面向高速流场成像的聚焦纹影研究进展

相较于传统的光学流动可视化技术,聚焦纹影技术能对非聚焦区域的流场信息进行模糊化处理,从而反映窄景深内的流场信息,具有高空间分辨率、抗干扰能力强、无需播撒示踪粒子、低成本等特点,这些特点使得聚焦纹影十分适用于高速流场的流动显示和流场测量。本文在对聚焦纹影系统成像的基本原理进行介绍的基础上,以传统聚焦纹影在格栅对准和非定常流动多平面测量方面面临的挑战为出发点,总结了聚焦纹影的国内外相关研究,并进一步展望了聚焦纹影的未来发展。

基于半解析涡环模型的农用单旋翼直升机流场快速计算

农业航空领域中,定量获取风场(流场)速度分布对单旋翼直升机辅助授粉作业、农药施用效率提升具有重要意义。基于此提出一种半解析理论方法能够快速完整计算单旋翼流场速度。以涡环模型为基础,将农用直升机旋转桨盘下的尾涡系等效为涡环连续叠加所形成的圆柱涡面,再由涡环速度诱导公式半解析计算直升机旋翼空间各点速度。理论模型与仿真和文献试验数据比较,结果表明:涡环模型简单快速,普通计算机(CPU 2 GHz,内存2 GB)上2.8 s完成计算;悬停时与计算流体力学仿真结果下洗速度径向平均误差小于1.9 m/s,平均相对误差小于39.1%,轴向平均误差小于2.26 m/s,平均相对误差小于54.6%;悬停时,诱速从中央往桨尖递增;前飞时,平飞速度越大诱速越小;流场主要影响因素依次为前飞速度、旋翼半径、飞机总重、空气密度。为定量计算农用直升机旋翼风场、辅助授粉作业和田间施药喷头布置提供一种快速方法和参考。

钻井法凿井气-液-固耦合排渣流场及刀盘吸渣口优化

针对西部地区侏罗系地层煤矿立井钻井法施工中出现的气举反循环洗井排渣与钻进效率低下问题,以陕西可可盖煤矿中央回风立井ϕ4.2 m超前钻井为工程背景,基于CFD-DEM(计算流体力学和离散单元法耦合)研究方法,建立了气-液-固多相耦合排渣数值模型,揭示了排渣管内、井底流场的速度及压力分布规律,并基于自研的气举反循环排渣试验装置,采用PIV(粒子图像测速法)测试技术对流场分布的正确性进行验证;提出了优化刀盘吸渣口评判指标和方法,对吸渣口的数量、长径比、面积比、总面积占比进行优化,得到了超前钻头刀盘吸渣口布置的最佳方式和相关参数;讨论了钻头转速、注气量、风管没入比和泥浆黏度等主要因素对排渣流场的影响。研究结果表明:(1)排渣管内流体的运移以轴向流动为主,且途经注气端时,流速发生跳跃式剧增;井底流体的运移主要以水平流动为主,流体的垂直上返仅存在于吸渣口附近;井底流体的水平流动以切向流动为主,径向流动仅在吸渣口两侧较为明显,且远离吸渣口处,径流速度较小易产生岩屑沉积;(2)当刀盘吸渣口数量为2,长径比为0.4,面积比为1,总面积占比为1.94%时,吸渣口的布置方式最佳,且清渣率较现行吸渣口布置方式提高66%;(3)增大钻头转速可显著增强吸渣口的吸附作用,注气量、风管没入比与井底和排渣管内流体的轴向速度均呈正相关关系,低黏、低密度的泥浆易获取高流速,但携岩能力较差。研究结果可为破解侏罗系地层深大立井钻井法洗井排渣与钻进效率低下技术难题,提供有益的理论参考。

河道斜交桥梁壅水及流场特性分析

圆端桥墩是平原河道内一种常见的桥墩型式,为探究斜交圆端桥墩不同布置方式引起的壅水特性和水流流态变化,建立三维数值模型,采用SIMPLE算法耦合k-ε紊流模型求解N-S方程组,应用VOF法追踪自由液面,分析了单个桥墩壅水特性、绕流流场和升阻力系数随斜交角度变化的规律。研究结果表明:下游墩前壅水高度最大,壅水长度最长,上游墩前冲高值最大;水流绕流经过上游桥墩后偏向下游桥墩侧,桥墩垂直桥轴线布置方式绕流形成的壅水叠加效应更明显;斜交桥梁布置采取圆端桥墩时,桥墩顺水流布置,可有效减小阻水宽度与壅水高度,弱化流场结构变化。

