三维流场的虚拟现实技术开发与教学应用

开发了一种动态展示三维精细流场结构的虚拟现实系统。该系统包括:流场生成模块,用于通过数值模拟计算目标场景的瞬时流场,并进行可视化,得到目标场景的三维流场模型;存储模块,用于存储目标场景的三维流场模型;显示模块,根据按键指令调用并播放三维流场模型。通过虚拟现实技术实现多种模型的三维瞬时流场动态展示,实现了在流体力学教育与研究领域还原复杂流场中三维结构的功能,极大地激发了学生的求知欲与探索精神。

阻抗孔位置及直径对含长连接管调压室阻抗特性和三维流场影响研究

含长连接管的调压室可通过在连接管内设置小于其管径的阻抗孔来增强调压室的阻抗特性。为研究长连接内阻抗孔的位置及直径两种因子对此类调压室阻抗特性的影响规律,以水头损失系数和流量系数为优化目标,以位置和直径为优化变量,基于正交优化设计方法和CFD数值模拟软件,计算分析了各组合方案下的调压室阻抗系数和三维流场的变化规律。结果表明,阻抗孔前后水流湍流强度增幅明显,距离连接管两端端部越近,对调压室大井和管道系统内流场影响程度越大;当阻抗孔位于连接管顶部与调压室大井连接处,可最大程度发挥阻抗孔的阻抗效果,以阻抗孔与连接管管径比0.8为例,水头损失系数增幅约30%;连接管直径增大有效降低调压室局部流场压强最值浮动范围;阻抗孔位于靠近连接管顶部且不在大井连接处时,水流流出调压室时连接管及下游隧洞总体湍流强度较小,流场更稳定。

带齿形偏心捏合块双螺杆三维流场分析

针对传统双螺杆挤出机的混合性能较差,提出了一种带齿形偏心捏合块双螺杆结构,用以提升双螺杆挤出机的挤出品质。运用SolidWorks建立对应的几何模型,并在ANSYS/CFX有限元分析软件中对其流道进行三维流场分析,重点对宏观压力场、速度矢量场、速度流线场、剪切应变速率与挤出量进行讨论,并和传统双螺杆进行对比。结果表明:新型双螺杆流道压差较小,增加了物料停留时间;齿形偏心捏合块的存在使速度矢量分布不均,速度流线紊乱,剪切应变速率增大,提升了物料的分散混合效果。研究结果表明,新型双螺杆在保证挤出效率的基础上改善了挤出品质。

基于LOD四叉树算法的中尺度云团三维流场可视化模拟分析

中尺度环流在复杂的天气环境下时常被大尺度环流掩盖,不能及时获取中尺度云团的时空密度,影响了中尺度云团三维流场可视化模拟效果,为了提升可视化模拟性能,提出基于四叉树算法(levels of detail,LOD)的中尺度云团三维流场可视化模拟分析方法。分析了中尺度云团三维相对流场,从中获取了中尺度云团三维流场运动规律,并基于二维直方图取得中尺度云团三维流场特征;将粒子源与四叉树结构相结合,构成四叉树粒子系统,把取得的特征映射到系统内,利用该系统中的粒子完成中尺度云团三维流场的渲染绘制,从而实现中尺度云团三维流场的可视化模拟。实验结果表明,绘制帧率对比测试、可视化模拟速率对比测试和可视化模拟效果对比测试结果清晰度较高,可视化程度较高,实用性强、可靠性高。

轴流桨搅拌槽三维流场数值模拟

利用k -ε湍流模型预测了搅拌槽在不同操作条件下宏观速度场 ,模型成功预测了搅拌槽内速度分布 ,计算结果与实验结果吻合较好 .模型预测结果表明 ,搅拌槽内宏观流动场受搅拌桨槽径比影响较大 .对单层搅拌桨 -槽体系 ,挡板前后宏观流动场差别很大 ,在挡板以前区域 ,轴向流动较强 ,在整个r -z断面上形成一个整体循环 ;而在挡板后面区域 ,流体在桨叶安装位置高度附近转向轴心流动 ,槽体上半部区域形成二次循环区域 ,且二次循环区域内流体以向下流动为主 .

