光滑粒子法中的摩擦接触算法及其在含界面土体变形问题中的应用

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法作为拉格朗日型的无网格粒子类方法,在固体极大变形问题的数值求解分析中具有显著优势。针对包含界面接触的固体大变形问题的SPH模拟,基于一种能改善边界精度的光滑粒子插值格式——有限粒子法(finiteparticlemethod,简称FPM),提出了一种新的点对体积的离散(point-to-volume discretization,简称PTVD)界面接触算法。该算法实际是将界面接触力等价转换为接触点附近两组粒子间的外部相互作用力。具体是根据接触界面特点将接触面两侧物体离散后的粒子划分为主体粒子和从属粒子,对于每个接触点附近的从属粒子,根据其影响域所包含的主体粒子情况确定该粒子与接触面的相对关系计算法向接触力,根据其影响域内两类粒子的相对切向速度和界面摩擦系数计算切向接触力。PTVD接触算法可避免界面粒子识别及精确模拟等相关的复杂接触力计算,充分体现了光滑粒子法的非局部特点。在利用经典界面接触和摩擦算例进行验证的基础上,将PTVD算法应用于颗粒土拟静力坍塌和弹体侵彻软土等涉及接触界面的大变形土力学问题SPH数值分析,结果表明PTVD算法在摩擦接触问题的SPH数值分析中具有有效性和广泛适用性。

潜航器垂直出水过程非定常空化流场演化分析

针对潜航器垂直出水过程空泡演化特性分析问题,采用多相混合物模型、完全空化模型和标准k-ε湍流模型,对稳态条件下的潜航器垂直出水过程非定常空化流场演化过程进行建模模拟,以试验中潜航器壁面上若干离散点的压力试验数据与计算模型进行对比,验证了所提数值方法的有效性。通过动态模态分解方法对潜航器周围壁面流场的速度场进行分解与重构,提取各阶模态频率及其变化过程。结果表明,2阶和4阶模态的频率与空泡生成、脱落的频率一致,表征了肩空泡在生长过程中壁面及尾部的大尺度旋涡与回射流的形成、脱落过程,是空化流场演变过程中的主要结流动特征。

基于结构化多孔表面定常吸气的圆柱绕流场控制

通过风洞试验研究了在雷诺数为10000时圆柱尾流主动流动控制效果,流动控制通过基于结构化多孔表面定常吸气实现,试验工况具有不同的等效吸气系数C_μ。尾流的二维流场测量通过粒子图像测速(PIV)实现,在瞬时流场结果的基础上进行本征正交分解(POD)得到模态特性、瞬时涡量演变、脉动速度功率谱、时间平均流动特性和阻力系数估计等的分析与对比,评估流动控制效果。试验结果表明:施加流动控制后的流场POD模态能量分布发生变化,旋涡的顺流向能量输运过程得到增强,当C_μ足够大时,旋涡脱落模式发生改变。剪切层沿顺流向延长,上下剪切层之间趋于平行,涡量值得到削弱。脉动速度的主频被削弱,湍流的波动和动量交换效应得到抑制;阻力系数估计值可降至无控圆柱的约11%。

气-液界面位置对微凹槽结构内两相流场和减阻特性的影响研究

在超疏水表面增加微凹槽结构,有利于在表面张力作用下留存部分空气形成气-液界面,从而大大降低流动阻力,在流动减阻方面展示了巨大的应用潜力.然而,由于流体剪切、空气溶解等影响,微凹槽内的空气容易发生损耗,导致气-液界面位置向凹槽底部移动,进而降低减阻效果.为了揭示微凹槽内空气损耗后气-液界面位置对流动减阻效果的影响,开展了显微高速摄影实验和计算流体动力学数值模拟,研究了微凹槽内不同气-液界面位置对两相流场特性的影响,并分析了等效滑移长度和减阻率的变化规律.结果表明,随着气-液界面位置的下移,气-液界面上方的流体从附着流转变为分离涡流,空气内部的涡流方向也从顺时针转变为逆时针.形成分离涡的临界空气损耗率为h_(c)^(*)=0.3~0.4,减阻率从12%降低到5%.界面下降后雷诺数Re、微通道宽度W和凹槽长度占比δ对微凹槽减阻性能也有重要影响,研究结果有助于深化对超疏水表面微凹槽两相流动减阻问题的认识,为微凹槽结构设计及应用提供重要的理论指导.

颗粒击穿气泡时气泡的变形和破裂

通过高速摄像机拍摄研究了颗粒击穿半球气泡破碎的演变过程.观察并分析了气泡成型后边缘再生和对流情况、受到颗粒击穿时气泡破碎的概率、以及成孔后的气泡破碎行为.通过量纲分析以及实验研究发现,气泡破碎概率是雷诺数和韦伯数的函数,概率P=1.08(Re^(0.5)We^(0.25))^(0.664),且当Re^(0.5)We^(0.25)>1020时,概率升至100%,气泡破碎形成的不稳定性射流数量是奥内佐格数Oh的函数.气泡液膜的卷曲速度随溶液浓度提高而升高,气泡液厚度随浓度提高而减小.

