低弗劳德数条件下尾坎坡度对消力池内流场结构的影响

低水头、大流量条件下泄洪,易形成低弗劳德数水流,对下游河床和边坡造成冲刷风险。基于某水利枢纽工程,采用数值模拟的方法,应用RNG k-ε数值模型,研究了不同尾坎坡度体型下消力池内低弗劳德数水跃的流场特征。研究结果表明:低弗劳德数来流条件下,消力池内形成的淹没式水跃沿水流方向可分为核心区、发展区和回流区;核心区在水深方向上按流速特性又分为射流内层、射流外层、旋滚内层和旋滚外层;不同尾坎坡度的消力池中,均遵循时均压强沿程增大、临底流速自收缩断面后沿程减小的规律;尾坎坡度变陡会使得水跃的旋滚起始断面向上游移动,旋滚终止断面向下游移动,从而使得旋滚长度增大;当尾坎坡度为1∶3时,尾坎斜坡段临底流速梯度为0,当尾坎坡度小于1∶3时,尾坎斜坡段临底流速梯度为负,当坡度大于1∶3时,流速梯度为正,其原因是尾坎坡度变陡使得尾坎对水体的阻力在平行于尾坎坡面方向的分量减小,从而使得流速梯度逐渐增大。研究成果可为类似工程中消力池的设计选型提供参考。

基于大涡模拟方法的三维旋转爆轰流场结构研究

为研究环形燃烧室中边界层、黏性、湍流模拟方法对旋转爆轰流场结构的影响,采用开源计算流体动力学软件OpenFOAM,以氢气为燃料、空气为氧化剂,基于大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法、RANS方法、Euler方法,分别结合滑移和无滑移边界,对三维旋转爆轰发动机模型进行数值模拟,分析对比不同计算方法下旋转爆轰流场结构。着重讨论以LES方法得到的流场结构。研究结果表明:当采用滑移边界时内、中、外截面的流场温度无太大差异,当采用无滑移边界时内外壁面温度高于中间截面,边界层会影响近壁区域气体的流动速度,导致内外壁面爆轰波高度低于中间截面,还会影响燃烧产物的流动状态轴向截面上爆轰波波头产生变形;不同湍流计算方法得到的旋转爆轰流场结构存在相似性,黏性是影响旋转爆轰流场结构的主要原因。研究结果对于揭示边界层和黏性对旋转爆轰的影响机制具有一定的科学意义。

浅埂-深潭区的流场结构对树叶运动特性的影响研究

研究浅埂-深潭中复杂的流场结构及其对树叶运动特性的影响对生态航道建设具有重要意义。为研究不同形式的浅埂-深潭区段的流场结构及树叶的运动特性,结合长江上游朝天门至涪陵河段浅埂-深潭生境营造方案,通过调整浅埂长度(L)改变河宽缩窄率(N)、浅埂间距(S)以及浅埂淹没程度(Z)设计水槽试验,对比分析其流速场结构以及树叶的轨迹特征。研究结果表明:①回流区特征和流速梯度是影响树叶运动的关键因子,树叶大多在流速梯度较大的区域上运动。②当浅埂处于未淹没状态时,上游深潭的回流区范围以及平均流速比下游深潭大,回流区长宽比为3∶1最有利于树叶进入深潭。③随着河宽缩窄率的增大,浅埂头部附近流域的流速梯度增大,树叶进入深潭的概率逐渐增大。④当浅埂被淹没后,深潭区难以形成回流区以及浅埂顶部发生的跌水过程均不易使未浸泡的树叶保留在深潭内。⑤以树叶进入深潭的概率作为浅埂-深潭生境评价的重要指标,提出N=0.33,S=3 L作为浅埂-深潭生境的最优方案,可适当增大浅埂的高度(D),有利于树叶等有机漂浮物的富集。研究成果可为后续研究浅埂-深潭型鱼类生境营造方案提供科学参考。

