航空发动机燃油雾化喷嘴流量预测方法的研究

为了指导喷嘴设计与性能校核,对航空发动机燃油雾化喷嘴燃油在喷嘴内的流动特性进行了数值模拟计算。通过对喷嘴从供油管路到主副喷口进行完整建模与网格划分,计算获得燃油在不同部位的压降情况,分析燃油在不同部位的流动损失情况,建立喷嘴流量预测模型。结果表明:燃油在主副油路油管等部位,主要由于摩擦作用而发生沿程损失;在主副油路活门内芯、主油路底杯、涡流器、副油路喷口前部等部位,主要由于截面积突变发生局部阻力损失。二者均引起了不同程度的压降。通过建立关键部位几何参数与流动损失之间的关系,根据机械能守恒式与连续性方程,推导喷嘴流量预测模型。通过对比不同供油压差与不同关键几何参数下的实验数据,验证了理论预测模型的准确性,能较好地运用于喷嘴流量的设计与校核。

基于SPH方法的射流撞击仿真

为了研究液体推进剂的撞击雾化问题,采取光滑粒子流体动力学方法 (SPH)进行了射流撞击形成液膜过程的数值模拟。修正了基于连续表面力模型的表面张力算法,推导了考虑粘性与表面张力作用的SPH形式的控制方程,对撞击雾化模型进行了合理简化,采用水作为推进剂模拟液。得到了不同撞击速度、角度下的液膜图像及液膜的形成过程图像。证明了SPH方法适于解决存在自由表面及大变形的射流撞击问题。

修正表面张力算法的SPH方法及其实现

在Morris提出的表面张力SPH方法基础上,通过引入CSPM方法对边界法向的计算和曲率的计算进行修正,得到表面张力修正方程组;通过半圆形算例测试方法和Morris方法在边界定位、法向计算和曲率计算等影响表面张力关键因素的求解精度,研究曲率计算中应采用的光滑长度值.模拟初始方形液滴在表面张力作用下的自然变化过程,并与Morris方法及VOF有限体积法进行对比,表明方法精度较高,稳定性较好.最后,模拟水溶液中两个油滴的互溶过程.

基于SPH方法的表面张力修正算法及其应用

针对传统SPH方法中基于CSF模型的表面张力算法,在计算边界、尖角等粒子缺失部位的曲率时存在偏差较大,且粒子秩序较差,对大变形问题表面张力计算精度较低的问题,在Morris提出的表面张力SPH方法基础上,通过引入CSPM方法对边界法向的计算和曲率的计算进行修正,得到了表面张力修正方程组。应用本文方法模拟了水溶液中初始方形油液滴在表面张力作用下的自然变化过程,与VOF有限体积法进行对比,结果非常吻合;最后,基于本文方法模拟了二维水溶液中两个油滴的碰撞破碎过程。

DNA芯片图像的自适应提取

软件内嵌探针测试是在探针函数模板的框架内编写被测对象,并对被测对象进行面向对象软件的常规测试,在观察预期结果与实际结果是否一致的同时,还要察看探针函数输出的信息,以确定对象的状态是否正确。本论文研究的重点在于探针函数的构成、探针函数的实现及内嵌探针测试方法的应用研究,意在构筑一个基本的应用框架,提供一种实用的测试方法。

超声波雾化喷嘴共振腔对雾化特征的影响研究

针对流体动力式超声波雾化喷嘴空间分布不均、噪声大的问题,采用数值模拟结合实验的方法,对喷嘴共振腔对雾化特征的影响进行了研究,计算获得共振腔的振荡特性,拍摄到了雾化近场特征,并测量了液滴的平均粒径及喷嘴噪声声压级。研究结果表明:对于目标喷嘴,吞吐模式与非吞吐模式下共振腔的压力振荡频率分别由喷嘴压力比和几何结构决定;吞吐模式下,共振腔深度增大导致压力振荡频率降低,容易导致喷嘴产生过大噪声,而过小的深度会导致腔口膨胀气流流速过低;共振腔内径对振荡频率影响较小,但内径过大会导致液滴空间分布不均及压力振幅下降;喷口到腔口的间隔距离影响声压级大小,喷嘴索特平均直径与声压级大小成反比。

