CFD软件及源程序辅助工程流体力学课程教学的探索与实践

工程流体力学课程具有较强的理论性,涉及的知识面也较宽广,给该门课程的教与学带来较大的影响。文章针对工程流体力学课程的这些特点,结合多年来的教学实践,将CFD软件和源程序的强大数值模拟功能,引入工程流体力学课程辅助教学中,通过利用CFD软件和源程序进行数值模拟教学这一环节,探讨流体力学课程对接科研成果的教学模式。实践证明,这一模式获得了较好的教学效果。

基于CFD程序的物理热工耦合计算不确定性分析

基于计算流体力学(CFD)程序FLUENT的用户自定义函数(UDF),耦合中子动力学计算模型、燃料棒热传导计算模型、不确定性分析程序SIMLAB,开发了物理热工耦合计算不确定性分析平台CFD/PFS,并开展了小型自然循环铅基快堆SNCLFR-10的无保护超功率(UTOP)事故的不确定性量化,最后对计算结果进行不确定性分析和敏感性分析。研究表明,CFD/PFS平台的物理热工耦合计算具有良好的可靠性、精确性;总反应性峰值、功率峰值等瞬态安全参数的名义值均处于95/95双侧容忍限值内,且名义值与限值相对偏差小于3.95%;燃料多普勒系数是主要不确定性来源,对反应堆安全影响最大。

非道路用柴油机缸体水套CFD分析及优化改进

利用AVL F ire软件对SNH4102Z柴油发动机的缸体水套进行了冷却水的流动分布、压力损失及换热性能的CFD分析,然后在原机的基础上进行了优化改进。结果表明:原机缸体水套存在背水侧冷却强度不足、冷却均匀性差的缺点,不能满足缸套冷却要求。而提出的改进方案明显提高了缸体水套背水侧的冷却强度,改善了缸体冷却的均匀性。

基于CFD的氢气扩散火焰燃烧分析

日本福岛核事故后,氢气风险对于安全壳完整性的挑战成为反应堆安全设计的热点问题。当前的氢气风险分析普遍采用一体化分析程序,对于局部区域氢气扩散火焰的分析存在缺陷和不足。本文依托CFD程序,建立了安全壳内局部隔间的CFD氢气扩散火焰燃烧的分析方法,研究了扩散火焰的燃烧特性,获得了严重事故下的安全壳温度载荷。研究结果表明,安全壳壁面虽然承受较高的温度载荷,但蠕变失效的概率很低。

基于ICEM-CFD的中子学力学耦合程序研制

目的针对反应堆工程分析中面临的中子学力学耦合这一问题,在同一软件框架下实现中子学力学多物理场计算。方法利用商业CAD前处理软件ICEM-CFD对堆芯几何进行网格剖分,开发基于有限元方法的中子学力学耦合计算程序,对同一堆芯网格划分进行中子学和力学计算。结果初步实现了基于同一软件框架下网格层面的中子学力学耦合计算,得到了中子学力学初步耦合的计算结果。结论通过基准例题对程序进行计算校验,该耦合程序计算能力是可信的。

内燃机进气道和缸内三维流场数值模拟

内燃机进气道及缸内气体的流动是一种十分复杂的三维湍流运动，对燃油的喷射、混和气体的形成、燃烧和排放有重要影响。利用数值模拟方法是了解气流运动、发展变化规律及气流与燃烧关系的主要手段之一。采用瞬态咬合法模拟气阀和活塞的运动，采用分块划分网格技术形成计算域的整体网格。微分方程的计算求解基于ＫＩＶＡ－３程序，加入以上子程序，计算针对四冲程柴油机的进气过程进行模拟计算。

矩形窄缝通道流固共轭传热数值分析

优化设计矩形窄缝流道角部非加热区时,需了解该区域固体的温度场及导热机理对换热的影响。本文采用CFD软件CFX对矩形窄缝通道内流固共轭传热进行了数值分析。研究结果表明:角部附近设计1 mm×2 mm非加热区域后,能够有效地避免角部热集中现象,非加热区对流道中间部位温度场的分布影响不大;非加热区域固体设置为导热边界条件时,角部附近加热面上的内壁面热流密度和温度的分布变得不均匀;固体金属材料的热传导使得非加热区域内固体的温度有所升高,有利于提高该区域流体的温度;非加热区域固体设置为绝热边界条件时,等体积热流密度和等壁面热流密度对矩形通道内的换热性能影响不大。

