气体运动论数值算法在微槽道流中的应用研究

简要介绍基于Boltzmann模型方程的气体运动论数值算法基本思想及其对二维微槽道流动问题数值计算的推广，并阐述适用于微尺度流动问题的气体运动论边界条件数值处理方法。通过对压力驱动的二维微槽道流动问题进行数值模拟，将不同Knudsen数下的微槽道流计算结果分别与有关DSMC模拟值和经滑移流理论修正的N—S方程解进行比较分析，表明基于Boltzmann模型方程的气体运动论数值算法对微槽道气体流动问题具有很好的模拟能力。     

基于Boltzmann模型方程的气体运动论统一算法研究

模型方程出发,研究确立含流态控制参数可描述不同流域气体流动特征的气体分子速度分布函数方程; 研究发展气体运动论离散速度坐标法, 借助非定常时间分裂数值计算方法和NND差分格式, 结合DSMC方法关于分子运动与碰撞去耦技术, 发展直接求解速度分布函数的气体运动论耦合迭代数值格式; 研制可用于物理空间各点宏观流动取矩的离散速度数值积分方法, 由此提出一套能有效模拟稀薄流到连续流不同流域气体流动问题统一算法. 通过对不同Knudsen数下一维激波内流动、二维圆柱、三维球体绕流数值计算表明, 计算结果与有关实验数据及其它途径研究结果(如DSMC模拟值、N-S数值解)吻合较好, 证实气体运动论统一算法求解各流域气体流动问题的可行性. 尝试将统一算法进行HPF并行化程序设计, 基于对球体绕流及类``神舟'返回舱外形绕流问题进行HPF初步并行试算, 显示出统一算法具有很好的并行可扩展性, 可望建立起新型的能有效模拟各流域飞行器绕流HPF并行算法研究方向. 通过将气体运动论统一算法推广应用于微槽道流动计算研究, 已初步发展起可靠模拟二维短微槽道流动数值算法; 通过对Couette流、Poiseuille流、压力驱动的二维短槽道流数值模拟, 证实该算法对微槽道气体流动问题具有较强的模拟能力, 可望发展起基于Boltzmann模型方程能可靠模拟MEMS微流动问题气体运动论数值计算方法研究途径.      

在上层为均匀剪切流的流动中的波动精确解

当风从水面上吹过时,由于水的粘性作用,在上层水域中会形成一种剪切流动;而在下层水域中,流体仍保持静止状态。例如在风浪槽中就会形成这种流动。用造波机产生的波或者...     

气波增压器研究的回顾与展望

简史气波机械是一种利用气体波(压缩波和膨胀波)的运动来实现不同参数气体之间进行能量交换的动力机械。在这个领域中,除了本文介绍的气波增压器外,还包括有气波冷却器、气波引射器、气波脉冲发动机、脉动燃烧室、压强     

用PIV测试涡旋波流场的速度和剪应力分布

采用PIV瞬态流场测试技术,对二维槽道中的涡旋波流场不同相位上的速度分布和应力分布进行了测试和计算,本文定量地描述了槽道中涡旋波的形成过程及发展规律。通过调整振荡流的振幅和活塞行程,分析了Re数和Sr数对涡旋波流动的影响,得出了槽道内剪应力的分布状况以及平均剪切应力的周期性变化规律。深入分析了涡旋波流场强化传递现象的本质。     

气相爆轰波冲击气固界面的透反射特性

为了研究气相爆轰波冲击气固界面过程中透射波和反射波的相关特性,建立爆轰波冲击气固界面的一维理论模型,对不同初始压力条件下爆轰波到达气固界面后的界面两侧的压力和界面速度变化进行分析。利用时空守恒元求解元方法对气相爆轰波冲击气固界面过程进行数值模拟,分析气体部分反射波的压力分布和速度变化规律及透射入固体中应力波的波形和波速特征,并搭建气相爆轰波冲击活塞实验装置进行进一步验证。结果表明:气体爆轰波到达气固界面后,在固体中透射指数形式的弹性波,并在界面处向气体区反射一道激波。爆轰波后的稀疏波与反射激波相交,削弱反射激波,最终形成稳定激波回传。气固界面在稀疏波和反射稀疏波的作用下,压力和速度逐渐下降,最终也形成稳定状态。在不同混气初始压力情况下,爆轰波冲击过程中产生的最高压力和爆压的比值基本保持不变。理论模型对特征点相关物理量的计算值和实验数据符合的较好。     