基于SPH方法的凝胶推进剂一次雾化仿真研究

一次雾化中存在传统网格法难以解决的自由表面、大变形等问题,本文将光滑粒子流体动力学(SPH)方法探索性地应用于凝胶推进剂一次雾化仿真研究。模型粒子数保持在105左右,在高剪切速率下,将凝胶推进剂看作高粘度牛顿流体,研究了撞击速度、撞击角度以及凝胶推进剂物性参数对雾化效果的影响,仿真结果与实验结论基本一致。

固体火箭发动机内气粒两相流动的SPH-FVM耦合方法数值模拟

为解决现有数值模型在求解固体火箭发动机内颗粒的燃烧流动等问题时所遇到的难题,基于拟流体模型,采用光滑粒子流体动力学方法 (SPH)求解离散颗粒相,追踪颗粒运动轨迹,采用有限体积方法 (FVM)对气体连续相进行描述,捕捉流场特性,两相间通过曳力、压力梯度、热传导、体积分数等参量进行耦合,建立了两种不同坐标系下方法间的耦合框架。耦合方法模拟了喷气推进实验室(JPL)喷管中气粒两相流动过程,得到了气相和颗粒相的参数分布规律,与相关实验结果及离散颗粒模型(DPM)数值模拟结果对比,吻合较好。针对Φ315mm实验发动机工作状态和结构特点,进行了发动机燃烧室内过载条件下的气粒两相流动数值模拟,分析了纵、横加速度载荷对发动机燃烧室内粒子场和聚集带的影响,与已有的数值模拟结果基本吻合。结果表明,新方法求解发动机气粒两相流问题准确可靠,适用于发动机内更为复杂的两相流问题数值模拟。

行人穿越道路对交通运行拥堵预测仿真

对行人穿越道路造成交通运行拥堵状况进行预测,将有利于进一步查找造成交通拥堵的深层次原因,提供设置行人过街设施或限制行人过街依据。采用传统仿真方法,仅能得到宏观物理量的统计分析结果,缺乏行人穿越对交通系统影响的实时动态分析。针对上述问题,提出了一种新的适用于行人穿越道路的仿真方法。首先建立行人与车辆宏观交通多相流模型以及行人穿越道路过程物理模型,然后采用无网格粒子仿真方法对所建立的宏观交通多相流模型进行离散,建立仿真粒子与真实车辆及行人之间的对应关系,得到了行人穿越道路过程中行人与车辆在道路上的实时分布状况,分析了行人穿越过程造成的交通波传播特性,同时得到了不同行人流密度情况下对交通流动状态的影响。所得结果与实际交通状况吻合较好,有效预测了行人穿越道路造成交通运行拥堵的原因,同时为研究不同因素对交通运行状况的影响提供了一类新的仿真方法。

航空发动机燃油雾化特性研究进展

从实验、理论和数值模拟三个方面对航空发动机内的燃油雾化问题研究进展进行了综述。实验方面,通过雾化实验,可定性分析喷注参数及环境条件等因素对雾化效果的影响,测量技术是影响实验精度的关键;雾化理论对液膜形状及破碎特性的预测值与实验还存在一定误差,复杂气动条件下的雾化理论还较为缺乏;雾化数值模拟可以获得不同形式燃油雾化的某些典型变化过程,复杂多过程、多因素影响的雾化模拟还较难开展。总体上看,航空发动机燃油雾化机理还未能完全揭示。

道路交通的流体物理模型与粒子仿真方法

针对受多种因素影响的复杂道路交通系统问题,基于颗粒动力学理论,结合传统的Lighthill-WhithamRichards物理模型,建立道路交通系统的流体物理模型,采用无网格粒子与网格相结合的方法进行数值仿真,并应用于典型道路交通问题的求解.在新模型中,将车辆比拟为硬颗粒,车辆的跟车比拟为颗粒间的碰撞相互作用,已知道路情况对驾驶员操作车辆的影响比拟为流-粒两相系统中的外部流体驱动力作用,不同车道间车辆的影响比拟为颗粒间的黏性作用,从而在颗粒动力学理论的基础上,推导建立了道路交通系统拟流体模型;引入光滑离散颗粒流体动力学(SDPH)对车辆系统模型进行离散,建立"SDPH车辆"与真实车辆之间的一一对应关系,再结合有限体积方法,对道路交通构建的双流体模型进行求解,建立求解交通流体物理模型的新型仿真方法.最后,采用所建立的模型和方法对车辆汇入以及机非混合对交通系统的影响过程进行了数值仿真,所得结果与实测值符合较好,表明新的模型和方法有效性好、可靠性高,为道路交通问题的解决提供了一条全新的途径.