基于CFD-DEM的物料转运过程诱导风流场与产尘因素分析

为了揭示颗粒物料在皮带机转运过程中的粉尘运移规律问题,推导了含有水平初速度的颗粒物料转运过程中的诱导气流方程,并采用CFD-DEM耦合方法对转运过程中的颗粒分布与诱导风流场特性进行了研究,分析了颗粒物料的落料高度、质量流量和初速度对颗粒逸散与诱导气流的影响。结果表明:颗粒在弧形下落阶段速度逐渐提高,挤压碰撞阶段颗粒速度先降低后提高,最后趋于稳定,部分颗粒出现逸散现象;含尘气流在颗粒物料弧形下落阶段和挤压碰撞阶段扩散较为明显;诱导气流速度与颗粒物料质量流量和初始速度呈正比关系,颗粒物料质量流量与诱导气流速度呈幂函数关系,拟合曲线幂指数为0.6~0.74。

关于流场法理论的几点认识

基于长期从事水工建筑物渗漏、管涌等安全隐患检测工作的需要,结合水工建筑物渗漏管涌隐患分布的特点,对水底及水体中的电场分布进行了分析研究.本文从水流场与电流场的相似性、渗流场与电流场的相似性以及动态导体充电法的相关理论三个方面阐述了流场法理论的客观性、合理性以及与动态导体充电法理论的兼容性.首先利用水流场与电流场的相似性解释异常水流场,其次从渗流场与电流场的相似性解释异常水流场,最后利用水工建筑物堤坝渗漏管涌通道地电模型,进一步论述了利用地下动态导体充电法中的不等位导体理论来认识流场法理论更为方便,并可以进行渗漏出口处的电流强度计算及进行正反演计算,同时证明了异常水流场与电流场有着近似的对应关系,以工程实例介绍了流场法在水工建筑物渗漏管涌检测中的应用.

四大家鱼幼鱼下行行为及流场偏好研究

探究典型江河半洄游性鱼类的摄食、育肥等下行洄游需求,可为鱼类下行通道的设计与评价提供技术支撑。以全长5~13 cm四大家鱼(青鱼、草鱼、鲢、鳙)幼鱼为研究对象,通过构建模型实验,在进口流速为0.2 m/s时,分析同一水流环境下鱼类的运动行为,开展其下行过程中应用水力条件的行为响应及流场偏好研究。结果表明:(1)青鱼、草鱼、鲢、鳙幼鱼的下行成功率分别为58.3%、78.6%、74.5%、87.2%,下行轨迹主要集中在主流区域;(2)四大家鱼幼鱼多表现为主动下行行为,鳙幼鱼的直接下行率最高(88.5%),青鱼、鲢幼鱼分别为60.0%、56.2%,草鱼幼鱼发生延迟下行的概率(56.3%)大于直接下行率(43.8%);(3)实验鱼对不同流速范围的选择存在差异性,四大家鱼幼鱼在同一水力环境条件下的下行行为选择存在一定的规律性,青鱼、草鱼、鲢、鳙幼鱼的共同偏好流速为0.228~0.454 m/s,共同偏好紊动能为0.0014~0.0023 m^(2)/s^(2)。

非定常流场时程重构的深度学习方法

高分辨率的流场数据对流动问题的研究具有重要意义。受测量方法、计算效率等多因素限制,高分辨率流场的直接获取仍有一定困难。本文基于流场时程数据的低维表征模型,提出非定常流动时程数据重构的深度学习方法。该方法直接面向样本时程数据,凭借一维卷积的特性提取出样本中包含的时程特征;然后,建立物理空间与表征模型编码空间之间的映射关系;最后,利用一维反卷积对低维表征进行解码,实现对流场中任意位置数据的重构。对Re_(D)=200的非定常圆柱层流绕流流场进行低维表征与验证,进而实现高分辨率流场时程数据的重构,并证明方法的准确性。本文方法是一种无监督方法,是一种时间维度上具有高精度的流场数据重构方法,适用于基于传感器的时程数据处理。

串装双燃速药柱发动机的内流场计算

对一维的加质燃烧室流场、轴对称的二维喷管内流场和高燃速药柱燃烧完成后的燃烧室二维内流场以及三维药柱几何做了一体化计算。应用轴对称的N S方程、TVD有限体积法的显式MacCormack格式 ,对燃烧室后段及长尾喷管跨声速流场进行求解 ,得到了双燃速内弹道性能和轴对称二维流场中燃气参数的分布。结果具有较高的精度 ,并为进一步的燃烧室和喷管热结构分析提供数值依据。

