基于流体体积函数模型的横板型稳压罐内气液两相流场仿真研究

针对水流量标准装置中横板型稳压罐,基于Navier-Stokes方程建立罐体计算流体动力学仿真模型。使用湍流模型、流体体积函数瞬态模型和有限体积法进行离散,并在近壁区采用标准的壁面函数法进行修正,完成横板型稳压罐内部两相流场的数值模拟。数值结果显示空罐充水流态依次经过无水状态—射流—上壅—漫流—稳定状态,同时形成掺气现象和泡状流;气液体积比13情况下,满罐充水流场有固定周期的晃荡现象,上侧形成逆时针转动的漩涡气腔,流场湍流粘度较小,分布较均匀,稳定效果最好。

基于地球流体有效角动量函数的UT1分段预报

世界时UT1的变化受到大气、海洋、陆地水圈等多种激发因素的影响,这些激发因素可以由地球流体有效角动量函数EAM(effective angular momentum)描述。基于德国地学研究中心地球系统建模小组ESMGFZ(Earth System Modeling at GeoForschungsZentrum)的有效角动量函数和国际地球自转和参考系服务IERS(International Earth Rotation and Reference Systems Service)的EOP(Earth orientation parameters)数据,使用最小二乘法LS(least square)和自回归模型AR(auto regression)方法,通过一系列实验,参数搜索,最终,针对不同的预报跨度,采用不同的参数对世界时UT1进行预报。在2019年至2021年进行的495次预报实验中,对比IERS的预报结果,在未来第6天,第30天,第90天,平均绝对误差MAE(mean absolute error)分别降低了0.0874 ms,0.4999 ms,1.4764 ms,提升分别为37.43%、14.72%、11.82%;对比传统LS+AR的预报结果,在未来第6天,第30天,第90天,MAE分别降低了0.6315 ms,1.1347 ms,2.3761 ms,提升分别为81.21%、28.15%、17.74%。

水下大振幅压电纤维致动柔性结构的非线性流体动力特性及实验

水下智能材料驱动柔性结构在机器鱼、水下航行器及精密医疗等领域具有广阔应用前景。本文研究了水下大振幅压电纤维(Macro Fiber Composite,MFC)致动柔性结构的非线性流体动力特性,建立了流固耦合振动模型,并进行了实验验证。通过参数化的二维CFD分析了不同特征振动频率及振幅下柔性结构周围流场的分布演化规律,发现随着柔性结构特征振幅增大,其周围流场逐渐出现了涡旋脱落及对流现象,且流体阻尼效应的非线性随之增强。提出了由特征振动频率和振幅共同确定的非线性修正流体动力函数解析表达式,分析结果表明:在小振幅情况下,修正流体动力函数虚部也就是流体阻尼效应随着特征振动频率的增大而减小;而当特征振幅增大到一定值后,流体阻尼效应随着特征振动频率的增大却呈现出先减小后增大的变化规律,具有强烈的非线性特性。开展了水下MFC致动柔性结构振动特性验证实验,证实柔性结构在MFC主动激励下的实测幅频、相频特性与理论预测结果基本一致,验证了所提修正流体动力函数表达式及流固耦合振动模型的有效性。

基于流体体积的两栖车辆阻力并行数值计算

为了在概念设计阶段评价两栖车辆的水上性能,研究了采用流体体积函数(VOF)多相流模型对两栖车辆进行模拟计算的可行性,提出了使网格单元体积变化均匀的混合网格划分方法,比较了并行计算环境下的不同网格分割方法,给出了计算结果收敛的评价指标,并分别采用稳态静网格、瞬态静网格和瞬态动网格三种模型对轮式两栖车辆的阻力进行了计算.结果表明,模拟和试验的误差可控制在10%内,在当前技术条件下瞬态静网格模拟方法是比较可靠的两栖车辆阻力计算方法.

微通道内Taylor流的计算流体力学数值模拟研究进展

简要阐述了计算流体力学(CFD)中流体体积函数法(VOF)的概念和原理。重点综述了采用CFD方法研究微通道中两相Taylor流的最新进展,包括两相流速度场、气泡或微液滴的生成、发展等流动特性、壁面处液膜厚度的影响因素、微通道内的传质传热特性等。最后展望了微通道内多相流CFD数值模拟的研究重点和应用方向。

倒装芯片封装中非牛顿流体下填充的数值仿真

倒装芯片封装中的下填充工艺可以有效地提高封装连接的可靠性,因而得到了广泛应用。含有硅填料的环氧树脂是常用的下填充胶料,在下填充流动过程中表现出明显的非牛顿流体特性。利用Fluent软件对具有非牛顿流体特性胶料的下填充过程进行了三维数值模拟。采用流体体积比函数(VOF)对流动前沿界面进行追踪,再用连续表面张力(CSF)模型来计算下填充流动的毛细驱动力,并用幂函数本构方程来体现下填充胶料的非牛顿流体特性。通过数值模拟,获得了下填充流动前沿位置随时间变化的数据,这些数据与实验结果有较好的吻合度。该数值方法可较好地预测具有非牛顿流体性质胶料的下填充过程。

基于流体动力学理论的景观瀑布数值模拟

作为旅游和局部生态环境重要组成部分的景观瀑布,其泄流状态的逼真模拟对于景观设计有重要的意义。基于计算流体动力学(CFD)理论,采用流体体积函数(VOF)法追踪自由表面,以RNGk-ε紊流模型封闭方程组,建立了景观瀑布的水力学数值模型。通过与经验公式的结果进行对比,验证了该水力学数值模型的准确性。将该方法应用于昆明"两江"瀑布景观公园,经分析,北段三跌坎和南段直跌坎在最小流量工况下的景观效果较好,可避免枯水期劣质景观的出现。

