Modeling for Collapsing Cavitation Bubble near Rough Solid Wall by Mulit-Relaxation-Time Pseudopotential Lattice Boltzmann Model

Cavitation bubble collapse near rough solid wall is modeled by the multi-relaxation-time (MRT) pseudopotential lattice Boltzmann (LB) model. The modified forcing scheme, which can achieve LB model’s thermodynamic consistency by tuning a parameter related with the particle interaction range, is adopted to achieve desired stability and density ratio. The bubble collapse near rough solid wall was simulated by the improved MRT pseudopotential LB model. The mechanism of bubble collapse is studied by investigating the bubble profiles, pressure field and velocity field evolution. The eroding effects of collapsing bubble are analyzed in details. It is found that the process and the effect of the interaction between bubble collapse and rough solid wall are affected seriously by the geometry of solid boundary. At the same time, it demonstrates that the MRT pseudopotential LB model is a potential tool for the investigation of the interaction mechanism between the collapsing bubble and complex geometry boundary.

非球形颗粒碰撞壁面反弹特性的试验及模型

气固分离过程中,颗粒碰撞壁面的反弹行为对颗粒运动及装置的分离效率将产生重要影响。已有研究多针对球形颗粒的碰撞行为,然而实际工业过程中,煤粉、生物质、矿石等颗粒均为非球形颗粒,该类颗粒与壁面碰撞后的反弹行为与球形颗粒存在显著差异。为深入掌握非球形颗粒碰撞壁面的反弹行为,搭建了颗粒壁面碰撞试验装置,采用高速摄像及图像处理方法获得典型非球形颗粒碰撞壁面的基础数据,分析颗粒材质、球形度、壁面粗糙度、撞击角度、撞击速度等关键参数对颗粒-壁面反弹行为的影响。基于颗粒壁面碰撞四参数模型和神经网络模型分别预测了非球形颗粒与壁面的反弹行为的统计和随机分布特性。结果表明各类非球形颗粒与粗糙壁面碰撞的反弹行为存在一致性,说明球形度低于一定数值后,将成为颗粒壁面碰撞反弹行为的主导因素。四参数模型能很好地预测碰撞结果及随机分布特征,而基于试验数据训练的神经网络模型可达到更好的预测效果。

胶合木框架-剪力墙结构抗侧力性能有限元分析

胶合木框架-剪力墙结构是一种在胶合木框架中内嵌轻型木剪力墙的结构形式,这种结构形式既改善了胶合木框架结构的抗侧力性能,又突破了轻型木结构在结构形式上的局限性,可以广泛地运用于居民住宅以及大型的场馆、会所等。采用通用有限元分析软件ABAQUS对胶合木框架以及胶合木框架-剪力墙结构体系进行了三维实体建模分析,精细化地模拟了结构中的螺栓连接以及钉连接,模拟得出骨架曲线在弹性阶段与试验值吻合得较好。

入口结构对三维凹壁面切向射流作用下离散颗粒行为的影响

液固分离是煤化工污水处理中的常规操作单元,待处理物料贴着圆筒体内壁面切向进入分离设备,形成三维凹壁面切向射流。为了比较射流入口结构对离散颗粒产生的影响,利用液固分离实验和离散相模型模拟研究了颗粒的轨迹和Reynolds数,并对加入颗粒前后凹壁面切向射流的湍动特性和壁面剪应力分布进行分析。研究结果表明,半圆形、方形、圆形入口与设备内壁面贴合长度依次缩短,颗粒沿径向分布范围依次加宽,流向行程依次缩短。而颗粒停留时间按照圆形、半圆形、方形依次缩短。其原因在于,半圆形入口切向最大速度比方形提高16.0%,圆形降低15.3%。近壁面一倍射流高度范围内的离心力平均值,半圆形入口比方形提高59.9%,圆形降低43.5%。三种入口结构下97%的颗粒Reynolds数在40~400范围内,Reynolds数为80的颗粒数量最多。颗粒受凹壁面切向射流的影响,入口周向10°~35°范围内,离散颗粒与壁面形成第一次冲击,最大壁面剪应力值出现持平趋势,超过90°以后,颗粒沿壁面滚动下滑,壁面剪应力逐渐趋于0。经过计算,方形、半圆形、圆形三种入口结构加入离散颗粒后湍动强度分别提高27.1%、8.8%、62.7%,壁面剪应力分别提高23.7%、13.5%、15.2%。

