两相流中圆柱状粒子阻力的研究

将圆柱状粒子和圆球粒子建立等效关系，由等效面积法得到了作用在圆柱状粒子上的阻力，然后通过有限体积法对圆柱状粒子的阻力进行了数值求解，经比较发现，在层流状态时由等效面积法得到的圆柱状粒子的阻力要乘上一个1．5—2的常系数．     

平行双射流场纳米颗粒的形成与凝聚的研究

对平行双射流中H2SO4蒸气扩散进行了大涡模拟,给出了硫酸/水系统成核生成纳米颗粒及颗粒的凝聚过程中颗粒的分布特性,分析了燃料中硫的浓度、环境相对湿度以及射流Reynolds数对于颗粒浓度和粒径分布的影响．结果表明,硫酸/水系统会成核生成大量的纳米颗粒,在双管射流的中间和射流场周围,颗粒具有较高的浓度;颗粒的凝聚过程使颗粒的数量减少、直径变大;随着硫的浓度的增加,流场中的颗粒浓度有明显增加,而成核后形成的颗粒直径减小;环境湿度和Reynolds数的增大,有利于成核过程,因而导致形成更多的颗粒．     

基于浸入边界法的扑翼飞行数值模拟

本文提出了基于浸入边界法的扑翼鸟建模与仿真,首先检验了数值方法的精确性,而后对NACA 0012翼型的升沉运动与俯仰运动进行了研究,最后对三维扑翼的翅膀拍动时间非对称性进行了研究。结果表明：浸入边界法对拍动翼型的模拟能够很好地和文献结果吻合。升沉运动的推进能力由翼型前缘涡的大小和位置决定,升沉运动推进效率的峰值主要集中在0.3≤St≤0.4时。升沉运动耦合俯仰运动时,在俯仰角25°及相位差85°时,推进效率达到峰值。在三维模拟中,适当增加翅膀下拍速度,能提供更大的升力,同时耗能也更高。研究结果可以为微型扑翼飞行器的扑动参数设置提供参考。

     

绕流直接数值模拟误差分析

对于无边界绕流问题的计算流体力学模拟通常是将物体置于“足够大”的槽道中,而通过不断改变槽道尺寸以及离散网格密度,后验对比方式来检查模拟误差。本文结合多种经典流场理论,提出一种简单的先验误差估计方法来确定槽道尺寸以及相应的网格分布。在此方法中,对于槽道尺寸的确定基于线性叠加原理（即在极小雷诺数下采用Stokes理论解叠加,而在其他雷诺数条件下采用势流理论解叠加）,来估计槽道尺寸对绕流结果的影响。而对网格尺寸与分布,则是使用多项式逼近中的基本误差分析工具,应用到速度边界层,远场势流,以及Rankine涡等简单流动,从而确定整个绕流问题中的离散误差。为了验证前面的理论分析结果,本文模拟了相当大雷诺数范围内的二维翼型以及三维圆球绕流,所得数值结果非常好地验证了理论分析。结果表明,对于Stokes流动问题,槽道尺寸需要大约100倍于物体特征尺寸来保证其结果与无边界绕流相差不超过1%;而在雷诺数超过大约100时,槽道尺寸只需10倍（二维绕流）或者5倍（三维绕流）于物体特征尺寸来达到同等精度。在此先验误差估计方法可应用于一般化的绕流问题。

     