风力机风轮气动性能三维流场数值模拟

数值试验方法可为选择最佳形状风轮翼型和风轮尺寸,使风力机具有优异的空气动力特性提供试验依据。完善并依据计算流体动力学理论和相似理论,以风力机风轮作为研究对象,研究数值试验技术。建立考虑地形和风剪切效应影响的风电场风速湍流数学模型,利用相似理论构建风电场三维数值试验,并通过计算流体动力学软件Fluent实现,用户自定义函数(user-defined function,UDF)技术定义风力机动态风速及数值试验边界条件。研究风力机风轮的气动性能,模拟风轮在空气动力作用下的风轮表面压力、风轮转速、力矩时程等气动力作用参数。研究结果表明:利用数值试验和现场实测2种方法得到的风轮气动动态特性随时间的变化趋势具有相似性。

汽轮机调节阀全工况三维流场特性的数值研究

依据厂方提供的汽轮机调节阀原始设计和冷态试验数据以及电厂的运行反馈信息,对2种不同进汽方式的调节阀在全工况运行参数下进行了三维流场特性的数值模拟.研究结果表明,环形通道是主控通流能力、流动特性和稳定性的关键部分,其流场变化最为剧烈,小升程工况时在不足40 mm的极短区间内马赫数可从0.1升至1.9.阀座内的流场特性表现为:小升程工况时主流集中于通道的中心部位;中等升程工况时在阀碟下方出现较大的空穴区,并有显著的回流特征,这不仅影响通流能力,更为不利的是会引起不稳定性流动;高升程工况时流场分布趋于均匀.

基于三维流场计算的液力变矩器特性预测方法

为了改进液力变矩器特性计算方法,应用CFD软件对液力变矩器内流场进行数值计算,根据得到的内流场速度与压力信息,计算液力变矩器叶轮转矩,得到变矩器性能参数,从而预测所设计变矩器性能.为验证性能预测准确性,将W350液力变矩器基于三维流动数值解的性能计算结果与试验结果进行对比、分析,二者在数值上有良好的吻合,表明基于三维流场数值解的液力变矩器特性预测方法比传统的一维束流理论预测精确度更高,可以应用于工程实际.

非对称多喷嘴平底钻头井底三维流场数值模拟

全面考虑三维、旋转、非对称多个喷嘴射流等多种因素 ,对垂直和倾斜射流分别进行了数值模拟 ,并详细分析了井底和钻头间各面上的数据。布置了非对称分布的 4个喷嘴射流 ,明显地改善了井底流动状况。喷嘴倾斜射流能更好地加强井底流体的携带能力 ,彻底清除滞流或回流。但须注意在钻头表面上布齿时要避开涡 。

PV型旋风分离器内三维流场的数值模拟

采用雷诺应力模型(Reynolds stress model,简称RSM),在三维贴你坐标系下采用SIMPLE算法求解控制方程,应用Fluent程序数值模拟PV型旋风分离器内三维流场。计算结果与实测值相吻合,轴向速率在中心处有滞流、回流,环形空间顶部有二次流,排气管末端有短路流。随着排气管直径的减小,切向速率增大。

内燃机进气道和缸内三维流场数值模拟

内燃机进气道及缸内气体的流动是一种十分复杂的三维湍流运动，对燃油的喷射、混和气体的形成、燃烧和排放有重要影响。利用数值模拟方法是了解气流运动、发展变化规律及气流与燃烧关系的主要手段之一。采用瞬态咬合法模拟气阀和活塞的运动，采用分块划分网格技术形成计算域的整体网格。微分方程的计算求解基于ＫＩＶＡ－３程序，加入以上子程序，计算针对四冲程柴油机的进气过程进行模拟计算。

黄骅港海域三维流场数值模拟

利用三维潮流数学模型模拟黄骅港附近海域的流场,分析了黄骅港建港前后海域潮流场的主要变化,以及建筑物引起的沿堤流和口门横流及其对泥沙运动的作用.在NE向8级风作用下,黄骅港附近海域水流的垂向流速变化非常显著,对泥沙输移起重要作用.

