管内充分发展流动与传热数值模拟的教学方法探讨

由于缺乏数值计算的基础理论知识,工科本科生在学习流体流动与传热过程的数值模拟方法并进行程序设计时,往往觉得难度较大。本文围绕圆管内不可压缩流体充分发展流动与传热,采用边界层积分法,推导出无量纲控制方程组;针对层流工况和湍流工况,开发出相应的数值方法。基于该方法的程序代码易于理解,且计算结果表明该方法具有预测精度高、收敛速度快的优点。本文的工作可以为计算流体力学、数值传热学及热工计算等系列课程的本科教学提供参考。

长矩形腔体中混合流体的双局部行波

基于数值模拟,研究了分离比ψ=-0.4和长高比Γ=40的腔体内的双局部行波对流的动力学特性。结果发现,对流圈在端壁产生,向中心传播,到达一定位置对流圈消失;在矩形腔体中两端壁附近行波对流区域与中间部位无对流的传导区域同时共存,形成双局部行波对流;双局部行波对流中的行波由腔体两端向中部传播;腔体二分之一高度处的温度与垂直流速分布是谐波结构,波形比较光滑,浓度分布是台型结构;随着时间的发展,垂直流速最大值稳定在某个数值周期变化,下壁面努塞尔数基本稳定在某个数值,垂直流速最大值和下壁面努塞尔数及其达到稳定的时间随着相对瑞利数r的增加而增加;双局部行波对流稳定的存在于相对瑞利数r∈{1.52,1.57]的区间,双局部行波的对流区长度随着相对瑞利数r的增加呈良好的增加关系,并给出了双局部行波的对流区长度随着相对瑞利数r变化的拟合关系式。

大高宽比矩形腔体侧向正弦加热下对流扰动的成长和传热特性

为了研究矩形腔体侧向正弦周期加热条件下对流扰动的成长和传热特性,本研究对流体力学方程组进行了数值模拟。结果表明:随着格拉晓夫数Gr的增加,对流扰动的最大振幅Amax的成长率变大,线性成长阶段的时间变短。对于高宽比A=10,腔体宽度d=2cm的腔体,普朗特数Pr=6.949的流体,对流扰动的成长率γ_(m)随着格拉晓夫数Gr变化的经验式为γ_(m)=9×10^(-8)Gr^(1.2343);对于高宽比A=10、腔体宽度d=6cm的腔体,普朗特数Pr=0.703的流体,成长率m随着格拉晓夫数Gr的变化关系式为m=8×10^(-4)Cr^(0.52)。当Pr=0.0272时,热壁面平均努塞尔数Nu和格拉晓夫数Gr的关联式为Nu=0.00002Gr^(1.17);当Pr=6.949时,Nu=0.00024Gr^(1.05)。随着格拉晓夫数Gr数增加,右壁面的传热能力增强。

特定湍动激励-响应类型二次非线性系统双谱分析仿真建模

自然界存在一类特定湍动激励类型二次非线性系统,属于一种特殊的非高斯信号系统,其特征是输入信号谱由湍流波动产生,而且这种湍流波动信号功率谱分布接近高斯分布.本文从拓展Choi等(1985 J.Sound Vib.99309]和Kim等(1987 IEEE J.Ocean.Eng.OE-12568)的工作入手,对以海浪激励-系泊船舶响应和充分发展湍流为代表的特定湍动激励-响应类二次非线性系统,基于双谱分析技术进行系统仿真,并对仿真系统进行了扩展的、系统的建模分析,并首次应用完备迭代法(2020 Phys.Scr.95055202)进行模型求解,计算了线性传递函数与二次非线性传递函数.所得结果均符合预期.相干分析表明,随机海浪-船舶摇动系统二次相干性远大于线性相干性,但近高斯输入型充分发展湍流的线性相干性更大.反算验证或与真实系统的对比表明,本文的湍流仿真手段与系统建模方法准确性好,求解算法效率高,可以有效应用于与湍动激励相关的二次非线性系统的模型描述与系统分析.