椭球体绕流阻力数值模拟研究

颗粒在无界均匀流场中的阻力是颗粒多相流领域最基本的问题之一。在相关的工程应用与科学研究中,颗粒基本都是非球形。早期基本以相同体积的圆球阻力来近似非球颗粒的实际阻力,近来则提出了多种基于实验数值拟合的非球颗粒阻力经验公式。本文通过高精度的计算方法,系统模拟了从扁平到细长的回转椭球颗粒,在常见的颗粒雷诺数范围内（0.1~1000）,对于各种来流攻角条件下的阻力,数值模拟结果得到了已知理论解的充分验证。在不存在理论解的大多数条件下,将数值结果与多种流行的经验公式结果进行了系统比较。一般而言,当颗粒以最大迎风面积置于来流中时,其所受阻力最大。但是数值模拟发现了特例,在流动进入牛顿阻力区时（雷诺数1000）,扁平的椭球在回转轴与流向一致时（此时具有最大迎风面积）,其阻力反而小于倾斜置于流场中的结果。对流动结构的分析表明,这是因为在非轴对称条件（颗粒倾斜）下,流动更容易失稳,造成紊乱的尾流,使得压差阻力上升。综合分析表明,对于给定的颗粒形状,数值模拟相对于通过各种实验数据拟合得到的适用于一般非球颗粒的经验公式具有更高的精度。累积更大量的高精度数值模拟结果,有望给出具有更高精度、更具适应性的阻力公式。

     

双柱状颗粒在线性剪切流场中的动力学分析

为研究柱状颗粒在线性剪切流场中的运动状态和受力情况,本文以颗粒长径比为2,颗粒之间的初始距离ΔS_Py=4D为例,基于直接力浸入边界法数值模拟了双柱状颗粒在三维线性剪切流场中的运动过程。根据模拟结果分析了柱状颗粒周围流场参数分布,在考虑壁面对颗粒的影响和颗粒之间相互影响的条件下,研究了颗粒的受力和运动的变化,探索了流体曳力导致柱状颗粒迁移和转动的规律。研究结果表明,双柱状颗粒在线性剪切流场中易向速度大的流体区域运动;前后两颗粒运动状态和轨迹不同,颗粒之间距离较近时,曳力会产生较大的波动;只有当颗粒在壁面附近时,滞后颗粒才能追上领先颗粒,两颗粒发生牵引、翻滚和分离过程。     

Research on nucleation and coagulation of nanoparticles in parallel twin jets

The large eddy simulation method has been used to simulate the diffusion of H2SO4 vapor in the parallel twin jets.The distributions of number concentration and size of nanoparticles produced by nucleation and coagulation in sulfuric acid/water system are given.The functions of the sulfur content,relative humidity and jet Reynolds number are evaluated according to the distributions of number concentration and size of nanoparticles.The results show that the nucleation in sulfuric acid/water system produces large number of nanoparticles ,and gas-to-nanoparticle conversion mostly takes place in the middle and interface of the twin jets.The coagulation process of particles reduces the number concentration,while increases the mean particle size.For the case with higher sulfur content,more number and smaller size nanoparticles are produced by nucleation and coagulation.There is also a larger number of nanoparticles for the cases with higher relative humidity and jet Reynolds number.     

风力机气动特性的浸入边界法模拟1)

风力发电机的空气动力学性能是决定风力机安全与效率的最重要因素之一。但由于影响风力机气动性能的参数众多,更加高效精确地模拟风力机气动特性一直是风力机的重要发展方向。本文提出了基于浸入边界法的风力机建模,网格离散,以及数值模拟的统一性框架。利用同伦变形来生成光滑的叶片模型,并且使用仿射变换来处理叶片的渐缩与扭转问题。首先,针对二维翼型的升阻力,检验了算法的数值精度。表明此方法对于阻力的模拟具有非常严格的一阶精度,进而提出采用理查森外推法来精确高效修正升阻力模拟结果。同时,模拟研究了拱曲度以及厚度对二维翼型升阻力的影响。随后,模拟研究了单风力机(包含塔架)在不同尖速比下的功率系数,并对塔架与叶片间的相互气动作用进行了初步分析。最后,模拟研究了双风力机在风场中不同前后间隔距离下的气动干涉问题。本文主要意义在于验证建模,离散,与数值模拟的一体化框架的有效可行性,进而为后续研究(给定约束下风力机自动优化选型)提供坚实基础。