内弹道多维多相流壁面边界条件探讨

文中介绍了内弹道多维多相流壁面边界条件的几种处理方法，根据膛内流动的特点，提出了单侧差分格式处理壁面边界条件的方法。数值实践表明，该方法解决了边界点与内点是的协调关系，是一种较好的方法。

微尺度流动界面现象及其流动边界条件分析

水平微尺度毛管中低Reynolds数流体流动出现许多另人费解的现象,如流动前缘并未出现Poiseu ille速度剖面,而似一种“段塞式”流动,固/液界面看似不符合无滑移边界条件。该文针对这些易引起困惑的问题,利用可视化微管流动实验及岩石孔隙仿真光刻模型流动实验,考察了润湿性对微尺度毛管中流体流动的影响,探讨了微尺度毛管中表面流动现象产生的实质。结果表明,在微尺度流动中观察到的小分子液体“段塞流动现象”,以及看似壁面滑移流动等现象,其实质是液/固壁面仍为无滑移边界,三相接触点以尤如运动的“坦克的链轨”发展方式,沿壁面发展,从而产生“段塞式”流动。虽然仍在低速层流的条件下,但由于界面张力的作用,接近动界面处流动质点的运动已不再保持一维直线运动。

壁面条件对FCC颗粒湍动床气固流动影响的模拟

采用基于颗粒动力学的双流体模型对FCC颗粒湍动床和挡板床内气固流动进行模拟研究,考察颗粒相壁面边界条件对其气固流动的影响。研究结果表明,采用Johnson-Jackson壁面边界条件描述壁面与颗粒的相互作用时,壁面反射系数对气固流动行为影响较大,而颗粒-壁面碰撞恢复系数影响甚微。通过将模拟结果与实验数据对比,确定壁面反射系数取0.001时能较好地描述壁面与颗粒间的作用力。对于挡板床,挡板的加入增大了壁面面积,壁面对颗粒的作用力更加显著,挡板壁面采用部分滑移条件时,穿过导向挡板向上和向下运动的颗粒数量均较大于采用无滑移条件时的结果。挡板壁面的光滑程度对其在床层中的作用有一定影响。

颗粒相壁面条件对非球形颗粒流动影响的数值模拟

采用双流体模型对设置竖直隔板的气固密相流化床中非球形颗粒的运动进行了模拟,颗粒形状的影响由相间曳力模型考虑,重点考察壁面处颗粒边界条件的影响。同时进行了实验室规模三维流化床的流化实验,以验证模型的有效性。通过压降轴向分布、颗粒浓度径向分布以及物料出口处颗粒质量流率功率谱估计等定量分析,结果表明:对不设置内构件的自由床,壁面反射系数对系统宏观流动特性影响较小,而对壁面处局部颗粒运动影响较大;对壁面面积大幅增加的内构件床,壁面反射系数可显著改变气体和颗粒的运动特征,取值需控制在适当范围内。

双流体颗粒-壁面碰撞模型用于旋流流动

对旋流两相流动,用考虑壁面粗糙度的双流体颗粒-壁面碰撞模型,结合二阶矩两相湍流模型和不同颗粒相边界条件,进行了数值模拟。结果表明,由于考虑了各方向雷诺应力之间的相互转化,雷诺应力从平均运动中得到能量,以及壁面对颗粒运动的衰减作用等因素,该颗粒壁面碰撞模型给出的模拟结果与实验符合较好,而广泛应用的零梯度颗粒壁面边界条件给出的模拟结果最差。

基于Fluent对某型号除尘设备进行除尘仿真的二次开发

锂电池极片分割机一般需要配备相应的除尘装置来清除分切过程中产生的粉尘颗粒,以确保极片生产过程中的洁净度以及电池质量。目前,市场上常见的除尘装置有毛刷除尘装置及负压除尘装置。在设备设计阶段,可以通过耦合计算流体动力学和离散粒子法对设备性能进行预测,从而降低试错成本。Fluent现有的颗粒壁面条件模型忽略了壁面对颗粒吸附的影响,导致小粒径颗粒在除尘设备中的除尘率一直过于理想(除尘率接近99.9%),与实际生产过程中极片表面会附着细小粉尘的现象不符。因此,该文运用用户自定义接口对Fluent中的颗粒的壁面边界条件进行重新定义,使壁面对颗粒产生吸附作用。在加入壁面吸附条件后,设备对小于10μm颗粒的除尘率降至68.5%左右,使得仿真结果更具有可靠性,与实际生产过程中观察的现象相符。

基于格子Boltzmann方法的气动声学计算

研究了应用于气动声学计算中的格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann method,LBM),采用非平衡外推格式处理壁面边界条件,远场无反射边界条件采用吸收层边界条件。首先,将LBM应用于顶盖驱动的空腔流动模拟进行程序验证;然后,数值研究气动声学中的几个典型问题,特别讨论了黏性对LBM数值解的影响,并与传统的四阶精度低色散保持格式(Dispersion-relation-preserving,DRP)比较,检验了该方法模拟气动声学基本问题的能力,为进一步运用该方法模拟复杂物体产生噪声奠定基础。研究表明,尽管标准LBM方法在时间、空间上仅有二阶精度,但是,LBM方法计算得到的结果能和分析解保持一致,它是有效且可行的气动声学计算方法。

