规整填料表面液体分布的计算流体力学

采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)中的VOF方法对规整填料表面液相分布进行了三维建模和仿真,实现规整填料内液相分布的可视化并得到了液膜厚度和有效相界面积比等相关定量信息。通过分析比较不同物系的数值模拟结果,发现液体的表面张力和黏度都对填料表面上液体分布有影响。表面张力越小,液相在填料片上分布越均匀,有效相界面积比越大,液膜厚度越小;黏度增加,有效相界面积比和液膜厚度也随之增加。较之于黏度对液相分布的影响程度,表面张力的影响程度更大,为主要影响因素。本文还提出一个预测有效相界面积比的新公式,并将数值模拟结果与已有文献进行对比,吻合性较好。

计算机流体力学分析技术在农业工程中的应用现状——评《计算机模拟技术及其在农业工程中的应用》

计算机于1946年问世,被广泛应用于各个领域,如国防军事、社会经济等;近年来,随着自动化及信息化的发展,计算机逐渐渗透到生活的方方面面;经文献查阅发现,上世纪中期美国曾尝试在农业领域中应用计算机技术,历经数十年的研究发展,在农业各领域中,如作物生产、农业机械等方面,取得了较为理想的效果,对进一步促进农业现代化发展具有积极作用;尤其是计算机流体力学分析技术,依照字面意思分析,流体是一种不能抵抗剪切力,且在剪切力的作用下发生无限变形的物质,而作用在该物质上的力可分为两种类型,分别为表面力与质量力,利用计算机技术进行数值模拟,即分析流体力学中的各种问题,以往仅通过理论及实验等方法得出结论,而随着计算机技术的日益发展,可完全依靠或部分依靠数值模拟的方法解决以上问题;在此背景下,由陈树人、毛罕平、贾卫东、李青林、尹建军编写的《计算机模拟技术及其在农业工程中的应用》(江苏大学出版社,2011年7月版)准确把握了当前计算机流体力学分析技术在农业工程中的发展趋势,作者以研究者的身份,对于如何运用计算机模拟技术进行了深入探索.

民用飞机机身表面静压孔气动布局设计研究

静压孔气动布局方案设计的首要工作是寻找合适的布置区域,使得静压孔的位置误差尽量降低并规律可控,以利于后期静压源误差修正曲线的试飞获取。首先分析得到静压孔的位置误差实际上主要受飞行马赫数和飞行迎角影响;然后利用商用CFD软件计算了某现代民机在不同飞行马赫数和迎角下的机身表面静压分布,对计算结果的统计处理显示机身表面规律性的存在静压恢复系数对迎角变化的不敏感区。根据结果,提出了该不敏感区宜于作为机身表面静压孔安装位置选取的参考基线,随后的风洞试验验证了基于上述原则选取的静压孔初步安装位置。全文提出并发展的基于静压场数值计算及结果统计后处理的方法为表面静压孔的气动布局定位提供了一种定量直观的新思路。

双曲型守恒律的高阶、高分辨有限体积法

有限体积法是一种离散积分形式守恒律的数值方法．它可以吸收有限元法和有限差分法的一些重要思想与技巧．由于它可方便地利用多种类型的网格（结构网格和非结构网格），从而非常适用于处理复杂计算区域，目前已成为一种在计算流体力学中十分重要的方法．本文将针对二维双曲守衡律，对高精度、高分辨的有限体积法及其近年来的进展做一简要介绍．

建筑外表面对流换热系数的CFD模拟

建筑外表面的对流换热系数是建筑节能和城市环境模拟的重要参数.文中首先对萘升华技术实测的建筑楼顶水平表面对流换热系数与计算流体力学(CFD)的模拟结果进行对比,验证了CFD模拟技术在建筑外表面对流换热系数研究中的可适用性,然后利用CFD计算模型对单一建筑和5种建筑群的外表面对流换热系数进行模拟计算,结果表明:每一单体建筑表面的对流换热系数均是楼顶表面最大,背风墙表面最小,侧墙表面和迎风墙表面几乎相等;建筑之间的间距越大,建筑表面对流换热系数也越大;高层建筑会使本身及其附近建筑外表面的对流换热系数增大;在建筑群相互遮挡的情况下,风向的改变会导致建筑外表面对流换热系数的变化.也就是说,建筑外表面对流换热系数受到风速、风向、建筑密度及周围建筑高度的强烈影响.

