非光滑结构对水下航行器压差阻力的影响

覆盖非光滑表面是降低水下航行器阻力最直接、最有效的办法,本文对水下航行器的压差阻力进行了研究,将吸附性非光滑结构和导流性非光滑结构分别安装在航行器的流固分离处,采用流体动力学仿真的方法研究两类非光滑结构对流体尾部流场的影响,研究表明,在航行器流固分离位置覆盖吸附性非光滑结构能够延迟流固分离,有效降低航行器压差阻力。

舰船运动对机舰耦合流场的影响研究

机舰耦合流场是一个复杂紊乱的非定常流场,存在着涡–涡干扰现象。在真实海况下,舰船的六自由度摇摆运动会进一步恶化飞行甲板上方的流场环境,因此有必要探究舰船的摇摆运动对飞行甲板上方机舰耦合流场的影响。现基于简化护卫舰和双桨旋翼的耦合模型,通过CFD方法对舰船纵摇状态下的机舰耦合流场进行了数值模拟研究,定性分析了耦合流场结构的发展变化,同时对旋翼拉力进行了定量分析。随着舰船的纵摇运动,摆动的机库尾涡会和桨尖涡混合在一起,垂向气流也在不断变化,旋翼拉力、压强和速度都出现了近似周期性的变化,和纵摇运动的周期一致。相比于舰船的静止状态,当甲板上扬至水平位置附近时,旋翼拉力最大,增加约14%,当甲板下沉至水平位置附近时,旋翼拉力最小,减少约12%,因此直升机要具有足够的操纵量,及时改变总距以保证直升机在该状况下的安全性。

微型潜血泵轴流式叶轮结构分析

目的:分析在长度小于20 mm,直径5 mm的高速微型潜血式轴流血泵内,不同形态叶轮对泵血液的损伤情况,找到最优叶轮结构。方法:运用计算流体力学(CFD)对一款微型潜血式轴流泵进行数值仿真,改变叶轮叶片数量(两片,三片,四片),分析血泵内的流场分布。通过研究其速度、压力和剪切应力场分布情况来分析血泵的水力性能以及对流道内血液的损伤情况。结果:数据结果显示,三种叶片NIH值分别为0.07,0.05,和0.08。结论:实验表明,三叶片式叶轮条件下,剪切应力小,NIH小,比较分析,三叶片式叶轮更适用于高速微型潜血式轴流血泵的叶轮设计方案。

基于OpenFOAM的高温熔融锡液水力碎化数值模拟研究

为揭示高温熔融锡液与水相互作用过程中的碎化机理,基于开源软件包OpenFOAM®-v1806下的求解器icoReactingMultiphaseInterFoam模拟熔融锡液入水后的水力碎化过程,分析瑞利–泰勒不稳定性、开尔文–亥姆霍兹不稳定性及界面剪切力对熔融锡液柱碎化过程作用过程,探究水力碎化对液柱直径及液柱入水初速度对碎化剧烈程度的影响。研究表明液柱碎化剧烈程度、液柱单位时间内入水深度与液柱直径成反比,液柱入水后碎化剧烈程度、锡凝固速度与液柱入水时初速度成正比。

基于声振耦合的球阀振动噪声数值分析

针对蒸汽球阀在工程实践中的噪声问题,本文采用声固耦合的数值模拟方法,研究了球阀的结构模态特性以及阀体管道的辐射振动噪声响应问题。研究结果表明:阀后管道内产生的流场最为紊乱,同时该处高速射流对阀体管道的冲击作用最剧烈,从而诱发出更高的振动噪声。阀体管路的前两阶振型为前后管段沿着管道的纵向发生的扭动,第3、4阶振型则为前后管段沿着管道的横向发生的扭动及阀体法兰部件的略微振动。阀体管道的振动加速度在轴向上,主要是出口法兰上的声压级值更大,在纵向上,则是进口法兰的声压级值更大。此外,球阀的开度对于阀门声压频谱特性的影响较小,主要体现在峰值上的变化,其最大声压级值为80%开度时3000 Hz下的76.5 dB。

旋转弹丸马格努斯力矩计算

出于提高飞行稳定性的目的,弹丸在飞行过程中通常采用绕体轴旋转的飞行方式。精确计算由于旋转产生的马格努斯力和力矩,对旋转弹箭设计、弹道计算和稳定性研究都至关重要。本文的主要目的是比较RANS湍流模型和DDES湍流模型在旋转弹箭马格努斯力矩计算上的适用性。数值模拟了高速旋转的 M910弹丸,计算结果表明:对于马格努斯力矩,在亚声速和跨声速范围内RANS方法计算的结果与试验有很大的差异,DDES混和法与试验吻合较好,规律性较DES方法更好。RANS方法和DDES混合方法的主要差异在于尾迹流动,RANS方法得到的是定常尾迹,而DDES混合方法得到是非定常尾迹。