软性磨粒流加工方法及近壁区域特性

为了解决模具细微结构化表面难以光整加工的问题,提出固-液两相软性磨粒流(SAF)无工具精密加工方法.通过为结构化表面配以约束模块,以构建磨粒流湍流流道,利用软性磨粒流与被加工表面的"无缝"接触特性及壁面效应,实现模具表面的无工具无死角光整加工.以Nikuradse实验方法为理论依据,分析软性磨粒流中固体相在近壁区的运动学和力学特性,得到适用于软性磨粒流加工的摩擦系数公式.采用标准k-ε模型和欧拉多相流模型对软性磨粒流进行数学描述;利用压力耦合方程的半隐相容(SIMPLEC)算法,对不同入口速度时流道内的固体相压力分布进行数值分析研究.数值模拟结果表明,软性磨粒流固体相的压力衰减程度与入口速度成反比,并且固体相在流道内的运动轨迹呈无序状态.利用动态分析三维显示系统对流道内的颗粒运动轨迹进行实验研究.结果显示,固体颗粒运动轨迹呈无序漩涡状,符合湍流形态的运动规律.搭建软性磨粒流加工平台并进行加工实验.实验结果表明,采用软性磨粒流的加工方法能够使工件表面粗糙度达到61.8nm.

烟气横掠螺旋槽管束磨损特性的数值模拟

为探究烟气中固体颗粒对螺旋槽管束的磨损行为,应用离散相模型对烟气横掠顺列螺旋槽管束进行气固两相流动的数值模拟,并通过用户自定义函数引入新的磨损计算模型.分析了飞灰颗粒对光管和螺旋槽管磨损的差异以及烟气流速、粒径、横向/纵向管距和螺距、槽深等因素对螺旋槽管磨损的影响.结果表明:相同工况下,螺旋槽管管束磨损率比光管管束小10%左右;磨损率随烟气流速、颗粒直径、纵向管距的增大而增大;小粒径颗粒(dp=25μm)最大磨损位置发生在圆心角30°左右,较大粒径颗粒最大磨损位置发生在圆心角40°左右;磨损率随横向管距、螺距、槽深的增大而减小;槽深对螺旋槽管磨损率的影响远低于螺距的影响.

速成墙板的宏观计算模型

为掌握混凝土灌芯纤维石膏板(速成墙板)的受力特性,结合该墙板材料的具体特性,在已有的微观及宏观计算模型的基础上,基于纤维模型概念,建立了用于研究速成墙板等组合墙体的非线性分析的宏观纤维计算模型,即每个墙体单元由宏观纤维子单元和宏观剪切子单元组成,分别抵抗轴力和弯矩及剪力。推导了模型的单元刚度矩阵和各杆件的刚度。运用计算模型对4块满灌混凝土石膏板进行了推覆分析,并与试验结果进行了比较,表明该模型具有较好的精度,且计算简单。

基于热-流-固耦合方法火焰筒壁温三维数值模拟

准确地确定火焰筒壁温分布是对其进行热结构分析的前提和基础.基于ANSYS/CFX程序平台,采用基于燃烧模型的热-流-固耦合有限元方法,对某环形回流燃烧室的整个流场、温度场进行数值模拟,得出火焰筒壁温三维温度场分布.计算中考虑了燃烧热源和热辐射,燃烧和流场变化对换热的影响,以及燃气、煤油和固体物性参数随温度的变化.数值模拟结果表明,将流场和固壁进行耦合求解,能更精确反映流场和温度场的整个形态,可以模拟出较为合理的流场和温度场分布以及相应的流动换热特性.所做工作对火焰筒结构设计具有重要的工程应用价值.

大型复杂薄壁壳体第一道次旋压成形质量分析

为优化大型复杂薄壁壳体第一道次旋压的工艺参数,基于ABAQUS平台建立了大型锥形件实体单元仿真模型,二次开发实现了实体单元的壁厚和贴模度输出功能,分析了坯料直径及成形区与成形外端相互作用对大型锥形件强旋成形的影响.同时采用正交试验设计安排模拟方案,研究了工艺参数对大型锥形件强旋成形质量的影响规律,得出了较优的工艺参数组合.结果表明:旋压间隙是最重要的影响因素,零偏离附近的成形质量最好;稍大的旋轮圆角半径有利于降低大型锥形件强旋过程中出现局部失稳和拉裂的可能性;稍大的旋轮进给比有利于改善大型锥形件的壁厚均匀性和贴模性、减小壁厚偏差和出现局部失稳的可能性.