纸浆流动的数值模拟

作者分析了有关宾汉流体的计算及湍流两相流的现状 ,在k ε湍流模型和使用壁面函数法处理近壁区问题的理论基础上 ,通过引入一些合理的假设 ,建立了一个比较有效的处理纸浆纤维悬浮液的数学模型 ,并对其进行了数值模拟 .作者通过对直圆管中纸浆纤维悬浮液两相湍流的模拟 ,证明了流核区的存在 (r/R =0～ 0 .2 ) .由纤维相和液相的速度分布 ,说明了滑移扩散连续介质模型的正确性 ,将不同初始湍流强度进行比较 ,可进一步解释有关“阻力减小”

介绍计算流体力学通用软件——Fluent

计算机软件是计算机知识的一种形式 ,计算流体力学通用软件是它在流体力学方面的一个积累 ,是前人留给后人的宝贵财富 ,我们应该充分利用。Fluent软件是流体力学中通用性较强的一份商品软件 ,它不但可以为工程设计服务 ,亦可为科学研究所用。本文用它分析了同心球壳间 Couette流动 ,算出了稳定的 Taylor涡族以及它们的分叉过程。

反应堆热工水力中CATHARE与TRIO_U程序耦合分析研究

采用区域覆盖的耦合方法对一维系统程序CATHARE与三维计算流体力学(CFD)程序TRIO_U进行耦合分析研究,对文中建立的简易模型进行稳态计算,通过耦合前程序误差、耦合平台误差测试,确认解析解、系统程序计算结果、TRIO_U程序计算以及单个程序均与耦合平台耦合计算结果吻合。分别对3个不同的源项区域(热源、动量源、热交换区域)进行耦合计算,并与CATHARE计算结果进行比较。研究结果表明,耦合方法可以模拟算例中所建立的整个反应堆的简易模型。

基于Cache友好方法的数值计算代码优化

总结利用存储层级结构加速计算流体力学程序的研究现状，通过对现代CPU高速缓存（Cache）的结构分析，研究Cache友好方法对程序运算速度的影响。使用2种基于Cache友好的优化方法对FORTRAN编写的三维多区计算机流铨力学（CFD）计算代码进行优化，给出对三维Lu—SGS的详细优化算法。在3种计算平台上的数值实验结果表明，优化后程序运行时间能减少到优化前的20％～50％。

国家数值风洞(NNW)软件自动化集成与测试平台设计与研发

针对“国家数值风洞”(National Numerical Windtunnel,NNW)工程大型通用“风雷”(Platform for Hybrid engineering simulation of flows,PHengLEI)CFD软件研制的需求,为了提升CFD软件的开发效率,设计与开发了NNW-PHengLEI软件持续集成与测试平台。该平台包含自动化测试、自动化持续集成和代码管理等部分,将现代软件工程中先进的开发模式引入到大型CFD软件开发中来,并结合CFD软件开发的特点,构建了软件开发环境,来促进CFD软件的发展。本文首先介绍了平台的基本框架和总体设计思路,阐述了在PHengLEI软件开发过程中,基于CFD软件开发的特点而设计形成的自动化持续集成方案和更加完善的自动化测试体系,然后给出了自动化测试平台和自动化持续集成在大型CFD软件开发中的应用效果,最后对平台构建的后续工作进行了展望。

入口流量分配对矩形窄缝多通道流动交混的影响

在实际的工程中,矩形窄缝多通道得到广泛的应用,各通道之间的流动交混特性是设计者非常关心的问题之一。采用CFD程序CFX数值模拟了主通道入口流量分配对矩形多通道内流动交混的影响。研究结果表明,入口流量分配对多通道内的流动交混行为影响较大,主通道给定入口平均流量时,各个通道内的流量在轴向上基本不发生变化;主通道入口流量按照一定的比例分配后,流体在轴向交混段存在交混行为,其比例分配偏差越大,主通道的交混越强烈;流体经过全部轴向段的交混后,各个通道内的流量都趋于一致,以前4段的流动交混较为明显。

纸浆纤维悬浮液流动的数值分析

本文分析了有关宾汉流体的计算及湍流两相流的现状 ,选择纸浆纤维悬浮液的研究模型 ,对其数值模拟进行了初探。通过对直圆管中纸浆纤维悬浮液两相湍流的模拟 ,证明了流核区的存在 (r/R =0～ 0 .2 )。纤维相和液相的速度分布说明滑移扩散连续介质模型的正确性 ,将不同初始湍流强度进行比较 ,可进一步解释有关“阻力减小”