上翘收缩型模型后体绕流特征与阻力相关性分析

运输机类模型后体通常具有上翘、收缩的外形特点,这种后体与传统平直型后体绕流之间存在显著差异,而目前国内对上翘收缩型后体绕流的研究主要集中于优化减阻方面,对该类后体流动特性、尾腔压力分布以及支架干扰影响认识较少,给风洞试验方案设计、模型阻力特性分析带来较大的困难。本文采用数值模拟与试验测试相结合的方法,研究上翘收缩型后体模型绕流特点,分析支架机构对模型尾腔压力的远场干扰影响,并基于数值计算结果分析了上翘角和收缩比对运输机后体绕流特性的影响,提出了一种基于后体底部压力的阻力相关性分析方法。

离心喷嘴设计和结构参数对喷嘴性能的影响研究

为明确喷嘴的设计方法和喷嘴结构对喷嘴性能的影响规律,本文对喷嘴的设计方法进行了梳理验证并研究了旋流半径比、旋流室倾角和喷孔长径比对喷嘴性能的影响规律:旋流半径比增大会使雾化角减小、流量增大;旋流室倾角增大会使雾化角增大、流量减小;喷孔长径比增大会使雾化角减小,对流量影响不大;喷孔长径比对雾化角影响最大,旋流室倾角对流量影响最大。

关于非线性水声波的近似色散关系分析

目前在非线性水声波的研究中,为了简化计算通常假设色散关系是线性的。然而线性色散关系式对大振幅波是不恰当的。为此,本文研究了弹性板覆盖下的有限深可压单层流体中非线性水声波的色散关系。假设流体是无粘、可压缩的,且流动是无旋的。我们构建了控制方程和表示水动力、弹性力和惯性力之间关系的边界条件,并得到水声波的一种近似非线性色散关系,对水声波模态的特性进行分析,讨论了弹性板厚度等重要物理因素对波动传播特性的影响。该研究为极地海洋资源探测、水下目标探测、海底地震和海啸预警等工程实际问题提供了理论参考。

高层建筑裙房屋面区域行人风环境研究

为了研究高层建筑裙房屋面区域的行人风环境,进行了一系列风洞试验和数值模拟研究,分析了不同建筑尺寸参数下的裙房屋面行人风速分布特性。结果表明,空气流经塔楼后,在塔楼两侧角部发生分离、绕流,使塔楼两侧的裙房屋面区域出现较大风速,且当来流风向与建筑立面呈45度夹角时风速最大。裙房屋面的最大风速和加速区面积随着裙房宽度的增大而增大,随女儿墙高度的增大而减小。基于以上分析结果,提出了计算裙房屋面最大风速的经验公式,可为行人风环境评估提供参考。

高层建筑外廊行人风环境研究

为了研究高层建筑塔楼外廊区域的行人风环境,进行了一系列的数值模拟研究。研究结果表明,当来流风向与建筑面垂直时,外廊行人区域整体风速偏小,随着来流风向与建筑立面夹角的增大,塔楼外廊行人高度处风速逐渐增大,最大风速通常出现在外廊的拐角区域。随着外廊宽度增加,行人高度处的风速有所增大,随着外廊围栏高度的增加,外廊行人高度处的风速逐渐减小。最终考虑不同建筑尺寸,提出了塔楼外廊最大风速加速比的经验公式,可为高层建筑外廊的行人风环境评估提供参考。

旋风分离器高温除尘性能的数值研究

基于RNGk-ε湍流模型和dpm离散相模型对旋风分离器的高温除尘分离性能开展数值研究,探究了旋风分离器的入口速度、温度、密度以及壳体热边界条件对固体颗粒分离效率的影响。结果表明,当入口流速不变时,温度在900 K时较600 K分离效率下降8.62%;当温度不变时,入口流速为25 m/s时较5 m/s分离效率上升了15.28%;当入口条件不变时,2800 kg/m3的石膏较600 kg/m3的新型灰提高了23.34%;在壳体非绝热条件下温度沿径向由内向外升高,分离效率在壳体非绝热条件下比壳体绝热条件下高13.15%,但在温度超过800 K后这种差异将提高到27.02%。

关于动静液滴聚结诱导跳跃的数值模拟

为了探究初始速度和液滴之间约束点对运动液滴和静态液滴聚结引起的液滴跳跃的影响,我们采用单向有限元模型进行了模拟,并结合实验验证了仿真结果。结果表明:移动液滴的初始速度加速了跳跃过程中液滴变形,随着移动液滴的初速度增加,弹跳速度减小;随着约束点高度增加,弹跳速度增加。聚结液滴总动能的主要来源从释放的表面能转变为运动液滴的初始动能,但弹跳动能占总动能的比例减小。此外,移动液滴的初始速度加剧了液滴变形,加速了聚结诱导跳跃的过程,但是抑制了跳跃高度,而约束点促进了液滴的弹跳。这项工作将为液滴跳跃行为带来新的见解,并促进其在相关领域的应用。

对流扩散特征值问题的hp-局部不连续伽辽金方法

对流扩散方程是偏微分方程一个很重要的分支并且在许多领域都有广泛的应用,对流扩散方程特征值问题的数值方法的研究有重要的实际应用,所以这也是前计算数学界的热点,本文研究了对流扩散特征值问题的hp- 局部不连续断伽辽金方法(LDG),通过分析得到了先验误差估计,即关于网格尺寸h 是最优以及关于p 是次优的hp- 误差估计,并且进行了相应的数值实验。

