基于Kelvin-Helmholtz不稳定性和界面剪切作用的扰动波高预测模型

环雾状流广泛存在于天然气等工业环境中,深入探究扰动波特性对了解环雾状流的演化规律有着重要意义。本文在内径为15mm的垂直管路中进行了不同工况条件下的环雾状流实验,分别利用电导环传感器和液膜收集系统测量了液膜厚度和夹带率,并通过双阈值方法从液膜时序信号中提取了扰动波高数据。探究了扰动波高和夹带率随气、液相流量和工况压力的变化规律,发现两者均随着液相流量的增大而增大,而随着气相流量和工况压力的增大,扰动波高呈下降趋势,夹带率呈上升趋势,验证了两者之间存在密切关联。然后分析了影响扰动波高的尺度参数,建立了基于Kelvin-Helmholtz不稳定性和界面剪切作用的扰动波高预测模型,相对均方根误差rRMSE为4.05%,且98.7%的数据点都在±10.0%的误差以内,预测效果良好。最后,将新模型与现有的扰动波高关系式进行比较,预测精度和可扩展性都有了较大提高。

高精度有限差分法模拟Kelvin-Helmholtz不稳定性

WENO有限差分格式有较高的分辨精度,适合复杂流场的计算,在国际上被广泛采用。本文利用WENO有限差分格式求解2维守恒型欧拉方程,实现了对无粘流体中Kelvin-Helmholtz不稳定性的数值模拟。速度剪切方向采用周期边界条件;扰动增长方向采用嵌边出流边界条件,一个不稳定波长分布64个网格。数值模拟给出的扰动幅值线性增长率与线性稳定性分析给出的结果很好符合,显示了该格式的有效性和精度。数值模拟给出了清晰的密度等值线,表明该方法还具有较好的界面变形捕捉能力。

可压缩Kelvin-Helmholtz不稳定性低耗散锐界面方法直接模拟

采用低耗散WENO(weighted essential non-oscillatory)格式及锐界面方法模拟可压缩Kelvin-Helmholtz不稳定性问题.由于物质界面被描述成一种接触间断,该方法可精确求解切向速度间断.基于优化模板对原始光滑指标进行正规化后,得到一种低耗散WENO格式.修正后的方法显著降低了普通流动区域的过衰减问题,保持了良好的激波捕捉性能,并可获得与混合格式相当的求解精度.不同于以往求解单一流体或易混界面时,通过初始设定有限宽度的剪切层或快速数值耗散以抑制高波数模态,该方法允许高波数扰动的发展.计算结果表明,高波数扰动展现出与以往理想Kelvin-Helmholtz不稳定性问题数值模拟或线化理论结果不同的特征,但与有限厚度的剪切层结果相符.

用NND格式模拟Kelvin-Helmholtz不稳定性

使用局部Steger-Warming通量分裂方法,利用NND有限差分格式求解守恒型流体力学方程组,实现对Kelvin-Helmholtz不稳定性的数值模拟.数值模拟给出的线性增长率与线性稳定性分析给出的结果相符合,得到锐利的界面变形图像.

旋转圆柱等离子体中撕裂模和Kelvin-Helmholtz不稳定性的激发特性

采用约化的磁流体力学模型,数值研究了柱位形等离子体中q剖面和极向旋转剖面对q=1撕裂模不稳定性和Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性的影响.随着旋转强度的增加,m/n=1/1模被逐渐抑制,而高阶谐波模式(如m/n=2/2,m/n=3/3等)会经历四个区间:撕裂模失稳区间、撕裂模致稳区间、稳定窗口区间和K-H不稳定性激发区间.更进一步,我们发现,m/n=1/1模的增长率随旋转强度的改变与剪切层所处位置有关,并且剪切层分布在有理面内外的结果基本一致;然而高阶谐波模式却没有此类现象.另外,有理面处磁剪切越小,撕裂模越容易被剪切流抑制,并且越容易激发K-H不稳定性.