不同分数导数下Maxwell杂化纳米流体流动和传热变化的灵敏度分析

研究多孔介质中垂直拉伸板引起的分数阶Maxwell杂化纳米流体流动与传热现象,并考虑二阶滑移边界条件.利用分数阶剪应力和分数阶Fourier定律构建边界层控制方程.然后采用有限差分结合L1算法进行数值求解,并详细讨论分数导数参数增大时,各物理参数对该流体流动与传热影响的灵敏度变化.结果表明,Darcy数和滑移参数对平均表面摩擦系数的影响,以及滑移参数对平均Nusselt数的影响,对速度分数导数比对温度分数导数更敏感.Darcy数对平均Nusselt数的影响只对温度分数导数敏感,与速度分数导数几乎无关.此外,一阶滑移参数比二阶滑移参数对流动和传热的影响更大.

盐度对甲烷水合物分解特性影响的LBM模拟

海洋甲烷水合物在分解过程中会受到海水盐度的影响,本文基于格子玻尔兹曼方法建立了孔隙尺度下甲烷水合物在盐水中分解的数值模型。该模型综合考虑了甲烷水合物分解动力学、甲烷和盐的传质以及气液两相流动和传热过程,并通过引入附加源项描述盐度对于甲烷水合物分解的影响。在此基础上,本文分析了盐度对甲烷水合物分解特性及传热特性的影响。结果表明,甲烷水合物在盐溶液中的分解速率明显快于纯水中的分解速率,并且随着盐度的增加,水合物分解得越快,分解持续的时间越短。计算域内平均温度在水合物分解的初始阶段急剧下降,然后逐渐升高到初始入口温度,并且最低平均温度随着盐度的增加而升高。因此,盐度的增加可以加快甲烷水合物的分解速率,降低水合物分解的吸热量。

水平同心圆柱环内自然对流换热研究

外壁温度高于内壁温度的水平同心圆柱环形结构因具有良好的隔热效果,在工程上得到了广泛的应用,而水平同心圆柱环形结构的隔热降温效果受环内流体流动换热影响大,且目前缺乏外壁温度高于内壁温度的水平同心圆柱环内自然对流换热特性研究,因此针对外壁温度高于内壁温度的水平同心圆柱环形结构,数值模拟研究了普朗特数为0.7情况下间隙比(内圆直径与环间距之比,即δ)在0.1~14以及瑞利数在103~107时环内自然对流流动模式与传热。使用流线和等温线分别表示出计算的流动模式和温度场,并研究了间隙比和瑞利数对圆柱环内壁面的平均努谢尔特数的影响。研究发现:在低瑞利数时整个间隙比范围内都存在稳定的月牙形流型,此外还观察到4种不同的流动模式,即二维漏斗振荡流、三维螺旋流、二维多涡流、二维多涡振荡流。这4种流动模式在较高的瑞利数时出现,具体取决于间隙比。根据流动模式的分布特征,整个间隙比可分为3部分,即宽间隙(δ=0.1~2)、中等间隙(δ=2~8)和窄间隙(δ=8~14),给出了不同间隙比范围内环内壁面平均努谢尔特数与间隙比和瑞利数的相关方程,其相关系数(R^(2))大于0.990 2。

柔性飘带长度对Ahmed模型气动阻力的影响

为降低汽车行驶过程中的气动阻力,以尾部倾角为25°的Ahmed类车体模型为研究对象,提出在其尾部垂直面下边缘添加不同长度柔性飘带的控制方法,采用格子玻尔兹曼方法与有限元分析相结合的流固耦合计算方法,探讨了柔性飘带长度对汽车气动阻力的影响。首先对汽车模型进行格子尺度优化,得到模型的空气阻力系数;然后研究了柔性飘带对汽车气动阻力的影响;最后对模型尾部流场、柔性飘带附近流场以及模型尾部表面压力系数进行了分析。仿真结果表明:在模型尾部添加适当长度的柔性飘带,改善了尾流结构,提升了尾部表面压力,减小了车体的压差阻力,减阻率最高为12.25%。

微重力条件下PCM液桥内固液相变过程及热毛细对流数值模拟

为揭示微重力条件下PCM液桥相变过程流动特征及相变演化规律,建立PCM液桥数理模型,采用数值模拟的方法系统研究了不同工况下PCM液桥相变过程中固液界面的演化过程,分析不同高径比和温差对液桥形状、固液界面演化规律、相变速度和热毛细流动的影响.研究结果显示,在大温差条件下热毛细流动更加强烈,处于外部壁面处的相变材料的相变速度也会更快,外壁处的相变界面与壁面的夹角会更小.大高径比条件下会有同样的效果,同时也会产生更多的涡胞结构,热毛细对流效果更明显.结果表明,微重力条件下通过流体界面热毛细效应强化PCM相变是一种有效的方法.