IDDES方法模拟风切变下大型水平轴风力机流场特性

为研究风切变条件下大型水平轴风力机流场特性,以NH 1500 kW大型水平轴风力机为研究对象,运用计算流体力学中模拟流场精度较高的IDDES(改进延迟分离涡)方法,分析流场内瞬时速度分量、脉动速度和风力机输出功率。结果表明:风轮平面周围流场速度波动大,轴向速度在风轮旋转边界以外的区域会增大,在旋转边界以内的区域会亏损;脉动风速频谱特性在低频区与风轮转频的整数倍相关,风力机功率呈余弦形式输出并满足湍流谱特性。

PEMFC船形堵块阴极流场的性能

建立流体体积(VOF)两相流模型,研究船形堵块流道的排水性能。建立不同开孔率的船形堵块流道三维模型,研究船形堵块及开孔率对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的影响。船形堵块流道峰值净功率密度相较于传统直流道可提升9.4%,相较于同堵塞率下的梯形堵块流道可提高2.9%,具有较好的强化传质作用。通过提高船形堵块流道的开孔率,PEMFC可以获得更好的性能。在相同开孔率下,船形堵块流道的氧气摩尔浓度较直流道和梯形堵块流道分别提高28.6%和14.0%。结果表明,相较于传统直流道,船形堵块流道可降低排水周期和流道内平均水含量,具有更好的排水性能。

真空吸入式风洞三维非定常流场时空特性

为了给真空吸入式风洞的气动优化设计提供参考,应用空气动力学知识和风洞理论,基于Fluent仿真平台,采用计算流体力学(CFD)有限元体积法求解雷诺时均方程(RANS),研究三维非定常流场的时空特性及其演化规律。通过建立收缩段和真空罐的数学模型,确定其特征参数;应用空气动力学知识,抽象流体的边界条件,构建全尺寸三维流体计算域;采用流体力学数值模拟方法,利用试验验证算法的置信度,并进行数值模拟。结果表明,当真空罐容积为2000 m^(3),真空度为3 kPa时可以较好地模拟悬挂发射装置在空中挂飞和投放瞬间的气动载荷。在试验段流场的核心区,其流场品质较好,可以提供0.80 Ma且至少1 s的稳定流场,满足0.40~0.80 Ma且维持至少500 ms稳定流场的设计要求。该研究结论可以为真空吸入式风洞的设计提供理论基础。

基于蜂窝仿生流场的质子交换膜燃料电池的性能研究及优化

为了增强质子交换膜燃料电池(PEMFCs)内部燃料分布的均匀性与水管理能力,本文研究了一种新型的基于仿生结构的蜂窝仿生流场。首先,根据蜂窝结构特征,搭建出三维多相流非等温几何模型并确立PEMFC的数学模型;其次,采用计算流体动力学Fluent软件对模型进行无关性与有效性验证,并对蜂窝仿生流场和常规平行流场的电池性能和燃料分布进行了模拟分析;最后,对比极化性能、气体流速分布、燃料与液态水组分浓度和电流密度分布,验证了蜂窝仿生流场设计的有效性。研究结果表明:采用蜂窝仿生流场的电池峰值功率密度比常规平行流场高15.6%,其内部水管理能力和燃料分布均匀性均强于平行流场;左端进气的蜂窝仿生流场比采用上端进气的蜂窝仿生流场在气体通路内具有更均匀的气体压力,可有效避免流道内产生局部涡流,其峰值功率密度可以达到0.3933 W/cm2。

复合螺旋磨粒流流场特性的研究

针对无摩擦铝合金气缸表面阳极氧化膜的精密加工问题,提出复合螺旋磨粒流抛光方法。建立了抛光过程中颗粒与壁面碰撞的仿真模型,分析了磨粒各向速度对抛光的影响,揭示了复合螺旋磨粒流抛光的加工机理。仿真结果表明:复合螺旋运动改变了磨粒运动轨迹,磨粒叠加了旋转速度后,增大了磨粒的有效应力;壁面的有效塑性变形随螺旋槽转速的增大而增大。粒子图像测速观测实验结果表明,复合螺旋运动提高了磨粒旋转速度,增大了流场的涡旋量。加工实验结果表明,复合螺旋磨粒流抛光不仅对铝合金氧化膜破坏较少,且可以有效提高工件的表面质量。

