高焓流动中的可压缩颗粒两相流并行求解器:数值方法及其验证

在极端力学环境下可压缩点力颗粒两相流理论方程的基础上,提出一种基于动态链表数组的并行颗粒求解器,使其与可压缩流体求解器耦合。与基于欧拉坐标系的携带流体相不同,基于拉格朗日坐标系的求解器采用动态链表数组对弥散颗粒相进行内存分配,可以解决因使用全局数组解决拉格朗日/欧拉坐标系转换带来的弥散颗粒群内存利用率低和计算效率低下问题。最后对多物理效应的可压缩颗粒两相流求解器进行验证,并在马赫数渐进趋于零的情况下,对两个不可压缩槽道颗粒湍流标模进行验证。

流体力学课程互动式教学的探讨与实践

流体力学是力学专业的核心课程,具有理论性强、应用面广的特点。针对学生学习积极性不高、参与度不够的问题,本课程对互动式教学方法进行了思考和实践。首先,对互动式教学的要素和条件进行了分析,结合流体力学应用性广、可演示可验证的特点,设计了贴合流体力学课程的互动式教学方法,同时制定了适用于互动式教学的评价方法。在互动式教学中,设计了两类互动内容,一类是调研分析互动,一类是探究性实验互动。从教学效果看,互动式教学提高了学生的积极性和参与度,显著提升了互动的频次和质量,带动了学生的知识理解和能力培养。

中性悬浮大颗粒对湍槽流影响的数值研究

采用虚拟区域方法对含有中性悬浮大颗粒的湍槽流进行双重直接数值模拟,研究当摩擦雷诺数为180、颗粒体积分数分别为0.79%和2.36%时颗粒对湍流场的影响.结果表明:颗粒的存在削弱了大尺度准流向涡结构,导致近壁处流向脉动速度强度的削弱,且诱导出较小尺度的涡结构,导致近壁处横向和展向脉动速度的增强.颗粒的存在对近壁区脉动速度概率密度分布的影响显著:降低了流向和横向脉动速度概率分布的倾斜度;减小了流向出现大速度脉动的概率,增加了横向和展向出现大速度脉动的概率.对于以方差归一化的脉动速度概率分布,颗粒的影响很小.

粘弹性二阶流体混合层流场拟序结构的数值研究

本文用拟谱方法对随时间发展的二维粘弹性二阶流体混合层流场进行了直接数据值模拟，给出在高雷诺数和低Ｄｅｂｏｒａｈ数下大涡的卷起、配对和合并等过程，通过与相同雷诺数下牛顿流体的比较，揭示了弱粘弹性对混合层中大涡拟序结构演变的影响·

刚杆状聚合物和混合层中拟序结构的相互影响

用港方法（即Galerkin方法）求解多球刚杆模型位型空间分布函数的扩散方程，用拟谱方法求解物理空间的N－S方程，同时得到了加入刚杆状聚合物分子的二维混合层中拟序结构的演变过程和聚合物分子的最可几取向．计算结果较为合理地描述了聚合物分子和拟序结构的相互影响．||关键词##4多球刚杆分子模型;;混合层;;拟序结构;;

混合层中由次谐波导致的失稳过程的数值研究

用拟谱方法对随时间发展的二维混合层流场进行了直接数值模拟，给出了高雷诺数下在Ｋｅｌｖｉｎ－Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ波卷起后存在有限振幅次谐波时大尺度拟序结构进一步的失稳演变过程，包括大涡的配对、撕裂以及二次配对。同时探讨了初始的次谐波强度、雷诺数和相位差等对大涡配对和合并过程的影响。

一种减轻固粒对壁面冲蚀磨损的新方法

针对带固粒的近壁流场,提出了在壁面上开凿纵向浅沟槽以减轻固粒对壁面冲蚀磨损的方法.采用改进的k-ε湍流模式和气-固两相双向耦合模型,计算了流场中颗粒的速度、轨迹以及固粒对壁面的冲蚀磨损,并进行了相应的试验对比.结果表明:在壁面上开凿纵向沟槽能减轻固粒对壁面的磨损;在一定的沟槽高度下,当沟槽宽度同沟槽间距离相等时,减轻磨损的效果最明显;在一定颗粒尺寸范围内,大颗粒导致磨损质量损失增大,当颗粒尺寸超过某一临界值后,颗粒尺寸对磨损的影响较小.进口处颗粒运动方向对壁面磨损具有直接影响.

