behind normal shock waves were obtained, respectively, in hydrogen oxygen combustion driven shock tubes. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (19982005 and 10032050), and the National Defense Science Foundation of China (95JBA4.2ZK0402)     

关于等温间断的稳定性

本文考察导热流体中等温间断的稳定性问题,给出了稳定间断的条件:p_1/p_0>r/(2-r),它比等温间断的产生条件(p_1/p_0>(r+1)/(3-r))要强。     

非线性弹性介质中冲击波斜反射的研究

本文讨论了各向同性非线性超弹性介质在平面小应变下的冲击波斜反射问题。给出了本构关系、简单波解和冲击波解,并作为例子求解了入射冲击波在自由面的斜反射问题。     

Interaction of a gasdynamic shock with small disturbances

The stability of shock wave based on the definition of Landau and Lifschitz^[1] is treated in this paper. This is tantamount to solving the problem of interaction of small disturbances with a shock wave. Small disturbances are introduced on both sides of a steady, non-dissipative, plane shock wave. Landau et al.^[1] obtained the stability criterionM ₁>1,M ₂<1 for small disturbances which are travelling in the direction perpendicular to the shock wave. In the present paper, we assume that the small disturbances may be two dimensional, i.e. they may be propagating in the direction inclined to the shock wave. The conclusions obtained are: regardless of whether the incident wave and diverging wave are defined according to the direction of the phase velocity or the group velocity, the shock wave is unstable for some frequencies and longitudinal wave lengths of the disturbances, even if the conditionsM ₁>1,M ₂<1 are fulfilled. Then several experiments are proposed, and the problem of ways to define the incident wave and diverging wave is discussed. The meaning of this problem is illustrated. The same results can be obtained for the steady shock wave in a tube.     

环形激波绕射, 反射和聚焦的数值模拟研究

应用频散可控耗散格式对环形激波在圆柱形激波管内绕射、反射和聚焦的问题进行了数值模拟研究，研究结果表明环形激波形成强烈聚焦的关键因素是环形激波在圆柱形管道中向对称轴运动时，绕射激波就不断加速而不作通常情况下的衰减；不同马赫数的环形激波绕射也产生不同马赫数及形状的准柱形激波，导致聚焦效果和位置的差异；另外，环形激波聚焦于一个点而圆柱形激波聚焦于一条线，两者有本质不同。     

纳米示踪平面激光散射技术在激波复杂流场测量中的应用

在激波以及激波边界层相互作用这类含激波的复杂流场中,流场结构具有明显的三维特征.研究这类流场,采用纹影、阴影和干涉等传统流动显示技术空间分辨率较低,难以分辨流场的三维特性.基于纳米示踪的平面激光散射技术(nano-tracer planar laser scattering,NPLS),是作者近年来开发的一种新的研究超声速流场的测试与显示技术,可对超声速复杂三维流场进行高时空分辨率流动显示与测量.NPLS技术的特点使其成为测量激波复杂流场的有力手段.近年来,作者以NPLS技术为主要手段,对航空航天领域典型的激波复杂流场进行了试验研究,包括超声速弹头绕流、超声速混合层、超声速边界层,以及激波边界层相互作用流场,显示出NPLS技术在激波复杂流场精细测试与流动显示中优势.本文简要介绍NPLS技术在激波复杂流场测量中应用的研究进展.      

粘性金属中的正激波稳定性问题

G.H.Miller等把高压金属中的粘性激波作为强间断面处理,解析推论出:在大粘性系数条件下小扰动激波是不稳定的,物质粘性是导致失稳的因素。本文中针对平面正激波,认为高压金属中的粘性激波的物理量是连续变化的,利用线性稳定性理论,用数值解推论出:在有粘性条件下小扰动激波都是稳定的,物质粘性是致稳的因素。指出G.H.Miller等获得错误结论的原因在于:从无粘流动解推出的小扰动边界条件导致粘性激波小扰动增长。给出实验确定的小扰动速度梯度的边界条件,这样既可以把粘性正激波作为强间断面处理,也能够保证粘性正激波的稳定性。     

一种新的运动激波--非定常边界层相互干扰现象

本文探讨了一种新的激波－非定常边界层相互干扰现象，这种激波－边界层干扰现象既不同于定常激波－边界层干扰现象，又不同于激波在端面反射后与该激波所诱导的边界层之间的干扰现象，而是运动激波与稀疏波和第一激波所诱导的非这常边界层之间的干扰现象，本文对这种现象用微波动力学理论进行分析，并把这种干扰现象看成激波的绕射现象，同时在稀疏波破膜的双驱动激波管中进行实验观察，最后把理论分析与实验观察进行了比较。     

The influence of single-pulse and tandem shock waves on bacteria

Tandem shock waves have shown to enhance kidney stone fragmentation during in vitro and in vivo extracorporeal shock wave lithotripsy (SWL). The purpose of this research was to study the influence of shock waves on the viability of two strains of bacteria in solution, and to verify if tandem shock waves increase microorganism death. A piezoelectric shock wave generator was modified to generate either standard (single-pulse) or tandem (dual-pulse) shock waves. E. coli and Listeria monocytogenes were exposed in vitro to thousands of standard shock waves. Another group was subjected to the same number of tandem shock waves with a delay of 450 μs. A third group was exposed to tandem shock waves having a 900-μs delay. No inactivation was observed for both microorganisms at up to 8,000 standard shock waves. About 40% of L. monocytogenes and 50% of E. coli were inactivated after treatment with tandem waves at a delay of 900 μs. Inactivation was less efficient for a delay of 400 μs. Our results could be useful in medicine, because infection stones are still a significant cause of morbidity and mortality after SWL. The use of tandem shock waves to treat persistent localized infections or as a novel non-thermal food-preservation method also might be possible.      

机动方舱核爆炸冲击波动力响应和安定性分析

本文以核爆炸当量、高度、距离为参数，采用等超压圆给出了普通方舱和防核加固方舱结构在核冲击波下的安全域。研究了限制舱体倾斜的压力条件。本文还以冲击波压力的时间函数为激励，求解了方舱的动力响应。从试验结果推论和计算模拟两方面，分析了方舱承受冲击波的能力。