热管式辐射器热工水力优化分析

热管式辐射器广泛应用于空间系统废热排放,其管道复杂,包含热管、翅片和包壳等复杂结构。针对热管式辐射器的流动与换热问题,本文采用CFD软件与自主研发程序RATHAL相结合的方法。先用CFD软件计算流动管道及集流环上的流量分配,再将该结果代入RATHAL程序中计算得到辐射器的温度分布。根据计算结果,以均匀温度分布为目的,对现有结构提出了合理的优化意见。结果表明,采用CFD软件与自主研发程序RATHAL相结合的方法能尽量真实并高效地模拟辐射器的流量分配与温度分布情况,且经过优化后辐射器集流环间的温差大幅缩小、设计更加合理。

矩形窄缝流道角部结构对流动和传热的影响

为了深入了解矩形窄缝通道角部结构对流动和传热的影响,文中采用CFD程序CFX10.0对矩形窄缝通道的流场和温度场进行了数值模拟。研究结果表明,采用削薄角部金属固体,并且在发热固体总量基本相同的条件下,直角型和圆角型结构下的内壁面温度分布与原型结构相差不大,可以反映原型结构中的传热特性。在雷诺数相同的条件下,角部圆角型结构和直角型结构下的二次流分布和摩擦压降基本相同,表明了完全可以采用圆角型结构来模拟原型结构。

流体数值实验系统的构建及在教学中的应用

针对流体力学课程概念抽象、流动现象复杂和理论理解困难等特点,利用高性能集群,探讨了基于源程序及商业软件的CFD数值实验系统的构建及在教学中的应用,与传统的物理实验互补。通过利用数值模拟系统进行数值实验这一环节,变枯燥的理论公式计算为生动且可视化的计算机数值模拟,虚拟现实中的典型流动,增强学生的感性认识、理性认识和解决实际问题的能力。实践表明,数值实验系统的构建可提高学生的动手能力、实践创新能力、科研能力。

一种工程实用的两方程转捩模型及模块化实现

介绍一种工程实用的两方程转捩模型及其模块化软件实现方法,目的是在自研结构网格求解器中建立粘性计算时自动预测边界层转捩的能力。具体实现中,通过引入两个由当地变量定义的关于间歇因子和当地转捩动量厚度雷诺数的输送方程,并引入一组通过标定得到的经验关联关系修正公式来模化边界层的转捩过程,采用LU-SGS隐式算法进行模型方程的统一迭代求解。通过一组从低速到高速的经典算例确认计算,结果表明:发展的自由转捩预测程序对转捩位置侦测具有良好的敏感性,对涉及自然转捩、旁路转捩和分离诱导转捩的算例都有较好的适应性;通过引入自由转捩预测机制,能有效提高粘性流动精确模拟能力,提高阻力预测精度。针对跨声速和高超声速问题开展的初步应用研究还表明:尽管采用的转捩模型最初是从低速和二维问题发展得到的,但对高速流动和三维问题也部分适用,有助于提高阻力和热流的预测精度,显示其工程实用性。

基于浸没边界法的流固耦合模拟分析

钠冷快堆(Sodium-cooled Fast Reactor,SFR)作为第四代反应堆系统的重要堆型之一,采用非能动停堆组件保证安全性已成为国内外研究共识。然而,在对非能动停堆组件落棒停堆过程进行模拟时,由于复杂几何、存在孔隙结构以及运动边界等问题的存在,传统计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)程序所使用的结构化网格或非结构化网格生成方法在解决该类问题时存在较大的局限性。本文基于浸没边界法开发了相应的求解程序,该法无需构建复杂的贴体网格,而是采用简单的笛卡尔网格,通过将体积力添加到控制方程中的方式纳入边界条件,适合上述工况的模拟过程。并对程序的准确性进行验证分析,分别模拟了在二维固定圆柱绕流下的稳态流动、不稳定流动,以及二维振荡圆柱不稳定流动,得到涡旋特征参数、阻力系数、升力系数、斯特劳哈尔数,以及涡脱落情况等数值模拟结果,并将其与已有文献数据进行对比,结果显示本求解器具有良好的效率和准确性。