基于FTM方法的二维Kelvin-Helmholtz不稳定性数值模拟

使用界面跟踪法FTM(Front Tracking Method)对二维不混溶、不可压缩流体的K-H(Kelvin-Helmholtz)不稳定性进行数值模拟。研究表明,速度梯度层越厚,界面在水平分量中移动越快,卷起越少;初始水平速度差越大,界面卷起越多,内扰动增长速度越快,K-H不稳定性的特征形式更加明显;此外,在Neumann边界条件(即无滑移边界条件)下界面的扰动发展得比Dirichlet边界条件(即对称边界条件)下的扰动快。由于Dirichlet边界中的边界层,在开始时刻涡量扩展到两侧,影响了K-H不稳定性的生长速率;而在Neumann边界条件下涡量由于初始水平速度差,在界面中心聚集。最后,研究了不同边界条件下各种理查德森数对K-H不稳定性的影响。

基于FTM的Kelvin-Helmholtz不稳定性衍化数值分析

采用FTM研究了两相流体界面中的K-H不稳定性,分析了初始振幅、波数、表面张力、密度比、速度梯度、韦伯数We对K-H不稳定性发展的影响。结果表明:增大初始扰动对K-H不稳定性具有促进作用,扰动越强,K-H波浪翻卷高度越高;波数的增加能加快K-H不稳定性的衍化过程,但对K-H波浪高度的发展影响较小;减小表面张力或密度比都能使不稳定性的发展速度增加;初始速度梯度对不稳定性的发展有较大影响,梯度越大,K-H波浪翻卷高度越高;We对K-H波浪的对称性影响较大,We越小,对称程度越高。

磁场对激光驱动Kelvin-Helmholtz不稳定性影响的二维数值研究

Kelvin-Helmholtz不稳定性(KHI)是流体和等离子体的基本物理过程,广泛存在于自然、天体物理以及高能量密度物理现象中.本文提出一种新的实验方案产生磁化KHI.利用开源的FLASH模拟程序对激光驱动调制靶产生的KHI进行了二维的数值模拟,考察和比较了KHI涡旋在毕尔曼自生磁场、外加磁场和无磁场情况下的演化.模拟结果表明自生磁场在KHI演化过程中基本不会改变KHI涡旋的形貌,而平行于流体方向的外加磁场对剪切流有致稳作用,主要稳定长波扰动.该研究结果可为在高能量密度激光装置中开展强磁环境下KHI实验提供理论指导.

热传导对横截面不同的直管道中Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响

Kelvin-Helmholtz不稳定性(KHI)增长的动力学分析是一个活跃的研究领域.本文解析研究了流体在横截面不同的直管道中流动时,热传导对KHI的影响.结果表明:管道中上下流体的界面相对切向速度会随着波数的增加先增加后减小,并且小的界面热传导系数导致相对切向速度随波数的减小更多,不同于横截面相同的直管道结果.另外,热传导会提高KHI的增长率,与横截面相同的直管道一致.研究结果可以为实际管道中流体不稳定性的分析以及管道的通风设计和供暖等工程研究提供一定参考.

Kelvin-Helmholtz不稳定性和Rayleigh-Taylor不稳定性大变形发展阶段的数值模拟——(Ⅰ)数值方法和Rayleigh-Taylor不稳定性的数值模拟结果

本文对计算Kelvin-Helmholtz不稳定性和Rayleigh-Taylor不稳定性的离散涡方法进行了改进,并给出了Rayleigh-Taylor不稳定性的数值模拟结果。实际计算表明,改进措施不仅使方法模拟界面大变形的能力大大提高,而且使界面大变形阶段数值模拟的计算量大大减小。Rayleigh-Taylor不稳定性大变形阶段的数值模拟不仅重现了实验中所观察到的界面下垂端部的上卷等现象,还发现了上卷部分液滴溅出等一些新现象。

可压缩流体的Rayleigh-Taylor和Kelvin-Helmholtz不稳定性

在状态方程为压力是密度的任意单值函数形式情况下,运用小扰动分析和奇异摄动法,给出了流体微扰方程渐近解和界面不稳定性的色散关系.分析表明:对Rayleigh-Taylor不稳定性,在重力场作用下流体可压缩性形成的密度分布是致稳因素;而扰动流体的膨胀收缩效应助长不稳定性的发展;上层重流体的可压缩性是稳定因素,下层轻流体可压缩性是失稳因素.而对Kelvin-Helmholtz不稳定性,流体可压缩性助长扰动的发展,是不稳定因素.

黏性各向异性等离子体对Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响

基于磁流体力学方程组,采用计算机数值模拟,研究了等离子体中黏性各向异性对Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响.分别从密度和磁场分布、涡流结构演化、熵的空间分布和能量转化的角度讨论了黏性各向异性对Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响,并且与黏性各项同性的结果进行对比.数值模拟结果表明,在Kelvin-Helmholtz不稳定性演化过程中,黏性各向同性和各向异性等离子体剪切界面密度越低的位置,涡量越大,熵值也越大.相比黏性各向同性,黏性各向异性等离子体对Kelvin-Helmholtz不稳定性有抑制作用.