高拱坝宽尾墩三维流场数值模拟

高拱坝表孔宽尾墩收缩射流水舌的扩散特性与其出口流速分布密切相关,为了求得收缩射流的水力特性,应用RNGk ε双方程湍流模型对高拱坝表孔不同体型及过流量条件下可能出现的降水曲线流态、急流冲击波流态、水跃壅水流态、缓流流态4种流态进行了数值模拟计算,水流自由表面的模拟采用VOF法,得到了溢流水面及流速分布。结果表明,无论在何种流态下,计算所得的水面曲线均与物理模型试验值吻合良好,所得的出口流速分布结构也验证了高拱坝宽尾墩收缩射流水舌不同流态下分散的机理。

APFSDS弹托分离干扰三维流场数值模拟

通过应用多块复合网格生成法的网格生成技术 ,对尾翼稳定脱壳穿甲弹 (APFSDS)的外形进行适当简化后 ,生成了三瓣弹托对称分离的三维贴体网格。在此网格生成的基础上 ,对其分离过程应用TVD有限体积格式进行了三维流场数值模拟 ,并将气动力计算结果与风洞实验结果进行了对比 ,结果表明数值计算结果合理。

天然河段港口工程三维流场数值模拟

根据天然河段的地形条件,结合某港口建筑物布置,构建了工程河段流场数值计算模型.基于标准k-ε紊流模型,用有限体积法离散控制方程组,利用全隐式多重网格耦合求解技术,预测了港口工程河段水流流场的变化.

复杂结构气体燃烧器三维流场和燃烧状况数值模拟

以美国JohnZink公司一种瓦斯燃烧器为几何原型 ,保持燃烧器和稳焰旋流器附近的三维复杂形状 ,生成了包括燃烧器和炉膛的结构化网格。以甲烷为燃料 ,采用标准的k ε湍流模型、双δ混合燃烧模型和蒙特卡洛辐射换热模型对燃烧器内的流动及燃烧状况进行了全尺寸数值模拟 ,计算了旋流器附近的复杂流场 ,预测了燃烧器流场、温度场以及各组分的分布状况。计算结果表明 ,标准的k ε湍流模型、双δ混合燃烧模型和蒙特卡洛辐射换热模型能够用于计算复杂结构内的流动和燃烧过程。

各向异性k-ε湍流模型在Rushton桨搅拌槽三维流场整体数值模拟中的应用

根据搅拌槽内的流动呈各向异性的特点 ,引入适用于强旋转流场的各向异性k -ε湍流模型 ,用改进的内外迭代法对有挡板的Rushton桨搅拌槽进行了整体数值模拟 .利用文献中对搅拌槽内流场测定结果 ,给出了适用于Rushton桨搅拌槽的各向异性湍流黏度系数值 .模拟计算得到了搅拌槽内的流场分布和脉动速度分布 ,并同标准k -ε湍流模型计算结果及文献数据进行比较 .结果表明 ,各向异性k -ε湍流模型能成功反映Reynolds应力、湍流动能等湍流特征量 ,明显优于标准k -ε湍流模型 .

啮合同向双螺杆挤出机螺纹元件三维流场分析

利用ANSYS有限元分析软件对啮合同向双螺杆挤出机的螺纹元件流场进行了三维等温非牛顿模拟分析。通过速度场求出了流量及回流量 ,并求出拉伸速率、剪切速率及剪切应力来衡量混合效果。得到了机筒表面和啮合区的压力分布 ,找出了螺纹的导程。

旋风分离器两相三维流场仿真

使用商业CFD软件STAR-CD,建立了排气管插入深度不同的三种切向进口式旋风分离器内部流场k-ε双方程湍流模型,对切向进口式旋风分离器内部流场进行了模拟。通过分析排气管插入深度对旋风分离器流场的影响,得出了旋风分离器中的压力和速度分布,以及粒径为20μm和2μm的SiO_2尘粒运动轨迹,为旋风分离器的设计和优化提供了重要的理论依据。

基于计算流体力学的木材干燥窑内三维流场的数值模拟

采用CFD技术模拟了干燥窑内气流运动规律,探讨了三维空间内流场的均匀性。通过详细对比不同截面的速度分布图可知:由于挡板的导流作用,装有弧形导流板的干燥窑内流场比较均匀。分析证明利用CFD可以省时省力地模拟木材干燥窑内任何时间及空间内的流场,预测风速。在干燥窑内适当安装弧形导流板可以提高木材干燥的质量。