旋涡、湍流与自由表面的相互作用

旋涡及自由表面湍流与自由表面的非定常、非线性相互作用是当前流体力学中一个十分活跃的前沿领域的研究课题，它具有深刻的理论意义和重要的实用背景．旋涡、湍流与自由表面的相互作用是一个非常复杂的非线性、非定常过程，涉及到涡－涡、波－涡相互作用，旋涡在自由表面处的断裂、重联、合并及自由表面湍流中的准拟序结构的形成、发展等复杂动力学过程．关于这一领域的研究已经取得了一些重要成果．对旋涡与自由表面的相互作用的基本过程有了较为清楚的认识；但对湍流与自由表面的相互作用中的许多基本物理过程还知之甚少．本文综述此领域的实验、理论和数值模拟研究的最新进展和主要结果，讨论若干有待解决的问题。

折流式旋转床气液比表面积的实验研究及CFD模拟

气液比表面积对折流式旋转床(RZB)的传质起到关键的作用。本文采用NaOH溶液化学吸收混合气体中CO_2的方法对折流式旋转床的气液比表面积进行了研究,通过计算流体力学(CFD)技术来模拟转子内液体的流动行为。分析转子转速、气体流量和液体流量对气液比表面积的影响。结果表明:折流式旋转床的比表面积在100~350m^2/m^3范围内,折流式旋转床的气液比表面积随液量的增大而增大,随气量的增大明显增大,随转速的增加先缓慢增大后迅速增大。CFD模拟表明,随液量的增加,动静圈之间的液滴数量明显增多,并且静圈上更多的表面被液膜覆盖;随气量的增大,更多的液体被碎成细小的液体,液滴的数量成倍增加;随转速的增大,动圈施加给液体的剪切力和离心力增大,液体被更好地分散,并且离开动圈的液滴尺寸变得更小。RZB与其他类型填充旋转床(RPB)的气液比表面积进行对比,发现RZB的比表面积低于分段进液式RPB、常规不锈钢金属网RPB、镍泡沫填料RPB、新型多个叶片转子RPB,接近于板式填料和挡板PRB。

椭球液滴撞击超疏水表面反弹过程数值分析

液滴在自由落体或受外力作用时常发生椭球形变,对其撞击超疏水壁面的运动形态及形成二次液滴有较大影响。本文假定具有不同轴向半径比值(AR)的椭球形液滴,采用耦合水平集-体积分数(CLSVOF)方法对椭球形液滴撞击超疏水平壁面进行数值模拟研究,对椭球形液滴撞击超疏水平壁面反弹过程运动形态和AR对二次液滴形成的影响进行分析。研究表明,不同AR液滴撞击超疏水壁面后反弹过程具有一定相似性,同时存在明显差异。液滴反弹过程中会拉伸形成长液柱,其未扰动界面直径随AR的增大而减小。在Plateau-Rayleigh不稳定性影响下,长液柱会发生破碎形成二次液滴,但较低的AR对二次液滴的形成有较明显的抑制作用,当AR小于临界值0.6时,反弹过程中液滴内部压力均匀稳定,最终不产生二次液滴。

气液两相射流表面清洗流场数值模拟

为了研究节能高效的油管表面清洗技术,基于计算流体力学方法,应用Fluent软件建立气液两相射流清洗三维物理模型,模拟研究气液两相射流速度场和压力场特性,分析喷嘴锥度、气体体积分数、喷射速度和喷距等射流参数对清洗效果的影响规律。研究结果表明:当气体体积分数为7.4%、喷嘴喷射速度为265 m/s时,两相射流速度较纯水射流提高14.2%,气泡通过喷嘴瞬时的射流速度较纯水射流提高221%。气液两相射流经过喷嘴速度迅速增大到最大值,并出现“等速核”形状,从等速核逐渐向外扩展,速度逐渐减低。两相射流从喷嘴喷出后,射流压力逐渐降低,压能逐渐转换为动能,在距离壁面约1/7喷距处,压力开始以球形向内逐渐增大,在壁面驻点处达到极大值;随喷嘴收缩段锥度增加,射流最大速度逐渐增大,收缩段锥度为3.5时,等速核最长;随着气体体积分数增加,最大射流速度逐渐增大,气体体积分数大于7.4%时,等速核长度基本不变;随喷射速度增大,流场内最大速度和等速核长度不断增加,射流冲击能量更高;随喷距增大,射流冲击壁面的压力逐渐减小,喷距小于5倍喷嘴直径时,冲击效果较好。气液两相射流比纯水射流的清洗作用面积提高24.7%,清洗效率更高。