0.75m×0.50m结冰风洞气动——热流场品质评估

结冰风洞气动—热流场品质是结冰风洞开展试验应用的先决条件,为评估0.75m×0.50m结冰风洞的气流场和热流场品质,依照SAE ARP 5905结冰风洞标准,对0.75m×0.50m结冰风洞的气流场和热流场开展符合性校测试验,考察试验段中心截面的气流速度场、方向场和温度场品质,获得试验段气流速度修正关系和气流总温修正关系。结果表明:试验段气流速度空间最大偏差小于±2%,且试验段气流速度空间均匀性会随着气流速度的增大而得到改善;试验段气流偏角空间最大偏差小于0.8°;气流总温在-20℃以内时,空间均匀性可达到±1℃,气流总温为-30℃时,空间均匀性可达±2℃;0.75m×0.50m结冰风洞的气动—热流场品质符合SAE ARP 5905要求。

果蔬隧道式气流冲击干燥流场模拟及其设备结构优化

为解决隧道式气流冲击干燥设备中风速流场不均匀的问题,利用计算流体动力学对气流冲击干燥过程的流场进行模拟分析,提出2种改进方案,并且每种方案选择9组模型,通过对比分析每组模型的速度均匀性和流场分布情况,以速度不均匀性为指标,得到结构参数为高度H=630 mm、半径R=60 mm圆柱扰流装置,并在此基础上,进行气流分配口大小调整,将上层和下层气流分配口调整为25 mm,中层气流分配口调整为20 mm的模型为最优结构。最优结构气流分配口速度不均匀系数减小到20.4%,物料层截面速度不均匀系数减小到16.89%,极大地改善气流冲击干燥的均匀性。对改进的模型进行试验验证,模拟值与试验测量值的相对误差均在11%以内。研究为相关干燥设备的结构优化提供参考。

邯郸山前平原地下水流场演变及其驱动力

20世纪60年代初邯郸山前平原浅层地下水位大幅下降,地下水降落漏斗逐渐形成,地下水流场剧烈演变,采用时间序列分析、相关分析、水均衡等方法,分析了邯郸山前平原浅层地下水流场的演变规律及其驱动力,并计算了1981—2019年各影响因素对地下水流场演变的贡献率,结果表明:1960年以前邯郸山前平原浅层地下水流场演变主要受自然因素驱动,1960年以后地下水流场演变的驱动力由自然因素演化为人为因素和自然因素,地下水源汇项逐渐发生变化;邯郸山前平原排泄项对地下水流场演变的贡献率大于补给项,降水入渗和地下水开采始终是浅层地下水流场演变的主要驱动力;1981—2000年降水入渗补给量和开采量对浅层地下水流场演变的贡献率为80.82%,2001—2019年降水入渗补给量和开采量对浅层地下水流场演变的贡献率为75.79%,浅层地下水流场演变的驱动力趋于多元化。

双组分层撞击流反应器流场时空演化数值模拟

为了研究双组分层撞击流反应器流场时空演化规律,利用大涡模拟方法进行数值模拟。结合第三代涡识别方法在空间尺度上,对轴向面、周向环面和径向面的速度场、涡量场进行分析;在时间尺度上,揭示速度场、涡量场和涡当地旋转轴的演化规律。结果表明:轴向面和径向面的涡强度呈多峰分布,周向环面涡强度的变化分为增强-稳定-增强3阶段。以XOY面作为研究参考,在两层喷嘴间依据涡发生位置的变化和多尺度涡的碰撞、破碎情况,涡发生期分为6个阶段,涡演化周期分为12个阶段,可据此预测反应器内部流型变化和流场所处阶段。

四桨船舶尾流场特性数值预报研究

四桨船尾部附体的复杂性及内外桨空间布置位置的差异性会导致内外桨载荷分配不均衡。针对上述问题,本文采用CFD方法对四桨船舶的粘性尾流场进行数值模拟研究,从船体周围流场分布、湍流特性等方面详细分析内外桨盘面伴流场差异产生的原因,并与试验结果进行对比分析。研究结果表明,内桨处于船尾湍流区中,受船体边界层影响更甚,这使得内桨桨盘面轴向速度小于外桨盘面,进而导致内外桨负荷分配不均匀;外桨盘面流动为船体边界层流动及湍流尾流区的混合流动,这使得外桨伴流场更不均匀。上述研究可为四桨船舶设计及尾部布局优化提供基础和支撑。

静态混合器结构优化设计与流场特性分析

为油田高能效驱油以提高原油产量,针对SK型和SX型静态混合器混合单元结构,通过创新设计和三维建模开发多重螺旋混合单元静态混合器,基于静态混合原理,利用FLUENT数值模拟软件,采用有限体积法,对所开发混合器内流体的流场进行仿真分析,研究该结构静态混合器的流动特性,结果表明,该种静态混合器使流体产生剪切和正反向涡旋作用,流体被充分扰动,混合均匀,满足油田注聚驱油要求,可为油田开发新型高效静态混合器提供一定技术支持。