基于无滑移边界条件的SPH方法研究

在回顾了SPH无滑移边界条件施加方法的基础上,针对Ellero等人提出的无滑移边界处理方法,结合两次导数求解粘性项,分析了利用该方法求解Poiseuille流模型时遇到的不稳定问题,包括数值误差引起的不稳定问题和边界粒子场变量更新方式引起的不稳定问题,提出了相应的解决方案并对其方法进行了一定的改进,获得了更加精确的计算结果。最后尝试了一种与改进边界处理方法等效的方法,并利用Poiseuille流模型进行了验证。

三维圆柱型颗粒堆坍塌问题的全相态数值模拟

静态颗粒堆在重力作用下的坍塌问题,是认识和理解许多人为过程和自然现象的基础.采用传统方法进行模拟存在单颗粒追踪数量大、宏观模拟流变特性明显和相态演变复杂等计算难点.本文从颗粒介质表现出不同相态的物理机理出发,对全相态概念进行了定义并进行了区域划分.根据颗粒介质的应力-应变关系及体积分数的不同,通过确定不同相态之间的耦合关系和转化准则,将描述各相态的现有理论有效结合起来,建立了描述颗粒介质经历全部相态的耦合模型理论.采用光滑离散颗粒流体动力学方法和离散单元法相耦合的策略,对颗粒介质物理模型求解,实现了对不同长径比下的三维圆柱型颗粒堆坍塌过程的数值模拟.计算结果与实验结果吻合较好,同时与离散单元法相比,计算量得到了控制.不仅捕捉到了不同参数影响下颗粒堆坍塌后沉积的不同现象,同时获得了不同条件参数对颗粒堆坍塌后铺展特性的影响规律,为揭示工业和自然界中广泛存在的颗粒介质复杂运动机理提供有效的支撑.

幂律型凝胶推进剂射流撞击雾化SPH模拟

为研究幂律型本构关系对于凝胶推进剂雾化的影响,应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法进行了凝胶推进剂的射流撞击雾化仿真,并与实验结果进行了对比。推导了幂律型本构关系的SPH求解方法,发展了三维隐式SPH算法,克服了凝胶推进剂的高粘度对于时间步长的限制。制备了胶凝剂含量分别为1%,2%的两种水基凝胶推进剂模拟液并进行了6种工况的雾化实验和数值模拟,证明了本文SPH方法可以有效模拟凝胶推进剂的雾化问题。对于本文研究的工况,雾化区内模拟液的表观粘度普遍高于10-2N?s/m2,从撞击点至雾化区下游,模拟液的表观粘度呈震荡上升分布。分析表明,雾化区下游的高表观粘度是造成凝胶推进剂雾化生成液丝及大尺寸液滴的重要原因。

基于SPH方法的聚能射流侵彻混凝土靶板数值模拟

在完全变光滑长度SPH(smoothed particle hydrodynamics)方法的基础上,利用F.Ott等提出的修正SPH方法处理在求解多介质大密度问题时的数值不稳定性问题,运用Holmquist-Johnson-Cook本构模型处理混凝土在冲击载荷下的变形和损伤问题,对聚能装药射流侵彻混凝土靶板的过程进行了数值模拟,同时利用LS-DYNA非线性有限元程序进行对比,分析了2种方法得到的混凝土von Mises应力变化、射流头部特定节点处的速度变化及裂纹演变,验证了SPH方法的准确性。分析了另外2种不同尺寸的靶板在射流侵彻作用下的破坏形式,结果符合射流侵彻物理规律,表明该方法适合模拟聚爆炸与冲击等大变形破坏等问题。