对撞射流下通风空间的流场结构实验研究

为了研究送风口和回风口位置对室内流场结构的影响,本文搭建了采用多条缝对置撞击送风的通风缩比模型实验平台,利用激光粒子测速技术研究了等温和非等温工况下多条缝通风空间中不稳定气流场的速度和湍流信息。结果表明:等温和非等温工况下,送风口截面的流场速度、湍动能和涡量的空间分布类似,最大值分别可以达到1.3 m/s、0.1 m^(2)/s~2和60 s^(-1),射流碰撞形成2个大尺度涡旋,造成流场结构不稳定;CS4.5截面,流场速度、湍动能和涡量最大值分别可以达到0.9 m/s、0.04 m^(2)/s~2和30 s^(-1);CS3.5截面,速度与涡量最大值均出现在近壁面附近,分别为0.42 m/s、8 s^(-1),湍动能最大值出现在截面中间位置,为0.13 m^(2)/s~2,且流场中形成了大规模的涡旋;非等温工况下,送风口截面和CS3.5截面中小尺度涡旋增加,大尺度涡旋减少,热羽流抑制了大尺度流场结构,增加了小尺度流场结构。

高速列车关键区域流场结构及气动噪声特性仿真分析

通过建立包含受电弓、转向架的3节编组列车数值模型,利用分离涡模型对车身流场进行计算,利用宽带噪声源模型和FW-H方程对车身表面源强以及远场气动噪声传播进行分析。研究结果表明:高速列车车身周围流动结构与噪声源位置密切相关;车头、车尾、受电弓、转向架区域为主要噪声源区域;随着列车运行速度的提高,车身表面声功率增加;气动噪声源强度主要取决于气流与构件之间相互作用状况,头车1位转向架表面声功率最高,随着纵向距离的增加,转向架表面声功率呈减小趋势。

泵站正向进水前池扩散角对池内流场结构的影响

针对从多沙河流取水的大型泵站进水前池内水流流态较差,易在池内产生大尺度回流区域,导致泥沙严重淤积等问题,该研究以甘肃省景泰川电力提灌工程典型泵站的正向进水前池为研究对象,构建不同扩散角体型结构的正向进水前池三维模型,基于Mixture多相流模型和Realizable k-ε模型开展数值模拟计算,阐明了正向进水前池流场结构特征,提出了有效改善正向进水前池流场结构的扩散角范围。结果表明:泵站机组全开时,正向进水前池内流场结构对称分布,在进水前池中央形成主流区,两侧形成回流区,中央主流区域水流流速远大于两侧回流区,主流效应显著;随着扩散角的减小,两侧低流速区面积减小,主流区域流速呈下降的趋势,区域宽度呈现增加的趋势,进入前池的水流扩散效应增加明显;扩散角在25°~30°之间时,入池的水流沿流程发展和扩散较为充分,有效改善多泥沙河流引水泵站前池的泥沙淤积,研究成果可为同类泵站的设计和更新改造提供指导和参考。

深海多金属结核水力集矿头流场结构数值模拟研究

深海蕴藏着丰富的多金属结核资源,受海水深度等限制,结核采集目前仍存在巨大挑战。水力式采矿具有结构简单、可靠性高的优势,是目前最具发展前景的采集方式之一。水力式采矿通过水流动力进行结核采集,喷射形成的复杂流场结构直接影响海床上结核颗粒剥离、起动、采集效率和海洋环境扰动强度,采集器离地高度、喷嘴射流角度和速度等具有较大优化空间。基于计算流体力学数值模拟研究了集矿头附近三维水流结构,分析了喷嘴射流速度和结核粒径对局部流场、床面剪切力以及结核采集能效的影响。结果表明:集矿头周围流场存在典型分区结构,包括淹没射流区、冲击区、壁面射流区、汇合区和上升区;随着喷射流速增大,最大床面剪切力近似线性增长,结核有效起动面积指数增长;随着结核粒径增大,有效起动面积减小,结核采集能效降低;综合考虑结核采集强度和采集能效,建议采集器喷射流速取8~9 m/s。