三维涡环与自由表面的粘性相互作用

本文用VOF(Volume of Fluid)方法数值模拟了三维涡环与自由表面的粘性相互作用.重点考察了Froude数、Weber数、初始扰动及密度分层对涡环与自由表面相互作用的影响.结果表明:由于粘性的存在,使得涡环与自由表面的相互作用与无粘情形相比有许多不同.粘性的作用主要体现在涡量的耗散和新的二次涡环的产生;对自由表面变形而言,Froude数是主要的控制参数,Froude数越大,自由表面变形越显著,而Weber数的影响作用则不大;在Froude数较大时,涡环与自由表面相互作用会使得自由表面上出现轴对称的快速发展的行波,而当Froude数较小时,自由表面的变形形式较为复杂;当存在初始周向扰动时,水下涡环环量的非均匀分布会在自由表面上留下与实验中观察到的纵向沟槽相对应的水面痕迹.这些非轴对称、短波的表面痕迹正是综合孔径雷达(SAR)所能探测到的;自由表面的存在可削弱流场中的扰动,对流场中的涡环的不稳定性有抑制作用;在密度分层的流体中,水下涡环演化规律仍与均质流体中的定性大致相同,仅在定量数值上有所不同.在密度分层流中,自由表面的存在抑制了内波的发展,因而亦抑制了内波对自由表面的影响,使得密度分层对涡环与自由表面的相互作用影响不大.

一次原表面型换热器传热性能的数值模拟

应用计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)方法,以周期性的单元控制体为模型,对一次原表面错流型换热器内三维稳态层流流场进行了数值模拟,分析了不同流动条件下控制体的传热和阻力特性,并与实验值进行了对比,结果表明,数值模拟结果与实验值符合得较好.在对速度场和温度场分析的基础上,研究了结构参数对传热性能的影响关系,为该类换热器的设计提供了可行性的方法和依据.

PDC钻头切削表面流场携岩能力分析

针对PDC钻头泥包问题,分析了钻头表面岩屑运移的原理。利用计算流体力学的理论和方法,建立了PDC钻头表面流体的流动方程和钻头冠部三维数据体模型。通过数值计算和数据分析,研究了钻头岩屑的起动条件,钻头冠部流体速度、压力分布等值线,形成了PDC钻头水力设计的基本原则。研究PDC钻头冠部速度流场分布是解决钻头表面岩屑颗粒起动而不产生泥包的直接途径。

三维涡环与自由表面的粘性相互作用

本文用ＶＯＦ方法数值模拟了三维涡环与自由表面的粘性相互作用，重点考察了Ｆｒｏｕｄｅ数、初始扰动及密度分层对其影响。结果表明：粘性的作用主要体现在涡量的耗散和新的二次涡环的产生：对自由表面变形而言，Ｆｒｏｕｄｅ数是主要的控制参数；当存在初始周向扰动时，水下涡环环量的的非均匀分布会在自由表面上留下与纵向沟槽相类似的水面痕迹；自由表面的存在可削弱流场中的扰动，涡环的不稳定性有抑制作用；

第3届国际水动力学会议概述

第3届国际水动力学会议(ICHD)于1998年10月12日至15日在韩国汉城召开。会议设55个分组会,6个主题报告,有15个国家和地区的158名代表报告了130篇论文。内容包括船舶和海洋工程,海岸工程,环境水力学和水资源,计算流体力学和实验技术,水动力学的基本研究和工业流体力学等5个方面。现介绍以下两方面的内容。

固体火箭发动机后效推力计算

为提高导弹的精度,对固体火箭发动机后效推力进行了理论分析和计算。首先用一维两层模型计算绝热层内部温度场,建立了绝热层表面能量和质量守恒方程,得到后效段绝热层各时刻的热解气体质量和烧蚀质量,再采用经典流体力学理论对后效段发动机内弹道进行了一维计算,而后计算发动机的后效推力。计算结果表明,发动机工作结束后的后效推力迅速减小。

线性液动压抛光加工的流体动压特性研究

基于流体动压润滑原理提出了线性液动压抛光加工方法。借助计算流体力学数值模拟,研究了抛光辊子结构和加工工艺参数对液动压力大小及分布均匀性的作用规律。结果表明:具有矩形微结构的抛光辊子可以在工件表面产生均匀的液动压力;更大直径的抛光辊子、更高的转速和更小的抛光间隙都可以获得更大的流体动压力,但同时也会使液动压力分布均匀性变差。搭建实验平台并进行抛光实验,线性液动压抛光加工后,K9玻璃表面粗糙度Ra值从45.41 nm降低到0.91 nm。

