一类带有非线性阻尼项的磁流体动力学方程组的解的整体存在性

本文研究在多孔介质意义下的一类带有非线性阻尼项a|u|^(α-1)u(a> 0)的不可压的磁流体动力学方程组的解的整体存在性问题,通过古典的能量方法和Sobolev紧性嵌入方法获得了解的整体存在性,利用Gagliardo-Nirenberg插值不等式和其它的一些重要不等式得到了解的正则性结果,建立了弱解和强解的整体存在性,这些结果在很大程度改善了之前相关文献的结果,揭示了磁流体运动的物理现象,为磁流体动力学的发展提供了必要的理论基础.

应用计算流体动力学方法估测医院急诊大厅颗粒物分布特征的研究

目的基于室内场所的空间几何构型、风速、颗粒物浓度和环境温度测量值,阐述空气中颗粒物浓度、悬浮时间等分布规律。方法现场测量医院急诊大厅的空间及其中大型设施的尺寸,测量环境中颗粒物数量浓度、温度、风速,场所空间尺寸用于构建模型,环境检测参数用于确定模型的边界条件和验证模型的正确性。基于格子波尔曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)计算颗粒物运动,应用对流扩散方程计算空调送风系统出风口处颗粒物浓度的变化,离散相模型(discrete phase model,DPM)用于计算颗粒物在流场的运动情况。结果环境检测表明空调送风系统出口风速与室内颗粒物数量浓度呈负相关,人群聚集的候诊区颗粒物数量浓度高于诊室(P值均<0.05)。通过建立的数学模型进行仿真计算,仿真相对浓度未超过实测相对浓度的x±s范围,候诊人群使局部颗粒物浓度升高,候诊区人员咳嗽呼出气中的颗粒物可以在15 s内传播给周围的人,呼出气中60%的颗粒物悬浮时间可持续几分钟或更长时间。结论改变模型中的空间几何尺寸和环境检测参数可以用于计算不同室内场所中颗粒物的分布情况,仿真结果与实测结果具有可比性,数学计算结果可支持环境呼吸危害防控管理措施的制定。

高空核爆炸磁流体动力学电磁脉冲

高空核爆炸产生的磁流体动力学(晚期)电磁脉冲对电力系统等国家重要基础设施具有严重影响。由于晚期电磁脉冲产生的机理复杂,依赖因素众多,包括爆炸当量、爆高、爆炸方位、爆炸时间、观察点位置以及土壤电导率等,因此,目前还没有成熟的代码可以模拟整个晚期电磁脉冲的产生过程。介绍晚期电磁脉冲的产生机理,讨论晚期电磁脉冲电场随核装置爆炸当量、爆高和大气状况的变化关系。E3A电场峰值随爆炸当量线性增加,而E3B电场峰值则随爆炸当量增加出现明显的饱和效应。分析了当前晚期电磁脉冲模拟代码现状,为进一步研究晚期电磁脉冲数值模拟方法和代码研发提供参考。

光滑粒子流体动力学流体仿真技术综述

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)是实现流体仿真的主要技术之一.随着生产实践中流体仿真应用需求的增加,近些年涌现了许多相关研究成果,改善了流体不可压缩性、粘性、表面张力等物理特性模拟的视觉真实性、效率与稳定性.同时,一些工作探讨了复杂场景的高质量模拟,以及多场景、多材料的统一仿真框架,增强了SPH流体仿真技术的应用效能.从以上几个方面对SPH流体仿真技术进行归纳、总结和讨论,并对其未来发展进行了展望.

基于光滑粒子流体动力学的波浪中航行体入水数值模拟

航行体在波浪条件下高速入水的运动响应和载荷特性是其研发设计过程中需要重点考虑的问题,为了对该问题进行精准预测,采用无网格光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法,提出了一种新型周期性波浪边界技术,利用四元数法计算物体六自由度运动,建立了波浪条件下入水模拟的数值水池。通过对静水中方块体垂直落水和航行体倾斜入水运动轨迹和冲击载荷的模拟,对比于实验参考结果,验证了数值模型的计算精度。随后,在SPH数值波浪水池中对航行体在不同波浪相位角下的高速入水过程开展研究,结果表明航行体弹道稳定性受到波浪相位角影响显著,0°相位角入水时弹道最为稳定。该新型SPH数值水池能够实现航行体波浪中入水过程的精确预报。