卷积神经网络在流场结构检测中的应用研究

针对飞行器气动设计流场结构分析需求,提出了一种基于卷积神经网络的流场结构自动检测的方法。该方法充分利用神经网络对非线性系统隐藏特征的提取能力,通过学习高维度流场结构特征建立的网络可从CFD流场仿真结果中自主检测气动设计关心的流场结构。该方法采用监督学习和交叉验证方法对网络进行训练和验证,同时采用金字塔结构方法对待检测流场进行预处理,解决了结构检测尺度不匹配的问题并提高了检测正确率。以二维涡检测为例对方法进行了验证,最终识别了大部分区域的涡结构,结果表明该方法是有效的。该方法可进一步应用于三维分离涡、激波边界层干扰等复杂流场结构检测。

对称突扩水流流态失稳和流场结构

对称突扩分离再附水流现象广泛存在于工程和生活中,流道突扩易产生局部水头损失、压力变化、结构振动、次生噪声等,对称突扩存在流场对称性失稳现象,如管道对称突扩等。然而,由于紊流的复杂性和量测技术的局限性,人们对其流动特性和流态演变规律认识仍然不足,有必要开展对称突扩流动的流场结构分析研究。本文基于物理模型试验和高精度图像粒子测速技术,模拟了不同雷诺数条件下(Re=539~48911)对称突扩水流流动现象和精细流场结构,包含层流、过渡流和充分发展的紊流典型流态,随着雷诺数Re增加,流态从层流过渡到紊流,从对称到非对称分布,其流态发生对称性失稳,高雷诺数紊流时主流偏向一侧,流场结构相对稳定;揭示了突扩水流主流两侧形成的非对称分布的大尺度涡漩结构,其与流场对称性失稳有关联。

流场结构对PEM电解槽性能影响模拟

为了提高质子交换膜(PEM)电解槽的性能,降低电压损耗,提升运行稳定性,在一定假设条件下,使用Comsol软件建立了全尺寸多通道的质子交换膜电解槽三维模型,并将仿真计算结果与文献中同尺寸PEM电解槽试验测试结果进行对比验证,仿真结果与文献试验测试结果基本吻合。基于此电解槽模型研究了流道高度、堵块、脊宽度等对PEM电解槽性能的影响,从而优化流场结构。仿真结果显示,在研究设定的PEM电解槽尺寸下,最佳流道高度为2 mm;在流道顶部设置堵块可使扩散层内氧气质量分数下降约2.6%,膜电极平均温度下降2.2 K左右,电解槽的电解电势减少0.0235 V左右;流场脊宽度由2 mm减小至1 mm时,平均氧气质量分数下降约8.7%,膜电极平均温度下降6.21 K,电解槽电解电势下降0.04 V左右。优化后的流场结构有利于循环水带走扩散层内氧气,降低氧气气泡堵塞扩散层孔隙的可能性,减小传质阻力,增强传热过程,及时排出电解槽中多余热量,降低电解槽电解电势,提高电解槽性能和运行稳定性。

合成双射流冲击平板流场结构与模态分解分析

为揭示合成双射流冲击平板流场结构特征,通过大涡模拟方法对合成双射流冲击平板流动进行了仿真,采用有限时间Lyapunov指数方法对流场的拉格朗日涡结构进行了识别,并与欧拉框架下的速度矢量和涡量结果进行了对比分析。结果表明,在合成双射流两股射流交替作用下,射流核心区涡系结构较为复杂且涡量丰富,远离核心区存在一对稳定的涡结构,且拉格朗日涡结构与涡量对应较好,为合成双射流冲击冷却的布局设计提供了指导。另外,流场本征正交分解表明,第一阶模态关于激励器出口中心轴线大致对称,其能量占总体能量的35%,前6阶模态的能量占80%;根据前6阶模态所反映的流场特性,合成双射流冲击平板流场具有高度的对称性。