基于量子化学计算柴油在CO_(2)/O_(2)氛围下的燃烧特性

为研究柴油在CO_(2)/O_(2)氛围下燃烧反应机理与燃烧特性,本文提出了量子化学计算的机理与光学实验,通过分子平均局部离子化能和表面静电势分析分子的反应活性位点,通过计算化学计算了新的化学反应路径,对反应路径进行敏感性分析和简化,然后计算了火焰自然光度和火焰浮起长度,最后搭建了具备光学通道的定容燃烧弹实验平台并进行柴油燃烧的流体力学模拟。计算结果与实验结果对比结果表明,在35%CO_(2)+65%O_(2)氛围下火焰浮起长度最大误差、最小误差和平均误差分别为13.9%、0.5%和1.4%,均为可接受的误差,说明此机理适用于CO_(2)/O_(2)氛围下柴油燃烧特性的研究。高浓度二氧化碳会致使火焰发生分叉,引起湍流现象,并且二氧化碳在高温下会热解成一氧化碳和氧自由基。一氧化碳的碳端化学反应活性比氧端的大,碳端平均局部离子化能为12.62eV且静电势极小值为-0.51eV。

非均匀润湿性表面捕获液滴的数值模拟

应用VOF模型,对同等大小的液滴在等距间隔亲疏水倾斜表面的滑移运动,进行了大量的二维数值模拟工作,得出了液滴在非均匀润湿性表面上滑移运动,受接触角差值Δθ、Bo数、Ca数以及间隔宽度W相关变量的影响。具体表现为:液滴在较大的接触角差值Δθ的情况下,受到的阻力越大,液滴向下滑移速度较慢;当接触角Δθ足够大时,液滴的速度会降低至零从而停留在斜面上,此时液滴可被壁面捕捉收集;Bo数值越大,液滴滑移受到的阻力越小,下滑处于加速状态,越难以被捕获;Ca数越大,液滴下滑速度同样越快,会在短时间内通过壁面,亦较难捕获。而对于不同间隔宽度W,选取合理中间值W=2/3R(R为液滴半径)时,液滴更易被斜面捕获。

涂层表面形貌形成过程模拟与分析

表面涂层形貌形成过程的定量描述对涂层质量控制效果的提升至关重要,建立了集成蒙特卡罗(Monte Carlo)和计算流体力学(CFD)的混合方法模拟复杂的海量液滴沉积成液膜及其随后的流平过程,并系统研究油漆液滴平均直径、黏度、密度以及表面张力对涂层表面粗糙度、流平速度以及流平时间的影响。模拟结果表明,油漆液滴平均直径增大,涂层初始表面粗糙度增大,流平速度减小,流平时间延长;黏度增大,涂层的初始和最终表面粗糙度增大,流平速度减小,流平时间延长;密度减小,涂层初始表面粗糙度增大,初始流平速度增大,流平时间稍微缩短,对最终表面粗糙度影响不大;表面张力增大,涂层流平速度增大,流平时间缩短,对涂层最终表面粗糙度影响很小。

滨海海底边界层对底栖微体化石仿真模拟的影响

计算流体力学CFD(computational fluid dynamics)近年来在古生物学研究中已有大量应用。该方法在研究生物化石的个体形态、器官功能,以及其与生存环境之间的关系方面具有重要意义。目前古生物领域的CFD仿真对象多为厘米级别体型的生物,而对于毫米级别大小的微体生物的仿真则相对较少。区别于厘米级别的宏体生物,底栖型微体生物的生活环境局限于海床上方垂直高度较小的区域,受海底黏性边界层低流速区域的影响更为明显,因而在设置这类化石仿真的水流环境时应当考虑对于边界层流域水体流速以及海床表面地理环境的还原。本文基于随机表面生成的方法,构建了不平坦的滨海海床表面模型,并模拟了水流在海底边界层附近受海床表面地形影响的流动状态;基于获得的仿真流速数据,我们仿真了寒武纪微型底栖刺细胞动物化石Quadrapyrgite在起伏的海床表面环境中四个不同位置的受水流阻力情况。仿真结果显示,近海床表面处的水体流动可形成明显的低流速区域,且低流速区域的厚度随着入口速度增大而变薄。在起伏表面的凹凸区域中,凸起地带的迎水面形成的低流速区域较薄,流速变化较快;而在凸起地带背水面以及凹陷地带形成的低流速区域较厚,流速较缓且易形成涡旋。流速的差异体现在不同位置的Quadrapyrgite的受阻力大小不同上,其差值可达数倍到数十倍。这种量级的受阻力差值可以在毫米级到厘米级尺度上塑造、影响底栖型生物的分布甚至其自身的摄食行为。本文的研究为CFD方法模拟底栖微型化石的生存环境提供了更加深入的思路和方法。