基于电流体动力学的马铃薯切片干燥特性变化

电流体动力学干燥作为一种新型干燥技术,以成本低、干燥均匀、高效节能等优势,为热敏性物料的干燥提供了新的方法。为探究电流体动力学作用下马铃薯切片的干燥特性和理化特征,该研究将马铃薯切片在0、14、18、22、26、30 kV的交流电压下进行干燥,利用红外光谱和低场核磁共振技术分析电流体动力学干燥对马铃薯切片中分子结构、水分迁移的影响。结果表明,马铃薯切片在30 kV电压下的平均干燥速率、有效水分扩散系数、复水比分别为0.9228 g/(g·h)、2.2653×10^(−10)m ^(2)/s、4.78,明显优于其他电压下的试验结果。电流体动力学干燥后,马铃薯切片中的官能团没有发生明显变化,蛋白质以β-折叠结构为主。干燥可提高马铃薯切片内部自由水的流动性并降低组织对不易流动水的束缚力,从而促进水分的去除和迁移。电流体动力学干燥技术较好地保留了马铃薯的营养成分,该研究结果为马铃薯切片的干燥提供理论依据。

熔盐堆流体动力学模型降阶方法适用性分析

对于熔盐堆全堆高保真流体动力学计算,即使借助超级计算机的并行计算能力在面对快速甚至实时求解的问题仍然面临效率的巨大挑战,引入和采用模型降阶(Reduced Order Modeling,ROM)方法,将能够有效解决这类问题。基于本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)方法与Galerkin投影法,引入基于有限体积的模型降阶(ROM based on Finite Volume approximation,FV-ROM)方法和上确界稳定模型降阶(ROM with supremizer stabilization,SUP-ROM)方法,针对液态燃料熔盐堆(Liquid Fuel Molten Salt Reactor,LFMSR)层流和湍流瞬态工况开展适用性分析。结果表明:FV-ROM方法在速度误差和计算效率方面占有明显优势,层流和湍流瞬态速度平均L^(2)相对误差低于0.5%和0.6%,且单步长的加速比分别为1500和1000倍左右;相比之下,SUP-ROM方法在压力预测方面表现出显著的优势,层流和湍流瞬态压力平均L^(2)相对误差低至0.20%和0.38%。因此,通过FV-ROM和SUP-ROM两种方法相结合的方式进行熔盐堆流体动力学速度场和压力场预测,能够更加有效地提高流体动力学仿真的效率,并确保瞬态模拟过程计算可靠性和精确度。

计入粗糙峰的微纳结构表面水润滑流体动力学仿真

随着表面精密加工技术与润滑减摩研究的发展,利用表面织构化技术提升其表面减摩效果的研究已引起广泛关注,但少有研究考虑摩擦副表面粗糙形貌对润滑特性带来影响.本研究采用计算流体动力学(CFD)模拟方法,建立了矩形织构模型,并在其表面计入粗糙峰结构,讨论水润滑条件下不同粗糙峰结构模型润滑特性变化规律.结果表明:调节微纳复合表面结构参数,将改变润滑水膜承载力,进而影响微纳复合结构表面的动压润滑效果.此外,织构内涡流生成导致涡量变化,引起能量耗散并影响摩擦力.对矩形织构模型,适当的深度比(H=0.6)可使其表面动压润滑效应达到最优;而增大织构宽度比(W),动压润滑效应增强.在微织构表面引入高斯随机粗糙峰后,当随机粗糙峰高度变化标准差δ为0.5时,承载力可提升44%,摩擦系数降低30.9%.若引入半正弦粗糙峰,承载力和摩擦系数的变化范围均小于10%,对润滑效果的影响不明显.若同时引入高斯随机粗糙峰和半正弦粗糙峰,承载力可提升42%,摩擦系数下降31.1%,即表面动压润滑效果提升也较为显著.