基于数值微分的物理信息神经网络方法在非矩形区域上的应用

物理信息神经网络(PINN)是一种新兴的数据驱动的偏微分方程数值求解框架。该类方法不需要进行网格划分,从而避免多余的计算消耗,这使得其对高维问题有更好的拓展性。但传统神经网络技术基于自动微分实现,依赖于大量的训练配点,容易引起梯度爆炸或梯度消失现象,且不能在非矩形区域上直接进行求解。文章简要阐述了基于数值微分的物理信息神经网络的基本原理,使用数值微分替代自动微分以避免使用大量的训练配点,避免梯度爆炸或梯度消失发生。同时,利用区域分解思想对非矩形区域进行划分,使划分后的子区域可以使用PINN直接求解,最终用一个算例验证了该方法的可行性。结果表明,基于数值微分的物理信息神经网络可以求解非矩形区域上的问题。

计算流体力学在搅拌摩擦焊的应用研究

本文基于计算流体力学理论,建立搅拌摩擦焊过程有限元模型,模拟得到了焊接过程中不同工艺参数下的速度矢量图和材料流线分布图,结果表明,当搅拌头的旋转速度增加时,搅拌头附近区域材料流动更加剧烈,焊接速度的提高对搅拌头及其附近区域材料的流动影响不大。在焊接过程中,增加焊接速度可以增强焊件底部的流动性,但是不能提高焊件表面的流动性。增加搅拌头转速可以明显提高焊件表面的流动性,但是对焊件底部的流动性没有影响。

流体力学数值模拟方法在增强型地热系统的应用分析

增强型地热系统(EGS)作为地热资源重要的开发形式,储量十分丰富,开发利用前景广阔,所以EGS的开发利用引起国际社会和研究领域的广泛关注。本文从孔隙尺度(PSM)、岩心尺度(CSM)到场地尺度(FSM)3种流体力学模拟方法展开分析,阐述了不同数值方法在增强型地热系统的应用现状、技术优势和存在的问题。认为可将PSM方法作为基础模型,3种不同尺度的数值模拟方法有机协同地联系在一起,为基于增强型地热系统的数值模拟方法研究指明了方向。

集液管及其内部导流板对旋喷泵性能的影响

为研究集液管对旋喷泵性能的影响,本文对旋喷泵内部流场进行了数值模拟,获得了整泵流道内的速度、静压强和湍动能分布。本文对比了不同流量工况下的流动参数分布特征,重点讨论了集液管及内部导流板对流动的影响及集液管受到的流体作用力。结果表明:旋喷泵转子腔内的流动参数分布规律性强,在集液管入口处及集液管内流道转弯处存在着较高的静压强梯度;未设置导流板时集液管内流体湍动能较高,但泵性能较设置导流板时高;集液管所受的流体作用力合力随流量增加而下降,其中沿泵轴的作用力分量占主导地位,加装导流板后集液管的受力略下降。

撞击流颗粒包覆过程的流体动力学行为

为了深入研究撞击流过程中,颗粒包覆工艺传递过程的强化机理,建立了气–固两相撞击流中颗粒在流场中的运动模型,对颗粒在流场中的停留时间、渗入距离等参数进行了模拟计算。选取单喷嘴喷射单一颗粒、单喷嘴喷射颗粒群以及双喷嘴喷射颗粒群三种流动情况,在不同的膨胀前压力、膨胀前温度和喷嘴出口间距等操作工艺参数条件下,得出了颗粒在气–固两相撞击流中的停留时间与渗入距离的变化规律。此外,利用粒子图像测速技术测试了流体喷射过程中颗粒运动情况,对气–固两相撞击流场中的速度分布进行了定量描述。

充气硬盘磁头滑块飞行特性影响因素研究

为了减小磁盘高速旋转所承受的气体阻力、降低硬盘内部结构所承受的气流冲击和振动、以及提高硬盘存储密度和工作稳定性,人们正考虑向硬盘内部填充低密度气体。充气硬盘还具有存储容量大、节能、散热性能好等优点。硬盘工作过程中,磁头滑块飞行特性(承载力W、压力中心Xc和Yc)对硬盘工作稳定性有着重要影响。本文研究了充气气体物理特性、表面粗糙度、磁盘转速、飞行高度和俯仰角对硬盘磁头滑块飞行特性的影响,研究结果发现:磁盘转速的增加、飞行高度的降低、俯仰角的减小和氦气在氦气–空气混合气体中的比重(不同气体物理特性)下降,都会导致磁头滑块承载力的增加;磁盘转速的增加、飞行高度的增加、俯仰角的减小,都会导致压力中心Xc的减小;对于不同的磁盘转速、飞行高度、俯仰角、氦气在氦气–空气混合气体中的比重,压力中心Yc都几乎保持不变;粗糙度高度(σ)对承载力、压力中心Xc和Yc的影响,在不同粗糙度方向(γ)时,呈现出不同的影响规律。