应用PIV技术测试涡旋波流场

涡旋波流动作为一种特殊的流动现象,可以使流体在相对较宽的槽道中产生较强的波动和对流混合,从而在小Re数条件下起到强化传质的效果。本文利用PIV流场显示技术,对振荡流在非对称槽道中所形成的涡旋波的产生机理和发展规律进行了实验研究和定量分析,测得了涡旋波流场的速度矢量图,阐明了涡旋波流场周期性变化的特点。分析了Re数和St数对涡旋波流动的影响,并得出了旋涡涡心位置以及涡心处涡量的动态变化规律。     

非对称槽道中涡旋波的特性研究

利用PIV流场显示技术，对振荡流体在非对称槽道中涡旋波的产生、发展和消失的规律进 行了实验研究和分析，测得了涡旋波流场的速度矢量图，阐明了涡旋波流场周期性变化的特 点. 结合涡动力学方程，深入分析并揭示了做周期性运动的流体能在槽道中产生波的特性这 一规律，从中发现：流体周期变化的非定常性和不对称的槽道结构是形成涡旋波流动的主要 因素. 本文对涡旋波流场中各个旋涡的速度分布和涡量进行了测量和计算，分析了涡旋波 强化传质的机理，并研究了Re数对涡旋波流动的影响     

填充床中气体渗流与化学波耦合问题的研究

研究等温和显著气固反应条件下填充床内反应气体浓度(物质)波推进与混合气体渗流的相互作用,指出化学反应对流动的影响包括两个方面,反应过程中混合气体质量的变化和密度的变化。混合气体流动将反过来影响反应进程。分析表明,按耦合模型和非耦合模型得到的速度场完全不同;按耦合模型,反应气体的浓度(物质)波阵面的推进对混合气体的流场有显著影响,因此按耦合模型计算的混合气体流场强烈地依赖于时间;忽略化学反应引起的混合气体密度变化的耦合模型,将导致一个质量消失的汇(或质量生成的源),因此将引起混合气体渗流速度的明显变化,并可能导致物理上不合理的结果;按耦合模型和非耦合模型计算的浓度场也有很大差别;当反应气体与惰性气体摩尔质量相差较大时,不能忽略反应过程中混合气体密度的变化;研究表明对于显著气固反应不能忽略化学反应与气体渗流的相互作用。     

不同应力差条件下超临界CO_2气爆煤岩体气楔作用次生裂纹扩展规律研究

为研究超临界CO_2气爆技术应用于低渗煤岩增透抽采瓦斯和气爆采掘煤岩过程中,爆生气体楔入爆孔周围破裂区产生次生裂缝的规律,利用自主研发的超临界CO_2气爆装置对不同应力差条件下边长为0.4m的立方体煤岩试件进行了气爆致裂实验,得到了气爆冲击荷载作用时不同应力差条件下试件各监测点应变和爆生气体压力时程曲线及爆后试件的分区破裂特征。近孔煤岩破坏由应力波引起,气楔作用产生的拉应力导致远孔次生裂纹扩展,依据实验规律建立了超临界CO_2气爆煤岩体应力波和气楔作用复合破坏机制的力学模型,数值模拟分析了不同应力差条件下爆生气体气楔致裂规律。结果表明:当水平和垂直方向初应力不等时,爆生气体气楔作用使次生裂纹向垂直最小初应力方向偏转;当初应力相等时,次生裂纹沿原方向扩展,随着初应力增加,裂隙扩展长度和张开度减小;数值模拟得到的气体压力时程曲线、试件破坏特征与实验测得的气爆冲击压力时程曲线、试件破坏特征一致;基于爆生气体劈裂模型的数值模拟结果与实验结果吻合。     