流向磁场抑制 Kelvin-Helmholtz不稳定性机理研究

采用CTU+CT (corner transport upwind+constrained transport)算法对磁流体动力学方程组进行求解,分别对有无磁场控制条件下开尔文-赫姆霍兹(Kelvin-Helmholtz,KH)不稳定性的演化过程进行数值模拟.数值结果分析了磁场(MA=3.33)对混合层流场涡量和压力演化的影响,并与经典流体力学情况进行对比;另外,还从磁压力和磁张力分布情况对磁场抑制KH不稳定性的机理进行分析.结果表明,外加磁场对混合层结构的演变产生很大的影响,其中,磁压力使涡量在界面处沉积,而磁张力能够产生一个与涡旋转方向相反的力矩,从而对大涡结构起到拉伸破坏作用,最终抑制了涡的卷起.此外,当流动发展到一定阶段,在磁压力、磁张力以及压力场的共同作用下,界面在曲率最大位置处会发生分离,最终形成"鱼钩"状涡结构.

黏性各向异性磁流体Kelvin-Helmholtz不稳定性:二维数值研究

利用corner transport upwind和constrained transport算法求解非理想磁流体动力学方程组,对匀强平行磁场作用下,黏性各向异性等离子体自由剪切层中的Kelvin-Helmholtz不稳定性进行了数值模拟.从流动结构、涡结构演化、磁场分布、横向磁压力、抗弯磁张力等角度对各向同性和各向异性黏性算例结果进行了讨论,分析了黏性各向异性对Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响.结果表明,黏性各向异性比黏性各向同性更利于流动的稳定.其稳定性作用是由于磁感线方向上剪切速率降低导致界面卷起程度和圈数的降低,并使卷起结构中小涡产生增殖、合并,破坏了涡的常规增长,从而导致流动的稳定.黏性各向异性对横向磁压力的影响比对抗弯磁张力更大.

基于界面追踪法的Kelvin-Helmholtz不稳定性直接数值模拟

利用界面追踪法对三组分不混溶流体的开尔文亥姆霍兹不稳定性(Kelvin-Helmholtz instability,KHI)进行直接数值模拟。并针对中间流体层密度及黏度、重力、表面张力及剪切力对KHI的影响进行了着重探讨。研究结果表明,理查德森数增大不仅能够抑制界面的演化,同时还会限制界面的退化。除此之外,卷起高度和KHI的增长速率与弗劳德数之间呈正相关关系。表面张力能够抑制KHI向内发展,随着表面张力系数的增大,KHI向内的发展会逐渐变慢。但当波数较小时,表面张力对KHI向上发展的影响很小,且当界面的波数大于4时不会触发KHI的典型形式。剪切力越大,界面卷起高度和增长速率越大。

可压缩流体的Rayleigh-Taylor和Kelvin-Helmholtz不稳定性

可压缩流体界面不稳定性的小扰动研究中，往往首先规定具体的状态方程形式，然后给出色散关系。这使得所给出的结果仅适用于该状态方程的具体形式，具有特殊性。由于这种特殊性，使得某些机理的讨论变得复杂，且结论相互矛盾。

自旋-轨道耦合作用下极化激元凝聚中的调制不稳定性

利用线性稳定性分析方法,对存在自旋-轨道耦合(SOS)作用的二维极化激元玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)系统中的调制不稳定性(MI)进行了研究.分析了组分内部,组分之间以及SOC相互作用对系统调制不稳定性的影响.结果显示,当系统内部不存在SOC作用,组分之间的相互作用为0,组分内部存在排斥作用时,不会出现调制不稳定性,组分内部存在吸引作用时,会出现调制不稳定性,并且调制不稳定性区间长度随吸引作用的增强而增加;组分之间相互作用不为0时,组分之间的相互作用以平方形式出现,其正负不会对调制不稳定性产生实质性影响.存在SOC相互作用时,SOC相互作用会引起增益谱曲线的不规则振荡,破坏原来的调制不稳定性区间.