基于拟流体模型的SPH新方法及其在弹丸超高速碰撞薄板中的应用

引入颗粒动力学理论(拟流体模型)建立了适用于超高速碰撞的SPH新方法。将超高速碰撞中处于损伤状态的碎片等效为拟流体,在描述其运动过程中引入了碎片间相互作用和气体相对碎片的作用。采用该方法对球形弹丸超高速碰撞薄板形成碎片云的过程进行了数值模拟,得到了弹坑直径、外泡碎片云和内核碎片云的形状、分布,并与使用传统SPH方法、自适应光滑粒子流体动力学(ASPH)方法的模拟结果进行对比,结果显示:新方法在内核碎片云形状和分布上计算结果更加准确。同时对Whipple屏超高速碰撞问题进行了研究,分析了不同撞击速度下防护屏弹坑尺寸及舱壁损伤特性等特性,计算结果与实验吻合较好且符合Whipple防护结构的典型撞击极限曲线。

基于SPH的分层钢板抗半球头弹侵彻的数值模拟

随着高强度、高抗冲击特性钢结构在防护装甲、武器库防护门等军事领域得到广泛应用,钢结构的抗冲击性能成为研究的重点和热点。采用光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)对半球头弹撞击多层钢板的过程进行了数值模拟,并与实验对比,分析了半球头弹撞击后钢板的失效形式,得到了撞击点处钢板盘式隆起、蝶形破坏等过程,得到了钢板的von Mises应力分布以及半球头弹的剩余速度,验证了SPH方法在模拟钢板侵彻变形问题上的有效性。通过数值模拟,研究了钢体层数、钢体厚度对其抗侵彻特性的影响,研究表明:3mm时单层钢板比多层钢板的防护能力强,9mm时多层钢板比单层钢板的防护能力强,12mm时多层钢板和单层钢板的防护能力相当。

基于SPH方法的幂律流体突缩型管路流动过程仿真

应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法进行了幂律型流体的突缩型管路流动过程仿真。推导了SPH形式的流体动力学控制方程,应用罚方法施加边界条件,应用人工应力消除拉伸不稳定现象,应用XSPH方法规范粒子秩序。提出了幂律型本构关系的SPH求解方法,推导了剪切速率及粘性项的计算公式。应用Poiseuille流算例对本文的幂律型本构求解方法进行了验证,获取了幂律型流体在突缩管中的流动特性,并与水的流动特性进行了对比分析。讨论了流动特性的成因。

基于SPH-FEM耦合方法的柔性导爆索分离装置爆炸分离过程数值模拟

为深入研究柔性导爆索在爆炸分离装置中的作用过程和机理,提出一种改进的光滑粒子流体动力学方法(smoothed particle hydrodynamics,SPH)与有限单元法(finite element method,FEM)耦合算法。新方法中不仅包含导爆索模拟的SPH方法与分离装置模拟的FEM方法之间的接触算法,同时将完全损伤失效后的单元采用转化算法动态转化成SPH粒子继续参与计算,转化后的粒子与未转化的有限单元之间采用接触算法计算。采用该方法对环型和平板型两种爆炸分离结构的分离过程进行了数值模拟,验证了新方法的准确性与问题适用性;分析了分离板的变形断裂及损伤碎片的飞溅过程,得到了分离装置表面不同时刻的应力分布、损伤因子的变化趋势、von Mises应力的变化趋势;探讨了炸药在不同比内能情况下单元的屈服损伤速度、碎片的飞溅位移速度。

混凝土薄板侵彻贯穿问题的SPH数值模拟

随着混凝土结构强度的不断提高,越来越多的防护工事选择混凝土作为主要建筑材料。在光滑粒子流体动力学方法的基础上,提出了TCK-HJC复合本构模型,对锥形弹刚性侵彻过程中混凝土薄板的变形损伤进行数值模拟,采用拟流体模型处理失效的混凝土碎片,分析了不同侵彻角(0°,60°)下锥形弹侵彻混凝土薄板的变形过程,得到了薄板的压力分布以及失效混凝土碎片的飞散角度,并与实验进行对比。结果表明,数值模拟方法是合理的,为进一步研究脆性材料的力学性能奠定了技术基础。