二维气固两相混合层中固粒对流场影响的研究

采用双向耦合模型对含有固粒的二维气固两相混合层流场进行了研究· 流场采用拟谱方法直接数值模拟 ,固粒采用颗粒_轨道模型 ,在考虑流场对固粒作用的同时 ,考虑固粒对流场的反作用· 结果发现固粒的浓度和Stokes数对流场影响明显· 固粒的作用使涡量扩散加快 ,并阻碍流场的变化 ,减弱了流场中拟序结构的强度 ,缩短涡的生存期 ;

多孔介质方腔自然对流的直接数值模拟

为了研究多孔介质方腔的自然对流传热,通过在方腔内布置固体颗粒的方式来模拟多孔介质结构,并采用虚拟区域方法求解多孔介质中的流场和温度场,分析了固体颗粒的数目、布置方式和形状对传热效率的影响.在高Rayleigh数下,多孔介质方腔自然对流的传热主要是通过壁面附近热对流产生的环流.通过直接数值模拟研究发现:当保持Rayleigh数和固体体积分数不变时,随着模拟多孔介质的颗粒数目的增加,壁面平均Nusselt数随之减小,即传热效率降低,进一步的流场分析表明规则排列时最外排颗粒到壁面距离对于传热效率有重要的影响;当固体颗粒数目和体积分数相同时,颗粒随机布置在高Rayleigh数时比颗粒规则布置有更高的传热效率,而颗粒形状对于传热效率的影响则不大.

不同大小粒子之间相互作用的直接数值模拟

应用改进的拉格朗日乘子/虚拟区域算法对不同大小的两个圆形粒子在二维方槽中的沉降过程和相互作用进行了直接数值模拟,并进行了实验验证· 结果表明不同大小的两个粒子在沉降过程中的相互作用可以描述为追尾、接触、旋转和分离4个过程,只有当两个粒子尺度差异很小时,才会重复进行DKT过程· 在两个粒子相互作用的过程中,小粒子的运动受到大粒子的影响更剧烈一些。

二维气固混合层中拟序结构对固粒运动影响的研究

本文对固粒在混合层涡卷起和配对过程中的运动进行了研究。对流场用拟谱方法直接数值模拟，对固粒用颗粒－轨道模型。计算结果给出了涡卷起和涡配对过程中固粒的运动情况，说明本流场Ｂａｓｓｅｔ力对固粒运动的影响甚微；拟序结构演变过程的不同阶段造成不同的固粒分布，该结果与流场显示的实验结果相符；在相同流场条件下，Ｓｔｏｋｅｓ数是影响固粒在拟序结构流场中运动的控制参数。文中所得结论对工程应用具有指导意义。

DLD装置中刚性颗粒运动的直接数值模拟研究

为解决确定性侧向位移分离装置(DLD)数值模拟的精度以及其颗粒分离规律等问题,将直接力虚拟区域法应用到刚性颗粒在DLD中的运动直接数值模拟中。开展了DLD装置的侧向边界条件的影响分析,建立了侧向边界条件与DLD内部流场倾斜角度之间的关系,提出了对于模拟侧向圆柱数量较多的实际DLD装置应该采用周期性边界条件;在流场特征和刚性颗粒分离半径上对所采用的数值模拟方法和侧向边界条件进行了评估和实验。研究结果表明,对于侧向有较多数量圆柱的实际DLD装置,采用较少数量的圆柱和周期性边界条件来减少计算量,可以保证数值模拟的精度。

添加聚合物对混合层流场特性影响的实验研究

叙述了适用于粘弹性流体混合层流场的实验装置的设计和研制．采用二维激光多普勒系统对混合层流场进行了测量，得到了平均速度剖面、动量厚度、湍流脉动强度、雷诺应力等一些流场的基本特征量．结果表明，混合层中加入聚合物后流场将有较大的变化，同时也说明本文所研制的实验装置满足实验的要求．

混合层流场的特性及其大涡结构的研究

对５０年代以来尤其是近１０年来有关混合层的研究成果，特别是有关大涡拟序结构的成果进行了综述。

FENE-P流体混合层中拟序结构的研究

采用FENE_P模型对高雷诺数下二维粘弹性混合过程中拟序结构的演变进行了数值研究· 由于对聚合物应力场采用了适当的滤波措施 ,得到了较AH更宽参数范围内FENE_P流体混合层流场中拟序结构的运动特性 ,计算结果表明 :在流场中加入聚合物 ,基波和次谐波的发展受到抑制 ,涡量扩散加强 ,减慢了配对时两涡核的旋转运动 ,这种影响随Weissenberg数的增大而减小 ,但却随参数b的增大而加强· 另外 ,与相同溶液粘度下的牛顿流体相比 ,配对过程中涡量完全合并的时刻延迟了·