ABBR启动ANAMMOX工艺的性能及内部流场结构研究

厌氧氨氧化(ANAMMOX)作为一种新兴的污水生物脱氮技术,在目前的水处理行业受到了广泛的关注。反应器的选型对于该工艺的快速启动起着至关重要的作用,而通过Fluent流体仿真模拟软件考察不同反应器的内部流场结构,从流体动力学结合微生物生长状态初步分析反应器构型对ANAMMOX工艺的强化机理。本研究采用厌氧折流板反应器(ABR)及在其基础上改进的厌氧折流板生物膜反应器(ABBR)启动ANAMMOX工艺,对比研究两种反应器启动ANAMMOX工艺的性能。反应器控制条件在温度为25℃,HRT为24 h,进水氨氮和NO_(2)^(-)-N质量浓度均为50 mg/L。ABR启动ANAMMOX工艺需要49 d,ABBR启动ANAMMOX工艺仅需35 d,启动成功时ABR和ABBR的总氮去除率分别为86.11%和89.79%。结果表明,ABBR相比于ABR表现出显著更好的ANAMMOX工艺启动性能。本研究再运用Fluent软件模拟两种反应器的内部流场结构。结果显示,相比于ABR,ABBR具有更加丰富的流线,且其内部流场具有更加明显的紊流效果。ABBR流场结构特性保证了更佳的传质效果,且ABBR内部形成的生物膜又显著提高反应器对ANAMMOX菌的截留能力,从而缩短了反应器的启动周期,同时提高ANAMMOX工艺脱氮效率。

水深条件对单桩基础局部冲刷和流场结构的影响

在清水条件下,对单桩基础周围的局部冲刷和流场结构进行了三维数值模拟研究。结果表明,冲刷深度、冲刷坑尺寸和流场结构受相对水深(h/D=0.5~2.5)的影响显著。随着h/D的减小,单桩周围的冲刷深度单调递减,且桩前和桩后冲刷深度的减小幅度大于桩侧的减小幅度;随着h/D的减小,桩前半径和桩侧半径均单调递减,但桩侧半径的变化速率略慢。这些变化趋势均与桩前马蹄涡和下降流动以及桩后上升流动随相对水深的减小明显减弱有关。此外,相对水深较小时,冲刷坑下游的尾涡更贴近床面,导致下游堆积体的高度较低。

进气流场结构对电气设备用PEMFC电池性能的影响

质子交换膜燃料电池的流场结构对其内部流体的运动(包括流体的传递和反应速度)有直接影响,这个问题也是当前的研究热点。本文主要对不同流场结构下燃料电池的性能进行研究,本文所用燃料电池阴极氧化剂分别采用空气和氧气,通过对不同进气流场结构下电池的性能进行测试得到流场结构对气体的流动速度、电流密度和气体浓度的影响。通过对不同结构的电池进行相关实验得到以下结论:当流场结构不同时,所得电池的性能也各不相同,当所通入的氧气浓度越高,所得燃料电池的活化损失越小,所得电池的性能越好。

济南地区超级单体强度和流场结构分析

利用济南多普勒雷达资料,对54个超级单体风暴的最大反射率因子(DBZM)、单体顶高(TOP)、最大反射率因子高度(HT)和基于单体的垂直积分液态含水量(C-VIL)等参数及中气旋的底部、顶部、最大切变等参数进行了统计分析。结果表明,孤立类超级单体DBZM、C-VIL、HT、TOP分别比镶嵌类的高出4 dBz、14.8 kg.m-2、1 km和1.3 km。连续5个体扫出现中气旋的孤立类超级单体与镶嵌类超级单体风暴参数相比,前者明显高于后者,差值分别为5 dBz、20 kg.m-2、1.7 km和2.2 km。中气旋形成于中空,之后底部逐渐下传,厚度也随着增厚,后期底部抬高,厚度变薄。镶嵌类超级单体的中气旋底部和顶部明显低于孤立类。中气旋参数的差异性决定了超级单体风暴结构和天气现象的不同,中气旋持续时间越长,厚度越厚,对风暴长时间维持越有利,极易造成极端性强灾害天气。两类在气流结构上也明显不同,孤立类主要是中层入流绕到风暴右后部而产生地面大风天气,镶嵌类主要是后部下沉气流与下传的中气旋环流叠加而产生地面瞬时大风。

横向紊动射流流场结构的数值分析(英文)