高压内啮合齿轮泵的三维CFD数值计算与试验研究

由于内啮合齿轮泵特殊的工作原理,其计算模型涉及微小间隙的问题和动网格的运用,计算复杂,难度较大。同时,内啮合齿轮泵在高压工作状态下,内部泄漏量较大,数值计算的精度难以保证。基于此,本文采用流体力学软件FLUENT,基于2.5D动网格技术建立了适合于高压内啮合齿轮泵的三维流体数值计算模型,对内啮合齿轮泵的流动性能进行分析。为提高高压工况下内啮合齿轮泵的CFD数值计算精度,在内啮合齿轮泵的三维数值计算模型中,利用粘性壁面边界条件的方法,模拟两齿轮之间的接触啮合,全面分析两齿轮的啮合点对数值计算结果的影响,并与试验结果进行比较。结果表明:本文提出的模型可以较好地预测内啮合齿轮泵在高压工况下的流动特性,并可为齿轮泵的数值计算提供参考。

微注射成形实验与数值模拟

为研究注射料的流动性和模腔形状的复制能力,加工了含有微流道的模具,在微注射系统上进行了微注射实验.应用基于矢量化显式算法的程序,在不同壁面边界条件下,对微注射实验进行了模拟.结果表明:在注射料温度220℃、模具温度40℃、注射流量为20 mm3/s、注射时间1 s、保压时间10 s的注射工艺条件下,聚丙烯能较好的复制长5 mm,宽1.5 mm和厚0.8 mm的微流道形状.采用滑移边界条件的微注射模拟结果与实验结果一致,说明微注射中存在边界滑移速度.

NS方程的各向异性笛卡尔网格法研究

将近年发展起来的用于Ｅｕｌｅｒ方程求解的具有局部均匀网格总体非结构特性的笛卡尔网格法推广到ＮＳ方程的求解。为了与流场的各向异性相适应、减少网格点数量，提出了一种各向异性网格加密法。另外还研究了分级笛卡尔网格对内点格式稳定性的影响和插值固体边界条件的稳定性。数值结果表明各向异性笛卡尔网格法相对于传统的各向同性网格方法能大量节省网格点数量而且与后者具有同样的精度。

肺腺泡内流动与可入肺颗粒物沉积特性的数值模拟

研究肺腺泡区的三维流动特性、颗粒物沉积对于理解肺部的物质输运过程及治疗呼吸系统疾病具有重要的意义。本文建立了肺腺泡区的三维对称几何模型,并通过引入动肺泡壁条件反映肺部节律收缩/扩张的动力学机制,在此基础上对非稳态呼吸时肺腺泡区的气流特性以及颗粒物沉积特性进行模拟。结果表明:随着位置逐渐下移至末端,肺泡内的流线形态从循环状向放射状变化,且流线形态在呼与吸的半周期内保持不变,颗粒物的沉积率也随肺泡的位置下移而增加。此外,通过与既有二维固定壁模型对比表明,三维模型以及动肺泡壁条件对肺部颗粒物沉积具有重要影响,不可忽略。本文对三维肺腺泡流场和颗粒物沉积的特性研究,将为肺部物质输运以及相关领域的深入研究提供可靠的理论依据。

基于无网格粒子法的复杂三维形状通用离散方法

复杂形状的三维建模问题一直是无网格粒子法应用于流体机械内流计算的难点之一,基于移动粒子半隐式法(MPS),结合通用光滑壁面边界(GSW)和无表面粒子判定技术(NSD),提出适用于流体机械任意复杂型面的通用离散方法.将CAD壁面模型通过面网格进行离散,提取网格节点并生成单层壁面粒子.利用粒子的自适应性对流体粒子进行填充布置以获取初始流体域.基于GSW模型壁面粒子尺度无关性的特点,提出壁面粒子局部加密与嵌套加密耦合的技术.针对主曲率较大的曲面采用局部加密,针对异面粒子干涉作用较强的薄壁曲面采用嵌套加密,从而在保证壁面法向量计算准确的前提下,用更少的壁面粒子实现复杂形状的精确表达.定义以法向光滑角度(NSA)为准则数的离散精度评价体系,以实际离心泵模型为例,定量描述离散模型的几何精度,分析并给出特征模型准则数的参考值.通过三维复杂静水算例、溃坝撞击挡板算例和诱导轮水中旋转算例阐述整套离散建模流程并验证本方法流动计算的准确性与稳定性.

基于无散平滑的4D flow MRI流场优化

目的时间解析的三维相位差核磁共振图像速度编码技术(4D flow MRI)在大血管临床诊断方面有重要应用价值。但是其测量的速度场通常包含许多噪音和坏点,需要利用后处理方法来优化并进行血流动力学的分析。方法提出一种带壁面边界条件的无散平滑(DFSwt)方法来处理4D flow MRI的速度场数据,增强具有物理约束的速度场质量。

基于LBM-LES的室外湍流非稳态快速模拟方法的开发

在模拟非稳态风环境时,与建筑领域当前使用的基于有限体积法的大涡模拟(FVM-LES)相比,基于新型流体模拟法-格子玻尔兹曼法的大涡模拟(LBM-LES)算法简单、计算速度更快,受到了研究者的广泛关注。但LBM默认壁面边界条件Bounce-Back的缺陷导致其需要更细密的网格以获得与FVM-LES同等模拟精度。本研究引入壁面函数并开发了新的壁面条件wall-function bounce(WFB)提高LBM-LES的模拟精度。其次使用LBM-LES和FVM-LES对单体高层建筑周边风环境进行非稳态模拟,表明WFB提高了壁面附近的模拟精度,使LBM-LES达到了同等网格FVM-LES的模拟精度。模拟结果同时表明LBM-LES的计算速度与并行计算效率比FVM-LES更高,在大规模城市风环境非稳态模拟中表现出较高潜力。