极板凹凸排布对微流通道流动性能影响研究

目前电解单元极板多采用球凸球凹的组合布置形式,其目的是为了增强通道内部的抗扰动能力,提高流体分布的均匀性。为更深入改进通道内流场分布,采用CFD数值模拟的方法对比了5种不同球凸球凹排布方式内部的流场分布特性。结果表明,5种组合布置形式在入口处均呈涡旋运动的特点,且case A方形扩列在入口处的涡旋运动范围较小;布置的形式会影响流场的分布,在球凹球凸单元间形成连续的低速尾迹区,形成较大的速度梯度;温度场的分布与流体速度分布大体呈负相关;所有通道均有速度分量uw的负速度区域,其对应湍流动能较大;通道内部的凹凸单元布置形式会影响局部流动细节,改善流场分布均匀性,其中case A方形顺列的内部流场均匀性最佳。

三维圆柱声辐射特性数值模拟研究

了解流噪声产生机理及其特性,对于正确预测以及降低海洋结构物噪声具有重要意义。为了详细分析圆柱绕流的声辐射特性,对三维圆柱绕流噪声进行了数值模拟研究。首先,采用大涡模拟(large eddy simulation,简称LES)方法计算了非定常流场特征,结果与试验数据对比吻合良好;接着,基于流场结果利用FW-H方程以面积分法预测远场噪声,其总声压级与试验误差在5%以内,验证了方法的有效性;随后,对圆柱绕流噪声的辐射特性进行了分析,发现关于圆柱对称的各点总声压级相等,表明圆柱绕流声场具有对称性,与来流方向垂直、平行的各点声压级存在峰值,峰值频率分别对应于圆柱绕流涡脱落频率和涡脱落频率的两倍;最后,在亚临界雷诺数范围内分析了不同雷诺数对圆柱绕流噪声的影响。分析结果将为后续降噪研究提供一定参考。

基本流纬向切变下的稳定辐射斜压位涡

在大尺度垂直剪切中,嵌入一类新的、稳定传播的斜压涡旋,它辐射的Rossby波没有衰减.通过考虑Beta平面上的两层模型为基础,利用纬向二次剪切流与稳定辐射斜压流体之间的色散关系变化,进行数值模拟,得出了二次剪切流对稳定辐射斜压位涡(potential vorticity, PV)不稳定性的影响;同时涡旋产生的Rossby波,引起经向涡旋的传播及其他相干的热流;对于亚热带海洋向西流,随纬度变化,通过三角函数近似解,给出相应Bessel函数数值解,得到二次剪切流使得上层PV梯度的减少,持续延长了涡旋的寿命.

高雷诺数下质量比对圆柱涡致振动影响分析

涡致振动分析可为柔性结构抗风研究与工程应用提供重要理论依据。采用基于非平稳雷诺均值Navier-Stokes方程(Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations,URANS)的数值方法模拟了高雷诺数、高质量比条件下单向自由度圆柱的涡激振动。在改进的剪切应力输运k-ω(Shear Stress Transport,SST k-ω)模型基础上,运用动网格技术实现流固耦合,并结合Newmark-β方法求解结构运动方程。在雷诺数为1.39×104~1.04×105、折算速度为2~12的条件下,模拟分析了圆柱在不同折算速度时的涡激振动响应,得到了不同质量比时圆柱涡激振动的振幅比、振动频率比、升力系数等的变化特点,讨论了圆柱振动响应和旋涡脱落特性,分析总结了高雷诺数下不同质量比的圆柱涡激振动特性规律。结果表明:数值结果与已有试验的吻合程度较好;雷诺数和质量比对圆柱的涡激振动影响效果明显,对进一步分析圆柱涡致振动具有参考意义。

基于动力学模态分解的空化水射流非定常流场演化分析

空化水射流具有流速高、湍流强等特点,其空化流动结构十分复杂。因此,准确、快速地从非定常流场的海量数据中提取关键信息,并分析空化水射流的流动特性十分必要。基于FBDCM模型对RNG模型的湍流黏度进行修正,并考虑剪切应力对空泡形成的影响,对空化模型进行修正,与试验结果进行对比;采用动力学模态分解(DMD)方法对空化流场的空泡体积分数场进行模态分解。结果发现:1阶模态为平均流场,是流场的主要结构;2阶模态与空化云周期性脱落、溃灭的动力学行为有关;3、4阶模态表现出流场的高频行为;随着进口压力的增大,空泡脱落与溃灭的演变程度越来越剧烈,空泡尺寸与空穴长度逐渐增加,而2阶模态的频率逐渐降低,使得空化射流的流动周期变长。最后,将DMD重构流场与真实流场进行对比发现,随着进口压力的增加,DMD重构流场的误差增大,不过重构流场的最大误差仍低于1%,表明DMD方法能够准确地提取空化流场的流动特征。