基于计算流体动力学技术评估动脉瘤性蛛网膜下腔出血后迟发性脑缺血风险

目的基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术,探究动脉瘤性蛛网膜下腔出血(anauryrmal subarachnoid hemorrhage,aSAH)后颅内血流动力学早期变化与迟发性脑缺血(delayed cerebral ischemia,DCI)发生的潜在关系。方法本研究前瞻性收集经CTA(CT Angiography)诊断并经DSA(Digital Subtracted Angiography)或手术证实为颅内动脉瘤破裂的患者。收集患者的临床和术前、术后的头颅CTA数据。基于患者的CTA原始图像构建个体化颅内血管模型,基于CFD技术模拟计算术前、术后的压力和壁剪切应力(wall shear stress,WSS)及PR(pressure ratio)、WSSR(WSS ratio)。通过随访影像学或临床体格检查判断是否发生DCI,并分为DCI组和无DCI组,分析比较两组间临床资料及血流动力学参数差异及其与DCI相关性。结果共入组51例患者,其中DCI组共15例患者(29.4%)DCI组较无DCI组,入院时收缩压(170.87±20.28 vs.1.58.19±28.06,P=0.037)、Pressure术后(19735.10±860.18vs.14606.06±11260.28,P=0.010)和PR(1.58±0.01vs.1.37±2.12,P=0.012)均较高。单因素分析显示血流动力学参数均无统计学差异,而多因素分析显示Pressure术前(OR=1,95%CI:0.999~1,P=0.017)、Prassure术后(QR=1.00.1,95%CI:1~1.001,P=0.007)、WSS术前(OR=1.096,95%CI:1.002~1.198,P=0.045)和WSS术后(OR=0.888,95%CI:0.806~0.979,P=0.017)对DCI的影响有统计学意义。ROC曲线显示,基于Pressure术前、Pressure术后、WSS术前及WSS术后模型对DCI的识别效能AUC为0.794,敏感度为73.33%,特异度为86.1%。结论aSAH后颅内血流动力学早期改变与DCI发生有关。

一种基于计算流体动力学的非侵入性评估门腔静脉压强梯度新方法

目的准确评估门静脉高压(PH)患者的门腔静脉压强梯度(PCG)对于诊断和治疗都具有重要意义。本研究旨在开发一种非侵入性方法来评估PH患者的PCG,并评估其准确性和有效性。方法纳入了37名接受经颈静脉肝内门体分流术(TIPS)治疗的PH患者。利用计算机断层血管造影术创建了每位患者术前和术后的三维模型,并通过多普勒超声检查获取了患者门静脉(或脾静脉和肠系膜上静脉)的血流速度,然后建立了一个多尺度模型,最后通过计算流体动力学(CFD)无创获取了患者术前和术后的PCG,并将这些非侵入性结果与临床侵入性测量结果进行比较。结果在TIPS手术前后,CFD数值模拟获取的PCG与临床侵入性测量数据之间存在强烈的线性相关性(R2=0.998,P<0.001和R2=0.959,P<0.001)。这种非侵入性方法的评估准确率达到了94%,并且如果超声结果误差小于20%,其对数值准确性的影响是可忽略的。此外,通过这种数值方法还获得了门脉系统血流动力学环境的信息,例如在一些患者的门静脉中观察到螺旋流动模式。结论本研究提出了一种用于评估PH患者在TIPS手术前后PCG的非侵入性数值方法。这种方法可以帮助医生准确诊断患者并选择适当的治疗方案。另外,未来它还可以用来进一步研究与TIPS相关的并发症的潜在生物力学原因。

旋风洗涤除尘器压降及流体动力学特性

旋风洗涤除尘器结构相对简单且除尘效率高,是对煤炭地下气化产出的粗煤气进行净化处理的可靠设备。通过室内实验和CFD数值模拟相结合的方法,研究旋风洗涤除尘器压降规律和相应的流体动力学特性。实验测量单气相和气液两相流动条件下旋风洗涤除尘器的压降,考察气体流量、液气比(体积比)和喷淋位置对设备压降的影响规律,并基于验证的数值模型确定旋风洗涤除尘器内的流体动力学特性。结果表明:旋风洗涤除尘器压降随气流量增加而显著增加,且在当前的液气比以及改变喷淋位置对设备压降的影响较小。当前确定的设备结构可以有效实现旋风除尘和喷淋除尘,但除雾滴用起旋板上方的流场可以进一步优化,以便实现气流夹带液滴的有效去除。

基于结构力学和流体动力学分析的HfO_(2)空心微针结构研究及评价

目的研究不同尖端尺寸HfO_(2)空心微针(hollow microneedle,HMN)的结构力学性能和HfO_(2)空心微针流体力学性能,以增强HfO_(2)空心微针的穿刺性能,减少给药过程中液体药物的损耗,并提高空心微针给药的精准性。方法针对HfO_(2)空心微针长度(L=250μm、350μm、500μm)、直径(D_(b)=150μm、200μm、250μm)以及针尖直径(D_(t)=10μm、20μm、30μm)进行正交设计得到9组HMN的尺寸参数组合,并进行结构力学分析,选出最优外形的HfO_(2)空心微针。对T形、120°Y形和60°Y形三种形状的管腔孔道进行流体动力学分析。在不同入口压力下,研究三种管腔内部流体的压力场、速度场分布,并分析3种管腔的流体速度损失,量化评估HfO_(2)空心微针孔道的流动性能。结果针对9组HfO_(2)空心微针的结构力学分析,结果显示微针长度为350μm、基底直径为200μm、尖端直径为20μm时,HfO_(2)空心微针能得到较高的安全系数并保持结构的稳定性,在穿刺过程中未发生失效。针对HfO_(2)空心微针的流体动力学研究,结果表明,60°Y形的HfO_(2)空心微针管腔,入口至出口处的速度损失最小。结论本文设计的HfO_(2)空心微针在满足安全要求的同时可实现穿刺性能优化,并减少流速损失和实现无堵塞给药,为后续降低实验研究相关的成本和时间提供指导。