基于等值面体的三维涡旋数量与形状特征研究

涡旋是湍流的基本结构,被誉为流体运动的肌腱,涡旋研究对自然探索和工程应用有重要的意义.基于直接数值模拟的槽道湍流数据与旋转强度涡旋识别方法,以涡旋三维结构等值面体(以三角网格为单位)为研究对象,通过设置三角形切面,利用两三角形相交快速检测算法提取涡旋多边形,研究不同等值面体阈值及壁面距离条件下,涡旋数量与形状特征(圆度、半径、凸状及纵横比因子)的变化规律.以对数区内涡旋为例:随着阈值的增加,涡旋密度呈对数律快速递减,圆度和半径因子概率密度函数(PDF)变高耸,圆度均值快速递增后保持不变而半径均值不断递减,纵横比因子PDF未显著改变且均值基本不变,凸状因子PDF向脉冲函数靠近,说明阈值增大导致涡旋逐渐变少、变圆、变小并更饱满.在同一阈值下,随着壁面距离的增加,涡旋密度在外区(除靠近水面区域外)也呈对数律递减,圆度、纵横比及凸状因子先快速增加随后不变或缓慢增长,半径因子快速递减后保持不变,说明涡旋在远离壁面的过程中在不断破灭但形态却较为稳定.

颈内动脉狭窄血流动力学数值模拟

目的:基于血流动力学数值模拟条件,探究对颈内动脉进行不同程度人工干预狭窄的颈动脉模型的血流动力学特性,并从血流动力学角度分析颈内动脉位置处产生狭窄及由于其狭窄导致脑部供血疾病的原因。方法:采集内蒙古民族大学附属医院提供的健康个体二维CT数据,应用医学建模软件MIMICS20.0将二维的颈动脉CT数据进行三维模型重建,然后借助3-Matic Medical软件,对颈动脉模型中的颈内动脉同一位置进行不同程度的人为干预狭窄,得到颈内动脉25%、50%、75%狭窄程度的颈动脉模型。经格式转化、边界条件设置、网格划分等操作后,导入计算流体力学软件FLUENT14.5进行颈动脉血管及血液两相流血流动力学数值模拟与分析。结果:比较颈内动脉同一位置3种不同狭窄程度下的血液流线及速度矢量图可知,随着狭窄程度的增大,颈动脉窦处血液的涡旋流动现象迅速减弱,而颈内动脉狭窄处上方和下方血液出现明显的涡旋流动,并且血液流动出现选择性偏流。颈内动脉狭窄程度从25%到50%再到75%的过程中,狭窄处的血管壁面压力始终较低,狭窄下方的血管壁面压力逐渐增大,为高压力区域。狭窄处为高切应力区域,并且狭窄位置上方和下方的低切应力范围明显变大。结论:利用计算机软件进行人为干预狭窄获取模型的技术进行实验研究具有方便、快捷的特点。颈内动脉狭窄从25%到50%再到75%时,颈动脉的血液流场发生明显改变,颈内动脉出现明显的涡旋流动现象,血管壁面的力学性质也发生一定变化。

沟槽面湍流边界层减阻特性研究

在光滑平板中分别嵌入一段不同尺寸的沟槽板 ,通过分析沟槽板前后流场速度分布、紊动特性等的变化 ,得出 :沟槽板上粘性底层厚度比沟槽板上、下游光滑平板处增大 ,沟槽板上流速分布对数公式中的 C值也比上、下游光滑平板的 C值大 ,说明沟槽板上局部摩擦阻力较小 。

超临界压力流体管内湍流对流传热的计算方法

将边界层积分方法应用于管内变物性湍流流动导出了剪切应力的分布方程,基于该方程可以对超临界压力流体的对流传热行为做出合理的定性解释。对于加热条件下的传热工况,结合“热可压缩”状态流体密度的变化,引入浮力阻力系数表征热流方向上的“浮力效应”,引入加速阻力系数表征流动方向上的“加速效应”。根据边界层理论和动量-热量传递比拟法导出了新型传热关联式,该关联式将不可压缩流体和热可压缩流体的管内湍流对流传热计算统一起来。应用关联式预测不同超临界流体的管内湍流对流传热系数,计算结果与实验数据的比较表明:关联式能较为准确合理地预测出大部分传热工况下的传热强化和传热恶化行为,其预测精度与摩擦阻力系数的计算有关。