Oldroyd-B流体混合过程中拟序结构的研究

采用Ｏｌｄｒｏｙｄ－Ｂ模型对高雷诺数下二维粘弹性混合过程中拟序结构的演变进行了数值研究．计算结果表明：在流场中加入聚合物，基波和次谐波的发展都受到抑制，涡量扩散加强，削弱了大涡卷起和配对的强度，减慢了配对时两涡的旋转运动．当Ｗｅｉｓｓｅｎｂｅｒｇ数大到１０时，在聚合物应力集中区涡量梯度加强，并出现反向涡量，因而强烈影响了拟序结构的演变．

方管中中性悬浮颗粒惯性迁移现象的数值研究

针对方管中中性悬浮颗粒（颗粒与流体密度等于1）的惯性迁移现象问题,采用并行虚拟区域方法（DF/FD）进行了完全直接数值模拟.选取了周期性管长（L=2H）和3种不同粒径大小的球形颗粒,模拟研究了颗粒在Re为100～1 500范围内的方腔管道中的惯性迁移过程,确定了颗粒的迁移轨迹和平衡位置,以及粒径对颗粒惯性迁移现象的影响,并与圆管、槽道流结果进行了对比.研究结果表明：颗粒迁移后的平衡位置主要分为方管对角线和边线中间两种;随着雷诺数的增加,对角线上的平衡位置愈靠近角落,颗粒粒径越小,离角落越近;边线中间的平衡位置则先靠近壁面,当Re增加到800左右,颗粒的平衡位置开始远离壁面向方管中心迁移,大颗粒即粒径比a/H=0.15表现的最为明显,会形成类似于圆管中的内部平衡位置.

方形粒子在Oldroyd-B流体中的沉降特性

为研究方形粒子在黏弹性流体中的沉降特性,应用基于分布式拉格朗日乘子的虚拟区域方法对方形粒子在Oldroyd-B流体中的沉降运动进行了数值模拟.通过模拟得到了不同长宽比粒子的沉降轨迹、取向角和沉降速度的变化情况,并讨论了不同形状粒子的沉降特性.当方形粒子在Oldroyd-B流体中沉降时,粒子的平衡取向为长边与重力方向平行,平衡位置为方槽的中心线.粒子的长宽比对沉降过程的影响较大,长宽比大的粒子在沉降过程中具有较大的横向漂移和沉降速度.当水力直径相同时,圆形粒子具有最大的沉降速度,而正方形粒子的沉降速度最小.

次谐波对混合层中拟序涡合并过程影响的数值研究

本文用拟谱方法对混合层二涡、三涡的合并规律进行了数值研究,分析了基波和次谐波之间相位差对涡合并过程的影响,并对此进行了解释。计算结果表明:二涡合并有配对和撕裂两种形式,且涡的完全通过撕裂合并的现象仅在相位差为π/2时出现;三涡合并有三种形式。通过计算可见,通过施加多级次谐波并改变它们之间的相位差可以主动控制拟序涡的发展和演变。

添加聚合物对混合层中拟序结构的影响

混合层是一种在化工过程中经常见到的基本流场,对该流场拟序结构的研究具有理论和实际意义.自70年代以来,混合层中的拟序结构得到了深入和广泛的研究,然而对于加入聚合物而产生了粘弹性的混合层流场,国内外的研究工作还不多.实验方面,Hibberd发现聚合物的加入使流场中小尺度结构减少,拟序结构更加明显;Riediger发现拟序结构具有更长的生存期,动量厚度的增长受到抑制.理论方面,最新的进展是Azaiez和Homsy(简称AH)用Oldroyd-B模型求解了流场,但是在求解时,发现在Weissenberg数为5时数值解发散,并用有限拉伸率下聚合物法向应力会趋于无穷来解释这一现象.因而对流场没作仔细的研究.但事实上,数值解的发散并不表示此时应力已出现奇点,而是由于应力迅速增长的性质导致数值计算出现不稳定,正如计算激波时还没有真正到达间断,数值解就会由于振荡而发散.因此,可以采用适当的滤波措施来稳定计算而得到合理的近似解.