基于CFD的仿生水动力学数值计算方法及其验证

鱼类经过长期的进化与自然选择,有着优异的水中游动能力,鱼类借助尾鳍能够进行快速高效的定向游动和快速启动/机动,借助胸鳍能够进行前进、后退和灵活的转向。本文基于计算流体力学(CFD)方法,给出适用于求解鱼类尾鳍/胸鳍的刚性运动以及身体躯干的柔性运动的网格划分策略,对仿生尾鳍、仿生胸鳍和仿生鱼在均匀来流中的水动力性能以及仿生鱼在静水中的自主游动进行数值计算。结果表明:基于CFD方法,采用结构与非结构混合的网格划分策略,应用动网格方法能够对仿生鱼的各类鳍及身体躯干的刚性或柔性运动进行有效的模拟,通过与实验结果进行对比,验证了对水动力性能求解的有效性。数值计算方法和验证算例对仿生水动力学的研究具有一定的理论参考意义。

亲水-超疏水相间表面通气减阻实验研究

超疏水表面有利于在壁面形成气膜层,是一种潜在的兼具防污功能的新式仿生减阻技术,但在高速来流的剪切作用下该气膜易流失破坏.通过构造亲水-超疏水相间表面来增强超疏水表面气膜层的稳定性,从而期望达到更优的减阻效果.采用重力式水循环管道测试系统,测试了在湍流状态下,超疏水条带宽度与雷诺数对减阻效果的影响,并分析了对应的气膜铺展状态及其对减阻特性的影响.结果表明,亲水-超疏水相间表面持续通气能解决表面气膜层的流失问题,实现气膜层的长时间稳定维持;表面减阻率随水流速度(雷诺数)的增大呈现降低趋势,且表面气膜稳定性逐渐降低;表面减阻率随超疏水条带宽度增加呈现出先增后减的趋势,并在超疏水条带宽度为5.0 mm时达到最大,最大减阻率为40.2%.分析原因在于,超疏水条带较窄时,高剪切应力的液固界面占比较高,带来了较高的阻力;而条带较宽时,表面气膜层稳定性不佳.因而在某一流动状态下,存在最为合适的超疏水条带宽度,使得减阻效果最佳.

基于EFEM和气泡统一方程的双气泡耦合效应研究

基于Euler有限元方法(EFEM),建立了双气泡水下脉动轴对称数值模型,通过与气泡统一方程和实验结果的对比,该模型的准确性和网格的收敛性得到了充分验证.计算结果表明,相比其他气泡理论,气泡统一方程对气泡动力学行为和流场中压力载荷的预测更为准确.结合EFEM和气泡统一方程,研究了浮力参数δ和强度参数ε对双气泡耦合规律的影响.当δ≤0.15时,上气泡在下气泡的作用下会产生垂直向下的射流,此时下气泡边界与固壁边界相似;而当δ增大至0.2时,下气泡对上气泡的影响减弱,浮力效应占据主导地位,上气泡的射流方向垂直向上.ε对气泡间的耦合作用未造成明显影响,但当ε≥150时,其对气泡射流速度的作用会明显减弱.

面向粒子图像测速的光流金字塔插值优化方法

提出了一种面向粒子图像测速的光流金字塔插值优化方法,可以减小重建角度误差和均方根误差,尤其是图像边缘部分的角度误差。使用该优化算法分别对单涡流、双涡流、DNS湍流粒子场进行速度场重建,得到三种流场的均方根误差和平均角度误差比优化前至少降低了15.96%和19.87%。搭建二维PIV实验系统,在待测流场中均匀撒入100μm的PSP粒子,进行旋转实验和注水实验,分别模拟涡流场和射流场,所提出的优化算法可以获得与常见算法流形一致的速度场。

Boycott效应的实验探究和PNK理论的修正

试管倾斜时悬浮颗粒的沉降速率比试管竖直时的快,这就是Boycott效应.对该效应的理论解释则众说纷纭.本文以颗粒大小、试管倾角和颗粒密度为变量,进行了Boycott效应的实验探究.在实验中,利用Liang-kai Huang模糊阈值法处理图像,精确测定了沉降速率,理论方面基于Krieger-Dougherty模型对传统的PNK理论进行了黏度的修正,与实验结果符合较好.