微量润滑油滴冲击倾斜壁面黏附颗粒的实验研究

微量润滑油滴与金属壁面冲击黏附成膜过程中,壁面附着颗粒物的存在对润滑油膜的形成质量和摩擦副的散热效果影响显著.通过高速摄像实验对油滴与倾斜壁面黏附颗粒的冲击过程进行观测分析,考察油滴冲击速度、壁面倾斜角度等因素对油滴冲击颗粒后的形态演变和铺展特性的影响,以及黏附颗粒在冲击作用下的动态特性.研究结果表明:油滴冲击铺展过程中的形态演变受壁面倾斜角和冲击速度影响,会出现不对称沉积铺展、单侧颈部射流破碎,或者包裹颗粒滑移铺展等现象;颗粒在油滴冲击作用下沿斜面方向未产生明显滑移时,倾斜角增大对冲击油滴前铺展有促进作用,更容易在前缘三相接触线附近产生单侧颈部射流破碎现象;颗粒产生滑移时,颗粒滑移速度随壁面倾斜角的增大而增大,使前端液膜长度变短而抑制射流现象的生成,产生微油滴包裹颗粒滑移铺展现象;冲击速度对后铺展过程中的铺展因子变化影响较小,前铺展过程中的最大铺展因子随着冲击速度的增加而逐渐增大;壁面附着颗粒的运动受冲击速度和倾斜角大小影响明显,冲击速度或倾斜角度的增大均能够促进冲击油滴包裹颗粒沿壁面滑动.

三角形排列波浪锥柱绕流流动特性数值分析

采用大涡模拟方法,分析了亚临界雷诺数为3 900时三角形排列波浪锥柱的横流向间距比和顺流向间距比对其升阻力特性、尾流干涉效应及三维流动结构等的影响.结果表明,上游2个波浪锥柱的升阻力特性受下游波浪锥柱影响较小,下游波浪锥柱处于上游双波浪锥柱尾流中,其升阻力特性受横流向间距比和顺流向间距比影响更为显著.3个波浪锥柱间的流动状态可分为邻近干扰、漩涡撞击和涡相互作用状态.在漩涡撞击状态下,上游波浪锥柱尾涡得以发展充分,周期性撞击在下游波浪锥柱表面,从而产生较大的脉动升力.横流向间距比、顺流向间距比分别为3和6时,下游波浪锥柱脉动升力系数较单直圆柱提升了20.93倍.

三角形布置圆柱体群绕流特性与流动机理研究

基于浸没边界-多松弛-格子玻尔兹曼方法,对Re=100时等边三角形布置三圆柱体群绕流问题进行数值模拟,分析间距比(Kd)与来流角度(α)两个关键参数对流体力系数及流场特性的影响,揭示其流动机理。计算结果表明:不同流场下尾流模式分为单漩涡、单漩涡体向双漩涡过渡、不规则的双漩涡、规则的双漩涡、双漩涡向三漩涡过渡、不规则的三漩涡和规则的三漩涡模式,在α=30°时流场下游涡街更加规则,尾流模式转变更快。三圆柱所受的时均流体力系数受间隙流流速影响较大,各来流角度下随间距比(除小间距比外)的变化趋势基本一致,尾流模式转变会导致三圆柱群的流体力系数均方根值发生显著变化,在Kd≥3.5后上游圆柱流体力系数均方根值有较大起伏。除α=0°工况外,在Kd≥2.5后中游圆柱的涡脱落频率受α和Kd影响较小,数值相对稳定。

基于改进QSGS-LBM法的各向异性重构土体的渗流模拟

为解决传统四参数随机生长(quartet structure generation set, QSGS)方法重构模型与真实土体情况不符的缺陷,提出一种改进的QSGS方法,在综合考虑各向异性、孔隙率、土体颗粒大小情况下构建各向异性多孔介质模型.采用两点自相关函数法验证模型的有效性,并结合格子玻尔兹曼方法自编Matlab程序来模拟细观渗流过程.实验发现,各向同性模型和土体CT切片的两点相关系数最大差值是各向异性模型的2.5倍以上,且流体粒子在孔道中线处的渗流速度最大,达到0.03,在孔壁处渗流速度接近于0.结果表明,各向异性模型在孔隙结构和空间分布上更接近真实土体情况,流体在渗流后期出现大孔隙优先流现象和指进现象.