涡旋波流场的涡量测试与计算及特征参数的影响

从实验和模拟计算两个方面,对涡旋波流场的速度矢量图和涡量进行了定量测试和综合分析,并对涡旋波流动与其特征影响参数之间的关系进行了研究。结果表明:涡旋波流动只在二维层流状态下产生,涡旋波形成后,Re数对旋涡尺寸的影响较小,涡量随Re数的增大而增大,但涡量不随时间的增加而单调增加。随着St数的减小,旋涡尺寸明显增大,涡量却随之减小。本文也对不同槽道内的涡旋波流场进行了数值模拟计算,进而确定了涡旋波流场的形成条件。     

稀疏两相湍流的惯性颗粒倾向性弥散

气相采用大涡模拟、颗粒相采用拉格朗日轨道模型的方法对后台阶突扩流、充分发展槽道流和圆湍射流3种典型的稀疏气固两相流动进行了数值模拟,研究了颗粒倾向性弥散的特征和规律. 研究表明颗粒的跟随性和倾向性相联系,颗粒惯性和大涡结构同时决定颗粒的倾向性分布特征. Stokes数量级为1(气相时间参考尺度取为宏观特征时间尺度)左右的颗粒,倾向性分布特征最强烈. 颗粒倾向分布于低涡量(或是低脉动速度)的湍流区域.      

纳米阵列中气体驱替液体的流动特征

纳米尺度下气体驱动液体流动特征在纳流控芯片及页岩气开发中具有广泛的应用前景. 利用管径规格为292.8 nm,206.2 nm,89.2 nm,67.0 nm,26.1 nm的氧化铝膜为纳米阵列,进行气驱水实验和单相气体流动实验,分析纳米尺度下气驱水流动特征. 实验表明,纳米阵列中气驱水时气体流量随驱动压力变化经历三个阶段:第一阶段流量缓慢增大,且比单相气体流量降低约一个数量级;第二阶段纳米阵列中的水被大量驱替出,流量迅速增大;第三阶段纳米阵列中的水全部被驱替出,流动特征与单相气体流动保持一致. 分析表明,气驱水第一阶段存在气液界面毛细管力的“钉扎”作用及固液界面相互作用力的影响,是产生非线性流动的主要原因;而一旦“钉扎”作用破坏,气体进入管道推动界面运动,气柱与液柱之间的毛细曲面曲率变化,毛细管力减小,气体流量急剧增大,其中毛细管力随驱替压力增大急剧变化,是造成第二阶段气体流量突变的主要原因.      

纳米阵列中气体驱替液体的流动特征

纳米尺度下气体驱动液体流动特征在纳流控芯片及页岩气开发中具有广泛的应用前景.利用管径规格为292.8 nm,206.2 nm,89.2 nm,67.0 nm,26.1 nm的氧化铝膜为纳米阵列,进行气驱水实验和单相气体流动实验,分析纳米尺度下气驱水流动特征.实验表明,纳米阵列中气驱水时气体流量随驱动压力变化经历三个阶段:第一阶段流量缓慢增大,且比单相气体流量降低约一个数量级;第二阶段纳米阵列中的水被大量驱替出,流量迅速增大;第三阶段纳米阵列中的水全部被驱替出,流动特征与单相气体流动保持一致.分析表明,气驱水第一阶段存在气液界面毛细管力的"钉扎"作用及固液界面相互作用力的影响,是产生非线性流动的主要原因;而一旦"钉扎"作用破坏,气体进入管道推动界面运动,气柱与液柱之间的毛细曲面曲率变化,毛细管力减小,气体流量急剧增大,其中毛细管力随驱替压力增大急剧变化,是造成第二阶段气体流量突变的主要原因.     