陷窝-小管形态和网络结构对骨细胞流体动力学微环境的影响

目的骨重建过程受力敏感细胞“骨细胞”的调节,陷窝-小管网络(lacunocanalicular network,LCN)是为骨细胞提供流体动力学微环境的场所。不同生理病理条件导致LCN的形态和结构变化,可能会影响骨细胞流体动力学微环境,进而影响骨重建效应。本研究旨在阐明LCN的结构和形态变化对骨细胞流体动力学微环境的影响规律,以期为骨力学适应性重建机制提供更深入的理解。方法建立了表征宏观力学载荷经由组织变形在LCN内形成流体动力学微环境的“整骨-LCN”多尺度力学模型,研究了LCN的形态(陷窝形状、体积和小管面积、长度)和结构(陷窝密度、小管密度、连通性、分支)的改变对骨细胞流体剪切力(FSS)的影响。结果LCN的形态变化如陷窝体积减少10%~30%时,FSS线性地降低7%~21%;而小管面积的减少,则使FSS增加7.9%~30.5%。LCN的结构改变会强烈影响LCN内FSS的分布,同时小管密度的降低会显著增加FSS,而陷窝密度的降低对FSS影响较小。结论研究结果揭示了LCN形态和结构变化对骨细胞流体动力学微环境的影响规律,为理解不同生理/病理条件下骨力学适应性重建效应的差异提供理论基础。

骨细胞陷窝-小管流体动力学微环境调控骨重建的生物力学机理

目的骨力学适应性重建受到不同力学信号、微重力环境和生理病理等条件的影响,但其无法通过经典的Wolf定律或Frost理论解释。团队从骨细胞力学微环境入手,探究以上条件通过骨细胞陷窝-小管网络(LCN)流体动力学调控骨重建的生物力学机理。方法利用活体小鼠胫骨轴向加载,显微CT和共聚焦成像,RNA-seq以及“整骨-LCN-骨细胞”多尺度力学建模,研究骨骼外部不同力学信号参数(如幅值、频率、循环、间歇和加载方向等)以及废用和增龄等条件引起的LCN结构变化对LCN内流速/流体剪切力(FSS)和骨细胞响应的影响。结果加载幅值、频率以及加载方向主导LCN内FSS大小的变化;循环数量增加使骨细胞响应饱和,间歇助其恢复力学敏感性。废用导致陷窝体积增大,增加了LCN内骨细胞感知的FSS,促进了相关基因集的表达,增强了废用条件下骨力学适应性重建。总的来说,LCN形态(陷窝体积和小管截面积)变化时,骨细胞感知的FSS呈线性增减;而LCN结构改变(陷窝和小管密度降低)将强烈影响LCN内FSS分布,从而影响骨细胞的力学感知。结论从骨细胞LCN力学微环境新视角,阐释了不同力学刺激信号和生理病理等条件影响骨力学适应性重建的机制,为骨重建力学调控理论向纵深发展奠定了一定基础。

俯仰翼型流体动力学系统的稀疏建模与预测

重点探讨了在低雷诺数和大攻角条件下,俯仰翼型复杂流体流动的非线性动力学特性.研究通过整合多个相互关联的变量,利用主成分分析(principal component analysis,PCA)和等距特征映射(isometric mapping,ISOMAP)降维技术,成功实现了对高维流场数据的低维表达.其中,特别强调了ISOMAP在描述非线性流场特征方面的卓越性能,该算法具有更强的灵活性,能够有效处理高度非线性系统的复杂结构.在此基础上,研究进一步引入最小绝对收缩和选择算子(least absolute shrinkage and selection operator,LASSO)模型,构建了流场的常微分控制方程.这一模型通过自动检测和筛选非线性项,显著简化了流场的描述,提高了对多变量复杂关系的理解.最后,研究采用5(4)显式龙格-库塔方法,实现了对多变量非线性流体动力学的高精度快速预测.这项研究框架不仅突破了传统单一变量分析的局限性,还通过整合多维信息,全面揭示了流场的复杂特性.引入流形学习和稀疏建模等先进技术,展示了在高维非线性动力系统中的全面建模与精确预测的潜力.这一研究为应用科学和工程领域提供了重要的理论方法学进展,为深入理解和预测复杂流场中的非线性动态行为开辟了新的路径.这不仅为相关科学研究提供了强有力的工具,也为工程应用中的流体动力学问题提供了有效的解决方案.