高速平板边界层中定常条带的前缘感受性

来流湍流度较高时,自由流涡波可在边界层内激发流向条带结构,并引起边界层的旁路(bypass)转捩。本文采用调和线性化Navier-Stokes方程(harmonic linearized Navier-Stokes,HLNS)方法模拟平板边界层条带对自由流涡波的前缘感受性,并通过直接数值模拟验证了HLNS方法的可靠性。针对马赫数4.8的高速平板边界层,分析了零频涡波激发定常条带的前缘感受性过程及定常条带的演化规律。研究结果表明,边界层外的自由流涡扰动对边界层条带的发展存在持续的激励作用;对于固定展向波数的自由流涡波,法向波数为0时激发的条带幅值最大;自由流涡波的法向波数在小于临界角度时仅影响条带的幅值,而不影响条带扰动的形函数剖面。随着当地雷诺数的增加,条带的幅值演化和形函数剖面呈现出很好的相似性;当地无量纲展向波数β=0.18时,归一化幅值最大。

流体黏性对盐指型双扩散对流扩散通量影响的试验研究

为研究盐指型双扩散对流过程中流体黏性对通量的影响,使用中间有移动挡板的试验水箱形成初始为静止状态的糖-盐双层系统,并通过调整糖、盐组分质量分数设计了一系列密度稳定比相同而流体黏性不同的试验工况,进行了双扩散对流扩散通量变化规律的试验研究。试验结果表明:流体黏性对盐指型双扩散对流扩散通量的影响不可忽略,在双扩散对流强度相同的条件下,试验流体黏性越大,盐指型双扩散对流扩散通量越小;当试验流体的运动黏滞系数均小于1.15 mm2/s时,糖和盐这两种组分跨界面的双扩散对流扩散通量随流体黏性增大而减小的趋势相近,当两种组分的质量分数持续增大时,盐溶液的黏性仍缓慢增大,而糖溶液的黏性迅速变大,此时糖组分的跨界面双扩散对流扩散通量仍会随糖溶液黏性的增大而减小,但盐组分的跨界面双扩散对流扩散通量不再变化;Stern数与流体黏性呈负相关关系。

多孔介质壁面湍流边界层的研究进展

多孔介质壁面的可渗透性加强了界面附近的动量和能量输运,增加了多孔介质壁面湍流边界层中流动的复杂性.多孔介质壁面直接影响着湍流边界层中的湍流结构时空演化及各种物理量的生成机制和输运特性.本工作总结了多孔介质壁面湍流边界层统计特性和湍流结构特性的最新研究进展.首先,概述了多孔介质基底特性对边界层湍流特性的影响,包括对平均统计量、壁面摩擦因数和湍流结构的研究,指出多孔壁面湍流边界层的结构特性与开尔文-亥姆霍兹(Kelvin-Helmholtz,KH)不稳定性密切相关;其次,总结了多孔介质边界层中大尺度湍流结构对近壁区小尺度湍流结构的调制作用;最后,给出了该领域的未来研究方向.

含孔板微通道内随流气泡运动的两相格子Boltzmann模拟

带有气泡的两相流系统存在于各种工业过程中,涉及复杂的相界面变化,但气泡在管道中伴随液相流动时,通过孔板的运动过程尚未有充分的研究结果.相场格子Boltzmann模型在模拟复杂界面方面具有优势,适合研究气泡两相流在含孔板微通道内的运动,分析We数、气泡相对大小和孔板表面润湿性等因素对气泡动力学特性的影响.数值计算结果显示,随着We数增加,气泡表面张力减小,导致其穿过孔板结构时更易被撕裂,峰值速度降低.在研究的参数范围内存在两个临界直径比,这两个临界值将气泡通过孔板的运动分成三种形态,而且临界直径比会随We数的增加而减小.另外,随着接触角的增大,孔板表面对气体的吸附能力加强,气泡与孔板表面的接触面积增加,引起穿过孔板气泡的质量减少和气泡通过的速度增加.