含灰气体激波管侧壁层流边界层流动特征

水文采用数值方法求解含灰气体激波管中侧壁层流边界层,揭示了这类流动中呈现的三个特征不同的区域.为了研究两相边界层的发展,本文构造了一个包括六点和四点格式的隐式有限差分程序,引进了适当描述气固两相间相互作用的非斯托克斯关系,并分别给出了气体和粒子的速度与温度剖面。此外,文中还讨论了激波管压力比、粒子载荷比和粒子尺寸对侧壁边界层流动特性的影响。     

二维槽道湍流的标度律分析

对不同Reynolds数的二维不可压槽道湍流（即二维槽道流动的扰动饱和态）进行了标度律分析.指出二维槽道湍流中存在明显的标度律及扩展自相似性;分析了标度指数随着流动Reynolds数的变化,指出随着Reynolds数的增长,标度指数的奇异性并没有减小的趋势;由此推测充分发展的二维槽道湍流的标度指数也是奇异的、将所得计算值和余振苏等人的SL标度律预测值相比较,认为余等人的SL标度律公式能很好描述二维湍流.     

微尺度气体流动

了解微尺度气体流动特点是微机电系统设计和优化的基础.有关的研究可以上溯到20世纪初Knudsen的平面槽道流动质量流量的测量和Millikan的小球阻力系数的测量,实验结果揭示了稀薄气体效应即尺度效应对气体运动的重要影响.由于流动特征长度很小,微尺度气流经常处于滑流区甚至过渡领域,流动的相似参数为Knudsen数和Mach数.因此可以考虑利用相似准则,通过增大几何尺寸、减小压力的途径,解决微机电系统实验观测遇到的困难.为解决直接模拟Monte Carlo方法分析微机电系统中低速稀薄气流遇到的统计涨落困难,我们提出了信息保存法(IP),该方法能够有效克服统计散布,并已成功用于多种微尺度气流.      

绝热指数γ对平面爆轰过程中不同复合波区的参数特性影响分析

爆炸气体产物冲击膨胀过程中会形成多种复合波区,当爆炸气体绝热指数γ不同时其波区衰减特性差异较大。为研究不同γ条件下（γ＞3,γ=3,γ＜3）复合波区的特性差异,基于特征线法,对一平面爆轰过程中不同复合波区的波系相交特性进行了规律分析,并利用MATLAB对该平面爆轰过程进行流场模拟,验证并分析了不同复合波区流场内的参数变化特性。对比发现,γ不同时复合波区衰减特性的差异主要体现在与质点速度和气体声速相关的u-c平面特性上,其中在两中心稀疏波相交的复合波区,其差异还体现当γ≠3时相交的中心稀疏波不再具有中心发散特性。对爆炸过程中各波区特性的分析可为全面了解各特征参数的衰减规律提供参考。     

航空发动机轴承腔润滑的气液两相均匀流研究

基于轴承腔中润滑油的两相均匀流动模型,采用湍流模式和有限差分数值方法计算轴承腔内三维定常N-S方程,对腔内润滑油的气液两相均匀流动特性进行研究,以获得气液两相均匀流条件下润滑油流场、压力场和速度场在轴承腔内的分布情况,分析转子转速、含气率和润滑油进口速度对润滑油出口压力以及润滑油与壁面之间剪切力的影响,同时对单相流和两相均匀流润滑性能差异进行比较.结果表明,转子转速、含气率和润滑油进口速度对润滑油出口压力和腔内壁面与润滑油间的平均剪切力具有不同影响,而采用2种流动模型计算出的轴承腔润滑油出口压力的差异较大,同时支持了开展航空发动机轴承腔润滑两相流动分析的必要性.     

气相爆轰波传播过程中的自点火效应

基于基元反应模型和单步反应模型,对直管道中H₂-air混合气体中爆轰波的传播过程进行了数值模拟,揭示了气相爆轰波传播过程中的自点火效应。利用数值模拟方法计算了不同爆轰模型的点火延迟时间,并得到了爆轰波三波点的传播过程以及所形成胞格结构的尺寸。结果表明,胞格宽度与点火延迟时间成正比;爆轰波诱导区内气体的点火延迟时间与三波点的运动周期基本一致。进一步对结果分析可知,爆轰波的自维持传播取决于点火延迟时间(表征化学反应的特征时间)和三波点的运动周期(表征流动的特征时间)的匹配;当二者相匹配时,经过前导激波压缩后形成的高温高压爆轰气体,在短时间内实现了自点火,同时释放出大量的能量推动了爆轰波的前进,即爆轰波的稳定自维持传播依靠其自点火机制。