黏性土填土蠕变对土工合成材料加筋土挡土墙响应的影响

对黏性土填土的加筋土挡土墙进行了蠕变有限元分析,研究了填土蠕变大小对墙体的影响,探讨了填土与筋材蠕变的相互作用机理。研究结果表明:当填土蠕变率大于筋材蠕变率时,筋材在墙体建成后拉力将会持续增大,并不表现应力松弛;随着填土蠕变率增大,墙体水平位移及筋材应变和拉力会随之增大,并且蠕变时间越长,这种增大效应越明显;目前实际设计方法中对填土蠕变影响的考虑不足,是偏于不安全的。

薄壁圆筒冲击屈曲吸能行为的实验与数值模拟研究

本文利用结构冲击实验平台,研究了薄壁圆筒结构低速大能量冲击下的屈曲吸能行为。实验结果表明:局部应变率对屈曲压溃力历程有较大影响;同时,材料应变强化效应导致了平均压溃力的实验值高于理论值。利用LS-DYNA软件对薄壁圆筒冲击吸能过程进行了数值模拟,采用Johnson-Cook方程、弹塑性(Cowper-Symonds方程)二种考虑应变率和应变强化的本构模型,比较了本构模型及边界条件对屈曲行为的影响可知,在合适的边界条件下,Johnson-Cook模型能更好地反映薄壁圆筒的冲击屈曲行为。

基于环境流体动力学模型的蠡湖补水方案数值模拟

为提高蠡湖水体透明度,无锡市拟将太湖水处理后对蠡湖进行生态补水。利用环境流体动力学(EFDC)模型,通过建立悬浮物浓度和透明度的关系,模拟不同补水工况下蠡湖悬浮物浓度随时间变化规律,预测生态补水对蠡湖透明度的改善效果。分别对不同进水流量(7.5、15.0、22.5 m^(3)/s)、出水点(梅梁湖泵站与曹王泾泵站)流量分配比例(1.0∶1.0、1.5∶1.0、2.0∶1.0)下的补水效果进行了模拟。结果表明,在同一进水流量下,分配比例为1.5∶1.0时效果最佳,此时全湖悬浮物平均浓度下降较快,在此分配比例下若达到相同透明度0.71 m,进水流量7.5、15.0、22.5 m^(3)/s工况下分别需要补水27、13、9 d;如果在蠡湖A区(退渔还湖区)建设挡水墙,可以大幅提升补水效果,缩短补水时长,平均透明度可提高至1 m左右,研究结果为确定补水工程建设规模和运行方式提供了依据。

侧向力作用下轻型木结构摩擦状态的实验研究

剪力墙是轻型木结构中最重要的抵抗地震水平分力与风压等侧向作用的竖向抗侧力体系,其所承受的侧向力通过连接件和构件间的摩擦传递到基础上,因此剪力墙与基础间的摩擦关系直接影响到木结构建筑的设计计算、施工方式与结构可靠性。文中就木结构剪力墙(加拿大产SPF商品材制地梁)与基础面板(针叶材胶合板)间在侧向力作用下的摩擦状态进行了实体模型研究,发现两者间的摩擦因数在0.2～0.35范围内变动,讨论了产生这种结果的可能原因。此研究对轻型木结构设计与施工具有积极的指导意义。

近复杂几何固壁空泡溃灭的伪势格子Boltzmann建模

格子Boltzmann方法伪势多相模型具有高效性和复杂几何边界实施的简易性。该文采用改进作用力的伪势多相模型,通过优化参数实现最大程度的热力学一致性,进而提高模型的密度比和稳定性。分别从伪速度、网格不变性、Young-Laplace验证等方面研究了改进模型的性能。通过改进的模型模拟了复杂几何固壁附近空泡溃灭过程。分析了空化泡溃灭阶段的密度场、压力场和速度场演化过程,以及复杂几何固壁附近的空泡动力学特性。结果表明伪势格子Boltzmann方法在探索空泡溃灭和复杂几何固壁间的相互作用规律研究中是一种有效的工具。

固壁加热的分子动力学模拟研究

本文应用分子动力学模拟方法,讨论了NVE系综中不同初始晶格类型对模拟系统平衡温度和截断半径对模拟系统平衡总能的影响。建立了一种新的固壁加热模型,模拟研究了由铂组成的固壁对流体氩快速加热过程。在本文的模拟条件下,由于固壁与液体之间的快速加热作用,固壁与液体之间产生的蒸汽推动液体向上移动,可以明显地观察到Leidenfrost现象的产生。

耗散粒子动力学中固壁模型对纳米颗粒吸附模拟的影响

耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)方法是模拟介观流动的有力工具.模拟中常用的FCC(face centered cubic)固壁模型会在壁面附近产生虚假的流体密度波动.作为纳米颗粒吸附问题的关键区域,这个现象不可忽略.采用随机壁面模型模拟纳米颗粒吸附问题,并就壁面附近液体密度分布和纳米颗粒吸附的模拟与传统的FCC壁面模型进行了比较.