剪切增稠液胶囊增强硅橡胶复合材料抗冲击性能的数值模拟研究

冲击会对实战条件下武器的安全性和可靠性带来影响,因此必须使用抗冲击材料来提高武器系统的安全性。随着武器装备的高速发展,传统的聚合物抗冲击材料已逐渐不能满足要求,因此需要开发兼顾高效、轻质、智能、多次防护、多功能的抗冲击防护材料。将剪切增稠液(STF)胶囊分散在硅橡胶中制备了新型抗冲击复合材料,应用LS-DYNA程序ALE算法对落锤冲击STF/硅橡胶复合材料的过程进行了动力学建模,通过数值模拟研究了复合材料的抗冲击性能,并讨论了冲击速度、STF液滴分布结构以及吸能液体对复合材料抗冲击性能的影响。

湍流边界层均匀动量区统计分形特性的PIV实验研究

均匀动量区(UMZs)作为动量相近的局部区域成为新的湍流拟序结构成员,研究其统计特性与变化规律、分析其成因和研究其与其他湍流结构的内在关联,是深入认识壁湍流的重要途径.通过粒子图像测速系统(PIV)测量得到了具有高时空分辨率的湍流边界层流法向流场,对UMZs分区和界面位置等进行了统计,并基于瞬态流场分析了UMZs分界线与发卡涡(包)为主的湍流结构的位置关联,结果发现:UMZs流向速度概率密度函数(PDF)和界面厚度的统计分析呈现普适的分形特性,且不受湍流/非湍流界面(TNTI)和雷诺数的影响;瞬态流场UMZs数目在湍流间歇区较大,而湍流结构发展充分、层次丰富时的瞬态流场UMZs数目却较少;壁湍流涡包结构内多个发卡涡的空间分布规律决定了UMZs的统计分形特征;在近壁UMZs分界线向湍流结构存在区域集中靠拢,在外区UMZs分界线穿越展向涡核,正向涡旋导致UMZs分界线在法向上的聚集,反向涡旋引起UMZs分界线在流向上产生分离.

串列三圆柱流固耦合响应的尾流干涉与动态演变特性研究

基于有限体积法应用开源OpenFOAM软件对串列三圆柱的涡激振动响应进行了数值模拟研究,分析了雷诺数Re=150、间距比介于2~6的串列三圆柱在约化速度2~16范围内的流固耦合动态响应特性.研究观察到:当间距比为2时,上游圆柱振动锁定的区域明显变宽,并且在锁定区域内振幅明显高于大间距工况,表明小间距布置时,下游圆柱的存在对上游圆柱振动起增强作用.由于尾流诱导的作用,中间圆柱和下游圆柱振幅的最大值高于上游圆柱.串列三圆柱的尾流干涉模式存在拓展体模式、持续再附着模式、交替再附着模式、拟同脱落模式和同脱落模式5种,并且由于圆柱振动过程中振幅的动态变化,尾流干涉模式出现不稳定切换.在间距比为2,约化速度为7时观察到振动存在“拍”现象,在间距比为6,约化速度为4时观察到多频参与振动的大周期现象,两种现象发生时都会引起柱体升力和振幅的波动.当中间圆柱和下游圆柱的尾流干涉处于拟同脱落模式时,尾迹中的双排涡合并形成二次涡街,而双排涡的融合发生在同侧相邻的两个旋涡或3个旋涡之间,与圆柱的间距比相关.

亚临界雷诺数下串列双波浪锥柱绕流数值模拟

针对风力俘能结构布局问题,基于大涡模拟(LES)方法,在亚临界雷诺数下(Re=3900)研究有限长串列双波浪锥柱的升阻力特性及其流动结构随间距比的变化规律。结果表明:由于上游波浪锥柱的影响,下游波浪锥柱的脉动升力系数大幅增大,当间距比为3时,表面时均压力系数分布形式呈反向分布;随间距比增加,上游波浪锥柱尾流充分发展,并产生大量肋状涡撞击在下游波浪锥柱表面,下游波浪锥柱产生大的脉动升力,相较于单直圆柱提升约15.3倍,阻力系数降低约0.172。所得结果可为风力俘能结构布局提供有益参考。