利用RNG k-e 模型对横流中单股紊动射流流场的流动特性进行了数值模拟。运用SIMPLEC算法求解了适体坐标系下的控制方程,采用壁面函数法处理近壁区流动。射流内部有分叉现象,射流喷孔背风侧的流动出现了分离并形成了尾迹区,分析了分叉及尾迹涡的生成机理。文中给出了射流与主气流速度比等于2和4的速度场、涡量场和压力场,计算与实验的结果吻合较好。结果表明:射流与主气流速度比直接影响流场特性,其值越大射流对主气流的影响越大。

低雷诺数翼型蒙皮主动振动气动特性及流场结构数值研究

针对低雷诺数(Re)翼型气动性能差的特点,文章通过对翼型柔性蒙皮施加主动振动的方法,提高翼型低Re下的气动特性,改善其流场结构.采用带预处理技术的Roe方法求解非定常可压缩Navier--Stokes方程,对NACA4415翼型低Re流动展开数值模拟.通过时均化和非定常方法对比柔性蒙皮固定和振动两种状态下的升阻力气动特性和层流分离流动结构.初步研究工作表明在低Re下柔性蒙皮采用合适的振幅和频率,时均化升阻力特性显著提高,分离泡结构由后缘层流分离泡转变为近似的经典长层流分离泡,分离点后移,分离区缩小.在此基础上,文章更加细致研究了柔性蒙皮两种状态下单周期内的层流分离结构及壁面压力系数分布非定常特性和演化规律.蒙皮固定状态下分离区前部流场结构和压力分布基本保持稳定,表现为近似定常分离,仅在后缘位置出现类似于卡门涡街的非定常流动现象.柔性蒙皮振动时从分离点附近开始便产生分离涡,并不断向下游移动、脱落,表现为非定常分离并出现大范围的压力脉动.蒙皮振动使流体更加靠近壁面运动,大尺度的层流分离现象得到有效抑制.

空气节流对乙烯燃料超燃冲压发动机流场结构影响研究

空气节流可以有效地实现超燃冲压发动机燃烧室燃料的稳定燃烧,采用非定常数值模拟和地面试验研究了空气节流作用下乙烯燃料超燃冲压发动机的流场特性。结果表明:在燃烧室入口马赫数2、静温530K,静压0.1MPa,845mm处节流条件下,冷流流场达到稳定所需时间较短,约为2ms;在空气节流开始后的6ms注入燃料实现发动机的起动点火是合适的;28ms后燃烧流场稳定,流场呈现短周期的小幅振荡,周期约为0.86ms,振荡对流场的影响很小;壁面压力数据的数值模拟结果与试验结果匹配良好,数值模拟更加全面地给出了流场结构信息。

低速开式空腔自激反馈流场结构与流致噪声的风洞试验研究

本文主要针对低速开式空腔流动自激振荡产生噪声问题,在0.55 m×0.4 m航空声学风洞开展了不同低马赫数(0.1/0.15/0.2/0.25)条件下长深比为2的空腔腔内流场结构和噪声特性风洞试验研究。通过利用高频粒子图像测速技术捕捉腔内流场结构,分析了腔内声波传递路径;完成空腔远场噪声和壁面压力测试,分析了噪声自激振荡模态和简正波模态,并对空腔壁面脉动压力和远场噪声进行压/声相关性研究。结果表明:空腔内部除主涡外,在腔口前缘处剪切涡与腔口后缘处碰撞涡明显存在;在875 Hz,1288 Hz,1875 Hz,2050 Hz四个频率附近出现了由声腔共振所致的单频噪声;壁面压力与远场噪声密切相关,在壁面压力主频位置有明显单频噪声出现。

压力不匹配混合层流场结构的实验研究

为了研究压力不匹配超声速湍流混合层流场结构,采用时间平均纹影、脉冲激光纹影和高时空分辨率NPLS方法获取了相应的流动显示图像。根据不同时间和空间分辨率的实验图像所展示的流场结构,研究了激波与膨胀波对混合层整体结构的影响,分析了压力不匹配对混合层精细结构的影响。