质子交换膜燃料电池随行波流场设计与传质特性

为了提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)的膜电极的传质性能与电池的功率密度,设计了一种以圆弧凹面作为强化传质结构的随行波流场板。结合铣削工艺,实现了随行波流场结构的制造。采用计算流体动力学软件,建立包括随行波流场与膜电极在内的燃料电池三维模型。实验验证了该模型的准确性。探索了强化传质结构对电池内部速度场、浓度场及电场的分布规律,分析了电池性能的提升效果。结果表明:与流道深宽0.6 mm×0.8 mm的常规流场相比,该文的随行波流场的平均流速提升了27.7%,压损降低了19.2%,双极板—气体扩散层界面的氧气含量提升了1.44%,出口的排水速率增大16.7%,功率密度提升了8.6%。

基于三维特征线理论的曲面激波流场反设计方法

激波流场反设计技术是高超声速乘波布局设计领域的核心技术之一。为了克服传统吻切理论在设计全三维曲面激波流场时的缺陷,本文提出了一种基于三维特征线理论的设计方法。该方法构造了一种包含四条马赫线和一条流线的三维基本单元,发展了用于设计曲面激波流场的阵面推进方法及并行加速方法。通过对Euler方程中微分算子进行特征分解,重构了流场的控制方程,并提出了适用于求解该控制方程的Tikhonov-Lagrange拟合法,实现了三维流场的稳定求解。利用提出的设计方法,分别对高马赫数圆锥激波流场、椭圆锥激波流场、小攻角来流下的圆锥激波流场及由Bezier曲面描述的一般性曲面激波流场算例进行了设计,并与数值模拟结果进行了对比。计算结果表明,当前设计方法实现了对横向压力梯度及攻角引起的三维流动效应的合理求解,其中典型截面的壁面压力及马赫数分布与数值模拟结果相比误差分别小于0.3%和1.7%,且具有较高的并行效率。该设计方法拓展了特征线理论在全三维激波流场反设计领域的应用范围,在高超声速全三维乘波布局设计领域具有重要发展前景。

大尺度圆柱周围的波流场的耦合计算

本文利用波浪弥散关系的迭代计算求得波向与流向的夹角,并用有限元法求解含流的缓坡方程,得到在缓变地形和定常流场共同影响下的大尺度圆柱周围的波流场的耦合解。

双曝光全息干涉法用于风洞中激波流场的研究

本文论述了双曝光全息干涉法在激波流场研究中的应用．对于形状不规则模型在超音速风洞中产生的激波流场，由于对这种流场进行数值计算几乎不可能，从实验上对其进行定量测量就显得尤为重要．本文很好地解决了某种不规则模型超音速激波流场的定量测量问题，获得了激波流场的有限条纹全息干涉图，并利用图象处理技术对干涉图进行了细化处理，再用人机交互的方式采集数据计算出条纹的位移量，最后用拉普拉斯变换法计算出流场的密度分布值．

基于动网格CFD技术的膛口弹前激波流场数值模拟

针对数值模拟弹丸膛内加速运动造成的网格变化,采用分块网格划分的整体运动处理方法和基于动态层变方法的结构动网格技术,保证了数值网格的质量。模拟弹丸膛内运动的弹前激波流场,并描述了激波流场的形成,发展过程,实现了含运动弹丸的膛口激波流场模拟。数值计算结果与实验照片进行对比,弹前激波流场的形状和位置能较好吻合,表明数值模拟方法是合理可行的。

时间序列差分干涉术研究激波流场(英文)

本文用一种新的时间序列差分干涉术研究模型在超音速风洞中产生的激波流场．实．验中用调Ｑ序列脉冲红宝石激光器作光源，用转镜扫描高速摄影机作为记录设备，结合单Ｗｏｌｌａｓｔｏｎ棱镜差分干涉的方法获得了激波流场的序列差分干涉图。利用图象处理技术对干涉图进行图象处理，人机交互的方式采集数据，用条纹位移转换法将差分干涉图的条纹位移量转换为绝对干涉图的条纹位移量，然后用拉普拉斯变换法计算出了密度的相对分布值．