电流体动力学静音泵制备及性能研究

为实现快速、精确和智能主动控制,课题组设计制备了一种电流体动力学(electro hydro dynamics,EHD)静音泵。该种泵是基于电场与介电液直接相互作用的一类非机械泵,采用三明治结构,上、下2层电极完全对称,呈梳齿状排布;中间为宽度2 mm,高1 mm的通道层。通道层中充满了介电液,在高强度电场下介电液中杂质或弱电解质的解离产生自由电荷,致使介电液产生流动。为了对电流体静音泵驱动力的影响因素有更深入的了解,课题组用液位差表征静音泵的驱动力,通过控制变量法分析了不同电极间距、不同电极宽度和不同电极对间距对静音泵驱动力的影响。结果表明:不同电极宽度的变化对驱动力影响较小;在发生击穿前的同等电压下,电极间距越小,驱动力越大;而在发生击穿前的同等电压下,电极对间距在大于4 mm后,驱动力变化不大。

氢燃料电堆工程设计中的热力学与流体动力学优化策略探讨

氢燃料电堆作为一种新兴的能源转换技术,具有高效、清洁和可再生等优势,被广泛应用于交通运输、工业生产和住宅能源等领域。然而,氢燃料电堆的性能和效率受到其工程设计中热力学和流体动力学的影响。因此,研究热力学和流体动力学优化策略对于提高氢燃料电堆的性能具有重要意义。本文旨在介绍氢燃料电堆工程设计中热力学和流体动力学优化策略的研究目的和意义。通过深入分析热力学和流体动力学在氢燃料电堆中的作用机制,探讨如何优化氢燃料电堆的设计参数,以提高其性能和效率。

石油化工装置的流体动力学模拟与性能改进

目前,石油化工生产过程中,对石油化工装置进行模拟与性能改进是非常重要的研究方向。本文的主要目的是先进的数值模拟方法来研究对石油化工装置进行优化,从而达到提高生产效率,降低能耗,降低环境污染的目的。主要介绍了 介绍了流体动力学模拟的基本原理和方法,CFD (Computational Fluid Dynamics, CFD)与多相流数值模拟的理论与方法。在此基础上,重点研究了石油化工装置中的混合、分离、传热与质量传递等关键的流体力学问题。从器件设计、工艺参数优化、材料制备等方面开展研究。最后对重要性和未来的发展方向进行了研究,希望能对石油化工装置的可持续发展起到积极的推动作用。

基于流体动力学的固液两相流对阀口冲蚀机理分析

本文围绕基于流体动力学的固液两相流对阀口冲蚀机理展开了深入分析,并特别关注了不同粒径颗粒物在阀口间隙中的分布情况。依据ISO4406-1987标准,选取5μm和15μm作为特征粒度,本文仿真分析了8μm和12μm粒径的颗粒物在不同阀口开度下的分布情况。结果表明,颗粒物在间隙中的分布与阀口开度密切相关,且较大粒径的颗粒物更易在铜套与阀芯间隙端聚集,使得阀口的冲蚀风险增大。这些发现对于优化零件设计、提高阀口的抗冲蚀性和元件工作可靠性具有重要意义。

基于流体动力学仿真的微量润滑喷嘴参数优化

微量润滑(MQL)切削技术在切削加工中获得了良好的加工效果,其中喷嘴参数对微量润滑性能有着重要影响。为改善和优化微量润滑性能,采用正交试验法和ANSYS Fluent软件对气相窄流区宽度、锥度、输出管长度、气相窄流区长度、输出孔径、流量等6个因素的影响进行了流体动力学的数值仿真研究和统计分析。结果表明,在不同评价标准下,6个影响因素的主次顺序不同;影响综合指数的最重要参数为距离喷嘴0.1 m处的喷射截面分散程度,影响综合指数的优先顺序为:距离喷嘴0.1 m处的喷射截面分散程度>距离喷嘴0.2 m处的喷射截面分散程度>离喷嘴0.3 m处的喷射截面分散程度>喷射方向衰减率>离喷嘴0.05 m处的喷射绝对速度;喷嘴参数的最优组合为:输出孔径1.5 mm、输出管长度0.5 mm、锥度45°、气相窄流区宽度0.2 mm、气相窄流区长度0.5 mm、流量40 L/min。