体相二硫化铼中点缺陷的形成与稳定性

二硫化铼是过渡金属二硫族化合物的成员,由于层间的范德华作用、合适的带隙、高的光吸收系数和长的载流子迁移距离在光电子研究领域引起广泛的关注.其中光电材料及器件的优良特性由电子结构决定,而半导体的缺陷能级对电子结构具有重要的调控,且体相二硫化铼的缺陷研究尚且缺乏.本文基于密度泛函理论的第一性原理计算,对体相二硫化铼的铼空位、硫空位、钨掺杂(或替代)铼、钨掺杂硫、锝掺杂铼和锝掺杂硫的缺陷形成能和稳定性进行了研究.结果表明:钨掺杂硫和锝掺杂硫形成深施主能级缺陷,铼空位形成浅施主能级缺陷.在富铼和富硫条件下,钨掺杂铼的缺陷形成能低且能有效降低体系总能,提高体系稳定性.钨掺杂硫的缺陷虽然能降低体系的总能提高二硫化铼的稳定性,但较大的缺陷形成能表明钨掺杂硫缺陷难以形成.上述研究结果有助于理解缺陷能级对半导体深浅能级和稳定性的影响,同时也为未来实验上设计基于二硫化铼的高效的光电子器件提供理论依据.

不同内固定系统治疗股骨转子间骨折的力学稳定性

背景:股骨转子间骨折的骨折类型和固定方式多样,各固定系统间的力学稳定性相差较大。使用有限元分析方法对各固定系统开展生物力学研究具有科学的临床意义。目的:通过有限元方法对比分析多种内固定应用于股骨A031-A2.1型转子间骨折的力学稳定性。方法:在已验证有效性的股骨有限元模型基础上,对模型进行必要的切割,造模成股骨A031-A2.1型转子间骨折,模拟临床手术方法置入不同的内固定系统,分别建立股骨近端防旋髓内钉、动力髋螺钉、经皮加压钢板和股骨近端锁定钢板固定模型。约束4组模型股骨远端下所有节点,在股骨头上施加700,1400和2100N的压缩载荷,通过计算分析,观察各组模型的等效应力分布和压缩刚度,比较各组模型之间的力学稳定性。结果与结论:①通过计算分析,对比各组模型的变形量计算压缩刚度后,在各级载荷作用下,各组模型上压缩刚度呈现的趋势:生理组>股骨近端防旋髓内钉组>股骨近端锁定钢板组>经皮加压钢板组>动力髋螺钉组;完整的生理组模型的压缩刚度明显高于所有的手术组模型;②观察应力指标,因存在应力遮挡效应,致使各固定组的应力峰值均高于生理组,最大峰值均集中分布于各内固定上;其中股骨近端防旋髓内钉固定组应力峰值最小,动力髋螺钉固定组应力最高,应力分布趋势呈现:生理组<股骨近端防旋髓内钉固定组<经皮加压钢板固定组<股骨近端锁定钢板固定组<动力髋螺钉固定组;③分布于骨质模型的应力,因内固定置入位置不同呈现不同的分布结果;④提示对于股骨转子间骨折,各种内固定均能起到有效的固定,结合有限元分析结果得出股骨近端防旋髓内钉组是较好的一种内固定选择,呈现变形量小、应力峰值低,应力分布均匀的特性;经皮加压钢板组和股骨近端锁定钢板组的力学效果优良,固定效果接近股骨近端防旋髓内钉固定;动力髋螺钉固定效果欠佳,同比于其他内固定,其力学稳定性较差。

肥胖与普通男性跨越不同高度障碍动态稳定性的差异

背景:肥胖对步行时的动态平衡产生负面影响,而跨越障碍是较为日常的功能活动,对控制身体姿势的稳定性要求更高。目的:探讨肥胖男性与普通男性动态稳定性的差异,采用相对更具挑战性的跨越障碍对肥胖男性的平衡能力进行评估。方法:招募24名男性青年,肥胖组与普通组(非肥胖组)各12名,分别以随机顺序完成平地行走和不同高度(4,11,15 cm)障碍物的跨越测试。使用Qualisys运动捕捉系统与Kistler测力台采集运动学与动力学数据。采用双因素(2组别*4动作类型)重复测量方差分析,对各指标进行统计分析。结果与结论:①肥胖组比普通组步速更低(P<0.05),跨越11 cm与15 cm障碍时第一单支撑期占比减小,第二双支撑期占比增加(P<0.05);②在平地行走时,普通组的内外方向动态稳度大于肥胖组(P<0.05);③在跨越4 cm障碍时,肥胖组前后方向动态稳度低于普通组(P<0.05);④在跨越11 cm障碍时,两组前后方向动态稳度无显著性差异(P>0.05),而内外方向差异有显著性意义(P<0.05);⑤在跨越15 cm障碍时,肥胖组动态稳度低于普通组(P<0.05);⑥提示肥胖使人体在跨越障碍过程中对身体的控制能力下降,动态稳定性降低,发生跌倒的风险较普通人群更高;此外,相较于平地行走,跨越障碍时肥胖组稳定性下降较普通人群更为显著。