槽道内涡波流场的POD分析

对槽道内涡波流场的瞬态速度矢量场进行了2DPIV测量实验,将2DPIV测量的矢量场数据进行POD分析,根据POD分解的各阶模态的能量比确定了表征涡波流场主导结构的前15阶模态。结果表明,POD分解的前15阶模态发现槽道内涡波流场是由槽道壁面剪切层诱导的涡列以及伴随的波状主流组成;流场中大尺度的涡旋发展为涡对,对波状主流的脉动频率产生影响;根据涡波流场中的驻点和鞍点,获取了流场的大尺度涡对、平均流场以及Helmholtz涡环等明显特征;最后根据POD分解的前15阶模态对槽道内涡波流场进行重组,重组流场表征了槽道内层流状态下波状主流的形态和涡旋共存的涡波结构以及驻点和鞍点的位置处涡旋的变化等主要特征,有效地剔除了PIV测量流场中的随机信息,保留了PIV测量流场的主导特征。

槽道内涡波流场展向涡的分布特征

通过2DPIV测量了槽道内涡波流场的瞬态速度矢量场,利用雷诺分解和旋转强度的λci准则进行了展向涡的识别;并从识别的逆时针和顺时针展向涡的尺度属性、力学属性和运动属性方面分析了展向涡的分布特征。结果表明,流场中的顺时针展向涡的数量大于逆时针展向涡的数量;在法向位置0.05~0.45范围内,逆时针展向涡的旋转强度呈抛物线形状变化,顺时针展向涡整体呈下降趋势;逆时针展向涡的平均直径和椭圆平均长轴长度随着法向位置的增加而缓慢增加,而顺时针展向涡趋于下降;逆时针展向涡的椭圆长轴倾角最大值为67.28°,顺时针展向涡的等效椭圆的离心率呈下降趋势,似圆性较好;逆时针展向涡对全局平均的〈vωz〉分量在法向位置0.15处出现最大值61%;展向涡对流场雷诺应力的影响较小;逆时针展向涡的数量密度在0~0.08法向位置范围内呈急剧上升趋势,并达到最大值0.36,顺时针展向涡数量密度整体呈倒U形分布;不同旋向的展向涡占总展向涡数量密度的比值都大于0.3;展向涡的流向对流速度整体上小于流场的平均速度,且在槽道中心区域差值较大;展向涡的法向对流速度随着法向距离增加,从负值上升到正值,在中心主流两侧分别发生喷射和扫掠2种现象。

基于CFD网格的激波流场热辐射计算方法

针对高速飞行器在气动热环境下的激波热辐射问题,提出一种基于计算流体网格的激波流场热辐射计算方法。首先利用CFD模拟流场数据,结合分子光谱辐射数据库,采用窄谱带模型计算每一个网格的气体吸收系数,然后通过求解网格化的辐射传递方程得到整个激波流场的热辐射情况。根据对激波流场数据的仿真分析,得到了激波流场热辐射随飞行高度和飞行速度的变化规律。

对称槽道涡波流场流动特征的POD分析

为深入分析层流状态下对称槽道内涡波流场的流动特性及其变化规律,对流场进行了二维粒子图像测速(2DPIV)测量获取瞬态速度矢量数据,利用本征正交分解(POD)技术进行模态分解以及涡波流场的重构,然后根据重构的流场对对称槽道内涡波流场进行了平均速度剖面、流场脉动强度以及特征点的速度和频谱分布等方面的分析。结果表明:POD的前15阶模态能够表征涡波流场的主导结构,第1,3阶模态主要表现为一对旋向相反的涡对特征,第2阶模态具有涡旋和波状主流的特征;提取了5个涡旋涡核的位置作为流场流动特性的特征点;根据POD重构流场分析发现流向平均速度呈抛物线形状分布,法向平均速度呈对称分布特征;流向脉动强度受壁面的影响较大,法向脉动强度呈现抛物线形状分布;距离中心主流较近的1~#,4~#,5~#特征点的速度脉动程度受主流的脉动强度影响较大,速度的脉动主频0.15 Hz与次频、流场的自然频率0.35 Hz共同影响特征点的速度分布;2~#,3~#特征点的流向速度呈衰减趋势,法向速度在初期幅度变化较大。

非线性波流场和波流载荷的数值模拟

本文用数值模拟的方法研究了大尺度物体上所受的非线性波与水流的共同作用力。非线性水波与水流相互作用场的计算采用有限差分法,引入坐标变换获得了固定计算域,用松弛迭代法求解差分方程。波流联合作用力的计算用时间步进法,每一时刻采用简单格林函数的边界元法求解。入射势采用以上波流场的计算结果,开边界选取离物体足够远,其上的速度势为入射势。

固壁附近水平圆柱周围波流场的数值模拟及水动力特征

利用贴体坐标和二维流场的大涡模拟,计算了不同K_c数范围内固壁附近水平圆柱的流场,同步分析了受力过程和流态演化过程之间的关系,以认识圆柱受力形成的机理.