实体膨胀管大塑性变形有限元分析

应用有限元ABAQUS软件建立了膨胀管膨胀模型,分析膨胀过程中膨胀率、膨胀锥系统推力、膨胀长度及壁管厚变化的相对关系。分析结果表明:建立的模型可以预测膨胀管膨胀过程的推力大小、膨胀管长度以及厚度变化;当膨胀率分别为16%、20%、24%时,膨胀后厚度变化分别为6.67%、10.30%、13.16%,长度缩短分别约为4.4%、5.7%、6.2%,膨胀过程所需要的推力分别为940、1 092、1 213kN。

基于火炮膛内气固两相流的热散失模型数值仿真

火炮发射过程中的热散失会影响内弹道性能。在数值仿真时由于直接计算热散失较为困难,通常采用对火药力或者燃气的绝热指数进行修正的方法,但该方法无法准确预测内弹道的性能。为此该文提出了一种基于气固两相流模型的热散失计算方法,从高温燃气与身管内壁的热交换出发,建立热散失模型,并将热散失模型与火炮膛内气固两相流模型耦合,热散失量将在气相能量守恒方程中的源项中考虑。以某155 mm火炮为研究对象,采用MacCormack差分格式求解修正后的气固两相流模型,获得膛内流场变化情况。求解得到的流场参量作为热散失模型和身管传热模型的输入参数,计算出内弹道过程中总热散失量以及身管径向温度分布规律。对给出的2种测试工况进行仿真计算,计算结果与实验结果的比较表明,考虑热散失时各指标误差明显减小,最大压力误差小于1.0%,初速误差小于0.5%。总热散失占火药燃烧后产生总能量的2%~4%。证明了该方法的可行性和优越性,有助于提高内弹道仿真的精度。

高产天然气井放喷管汇弯管冲蚀磨损特性研究

目的研究高产天然气井气固两相流对放喷管汇的冲蚀机理及规律。方法利用CFD软件对放喷管汇冲蚀进行研究,使用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程求其气相的运动状态,并用离散相模型(DPM)计算出颗粒运动轨迹。然后使用Oka冲蚀磨损模型开展弯管角度、弯管位置、放喷量等5种因素与壁面冲蚀规律研究,最后使用最大冲蚀速率、壁面质量损失以及管汇刺漏时间等3种指标评价管汇的冲蚀特性。结果在控制单因素变量的前提下,随着含砂率从1%增长到5%时,弯管最大冲蚀速率增加了约4倍;随着放喷量从3.0×10^(5)m^(3)/d增加到5.1×10^(6)m^(3)/d时,最大值出现在1.0×10^(6)m^(3)/d附近,弯管最大冲蚀速率相比3.0×10^(5)m^(3)/d增加了3.7倍;当弯管角度从90°增加到165°时,最大冲蚀速率下降了85%,但120°弯管最大冲蚀速率最大;随着弯管距出口距离从5 m增加到30 m时,最大冲蚀速率下降了86%;当颗粒形状系数从0.67增加到1时,最大冲蚀速率增大了5倍。结论含砂率与最大冲蚀速率相关度最大,弯管位置与最大冲蚀速率的相关度最小。最大冲蚀速率随含砂率、颗粒形状系数的增加而增大,随弯管角度和距出口直管段长度的增加而减小,但120°弯管冲蚀最严重。随放喷量的增加,弯管最大冲蚀速率呈现出先增大、后减小、最后趋于平稳的规律。

循环水槽动力段壁面振动的影响因素分析

在已知循环水槽动力段壁面振动主要是径向振动的情况下,为了研究影响其振动规律的影响因素,本文建立了叶轮旋转状态时的循环水槽动力段流场与壁面相互作用的数值计算模型。用滑移网格实现叶轮的旋转运动,并分别用剪切应传输(shear-stress transport,SST)模型和有限固体模型进行流场区域叶轮水动力和固体区域应力的计算,同时考虑流体区域和固体区域的变形,分别求解流体和固体控制方程,通过流体-固体交界面传递计算数据实现双向流固耦合计算。结果表明:增加叶轮叶数可以显著地降低壁面的振动,且壁面区域的固有频率对振动的影响很小,叶频对对壁面振动大小起决定性作用。