叶栅激波流场的数值模拟

给出了ＡＵＳＭ 格式在任意曲线坐标下的形式，将ＡＵＳＭ 格式和三阶精度ＭＵＳＣＬ格式融合，并结合ＬＵ－ＳＧＳ隐式时间推进法，对典型双圆弧叶栅无粘跨音速和超音速流动进行了数值模拟．

波流场中的桩柱结构地震反应研究

采用理论分析及有限元模拟的方法,对波流场中桩柱结构的地震动力反应进行了研究.除考虑波流场作用在桩柱上的波流力和动水压力外,根据模型试验结果认为还需考虑作用在桩柱上的涡振横向力.通过地震作用下波流场中四桩平台的有限元模拟计算,发现水中地震放大了桩柱结构的动力反应;波流力和涡振横向力共同作用导致桩的相对位移、剪力及弯矩值大幅提高,但是对桩身加速度影响较小;桩底部位易于发生地震破坏.

青岛港内外航道波流场数值预报研究

青岛港内外航道海域波流场复杂多变,外海域海况和水流动力条件复杂,对港口作业、航道运输、船舶操纵的影响极大。开展青岛港内外航道波流场数值预报研究,可为制定引航方案、提高航道利用率以及船舶操纵模拟提供基础数据资料。采用MIKE模型对青岛港内外航道海域波流场数值进行研究的结果表明:潮流进入青岛港时流速提高且有较强的涡流;大潮期间,码头处波浪作用对船舶停靠及港口作业影响较小;偏南风向下生成的波浪有义波高最大。

基于有限元方法对波流场中养殖网箱的系统动力分析

养殖网箱系统在海中除承受静载荷以外还受到波流等动载荷的作用,为确保安全有必要对网箱系统进行动力分析。为此提出一种基于有限元原理的养殖网箱系统动力分析方法,分别对圆形重力式网箱在水流、波浪以及波流联合作用下的网衣变形与锚绳受力进行了数值模拟,并与实验结果进行了比较分析。结果表明:该方法具有解的稳定性,计算值与实验值比较吻合,较好地反映了网箱系统在波流场中的动力响应特性。

波流共存场中全水深水流流速分布

在波流共存场中,沿水深可分为波浪边界层,对数层和外层,不同流层内的流速分布规律不同。泥沙运动主要发生在波浪边界层和对数层内,而波要素的变化则直接受外层的流速分布规律影响。在以往的研究中,内、外层的流速分布规律都是分别求解的,并没有提出可适用于全水深的流速分布模式。本文直接从N—S方程出发,引入相应的紊流模式,封闭波流共存场的流动方程和波动方程。从理论上求得了全水深的流速分布,与Kemp和Simons及Van Doorn等人的实测结果非常吻合。

波流共存场中多向随机波浪传播变形数学模型

基于波作用量守恒方程建立了波流共存场中多向随机波浪传播变形数学模型,模型中考虑了波浪绕射的影响和水流引起的波浪弥散多普勒效应,应用包含水流和地形影响的激破波模式计算波浪破碎的能量耗散,采用一阶上迎风有限差分格式离散控制方程。分别计算了有无近岸流情况下单向和多向随机波浪的波高分布,考虑水流影响的数值计算结果与物理模型实验数据吻合良好,比较分析表明,所建立的数学模型能够复演由于离岸流引起的波高增大,可用于波流共存场多向随机波浪传播变形的模拟和预报。

固壁附近水平圆柱在波浪水流共存场中的流动显示及水动力特征

固壁附近的水平圆柱体在波浪、波流作用下的受力情况与其周围的流场状态密切相关。为探讨圆柱受力形成的机理，应当对流场的涡结构有充分的认识，受力过程与流态演化过程的同步分析尤为重要。本文通过实验研究并对比数值分析的结果，对波浪、波流场中圆柱体受力与流场状态的关系做一初步讨论。

波流共同作用下威海中心渔港泥沙冲淤变化数值模型研究

基于考虑波流共同作用的泥沙数学模型,采用非结构化网格对计算区域进行离散,建立了威海中心渔港的波流场、泥沙场数值计算模型。在对数学模型进行了验证的基础上,通过数值模拟研究探讨了威海中心渔港修建前、后的波流场及海底冲淤情况的变化特征,分析威海中心渔港内淤积的原因,为未来港区内治淤、防淤提供科学依据。