单环路液氢温区脉动热管高充液率工况计算流体动力学(CFD)模拟

针对液氢温区单环路脉动热管建立了二维数值模型,分析了80%充液率条件下脉动热管不同阶段的流动及传热特性。在本研究中,流体体积函数(VOF)方法被用于追踪气液相界面,恒热通量和恒温分别作为蒸发段和冷凝段的边界条件,蒸发段的加热量逐渐从0.27W增加到1W。模拟的传热热阻与实验值的误差不超过15%,验证了模型的有效性。同时得到了脉动热管初始阶段的气液分布与压力分布,通过气体体积分数云图分析了启动阶段气塞的运动,结果显示在本研究中工质经过两次循环完成启动,根据工质流动方向的变化每次循环又可以分为三种流动方式。进入稳定阶段后,脉动热管内的工质主要呈顺时针循环流动,蒸发段的壁面温度呈周期性的振荡。在加热量较低时,温度振荡频率较低,传热热阻较大;随着加热量的增加,振荡频率增加并趋于稳定,热阻先减小而后不变。

铸件充型过程数值模拟中的自由表面处理

讨论了基于流体函数F（VOF）方法的流体自由表面处理的一种稳定且可靠的方法，并且对有效体积Veff、流量及F值作了进一步的计算。

运动界面的追踪和重构方法

提出了一种简单有效并且精确的高分辨率运动界面追踪方法———无结构网格特征型积分平均有限体积法· 并且对包括该方法在内的六种界面重构方法做了一些数值试验和评估· 通过精确的数值模拟。

柴油机气缸盖传热规律研究

利用Star CCM+软件,采用多面体网格技术和基于流体体积函数方法(VOF)的两相流沸腾模型,对单缸柴油机气缸盖的冷却传热进行了流-固耦合仿真计算,通过气缸盖的测试温度对仿真结果进行了校验.在此基础上,对气缸盖的传热规律进行了研究.研究表明,单缸柴油机负荷增加时,气缸盖冷却水壁面排气门鼻梁区的传热系数HTC呈现出在较小负荷增加迅速,在较大负荷增加变缓的规律;气缸盖向冷却水传递的热流量则随单缸柴油机负荷的提高呈现出加速上升的趋势,转速为2 000r.min-1时,单缸柴油机功率由44kW增加到61kW,气缸盖传递给冷却水的热流量增幅为31.4%;功率由61kW增加到80kW,气缸盖传递给冷却水的热流量增幅为61.3%.

附加惯性力对气泡破裂的影响

从气泡破裂的力平衡机理出发,采用流体体积函数(VOF)模型研究竖直窄流道中单个气泡受到附加惯性力作用后变形破裂的情况。通过定义气泡破裂点处的速度和观察气泡破裂时的颈部最短距离来描述表面张力、附加惯性力大小及初始形状对气泡破裂的影响。结果表明:表面张力、附加惯性力和初始形状对气泡的破裂有很大影响,它们直接影响流体对气泡的射流作用,最终可能导致气泡破裂。

翼型波浪水面巡航地面效应数值模拟

数值求解非定常不可压缩流动的雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程和标准k-ε湍流模型,用VOR(Volume Of Fluid)方法模拟波浪水面,模拟了NACA2410翼型在波浪水面上方飞行的流场.研究了余弦波浪水面的生成方法,选取合适的计算网格和时间步长,避免了在生成规则余弦波浪水面时由于数值耗散使波面形状衰减.比较了固壁波浪与水面波浪计算结果的差异,发现固壁波浪的结果更接近余弦曲线分布.研究了波浪等级对翼型气动性能的影响,分析计算结果发现:在规则的余弦水面波浪上方飞行,翼型气动力呈现周期性,给出了一个周期内气动力的变化过程,以及波长和波幅对气动力平均值和波动幅度的影响规律.

过渡型两栖车辆造型设计及水上性能数值分析

应用CATIA曲面造型模块,设计出一款具有快速性特征的新型两栖车车体外形和一种新型防浪板。在FLUENT软件中应用VOF方法、标准k-ε湍流模型、明渠流和高速艇动力学相关理论,对未加装和加装防浪板的两种车辆模型进行了水上性能数值分析。研究结果表明:加装防浪板的车辆模型水上性能更优。该方法可有效应用于高速过渡型两栖车辆的水上性能研究。

两栖车辆阻力水气两相流三维数值模拟

为了得到两栖车辆水中航行的阻力,建立了两栖车辆水上行驶的物理模型,并采用混合网格对整个流场进行离散.利用流体体积函数(VOF)多相流模型、k-ε两方程湍流模型,对两栖车辆的粘性绕流场进行了数值模拟.通过对比试验可知:仿真能很好地模拟阻力值和水气两相流的情况.仿真结果中能反映出水流绕流的情况,为以后进行两栖车辆的流场分析提供了有效的工具.通过分析水流和阻力的情况,为研究两栖车辆的减阻提速提供了思路.

基于LES的泵站前池表面涡及液下涡流瞬态特性分析

泵站前池或泵站进水池是泵进口前的过流部件,在不同工况的流动中存在多种旋涡,可分为自由表面涡和液下涡,这些高度不稳定的旋涡是影响水泵装置运行效率及稳定性的重要因素。为了研究泵站进水池的内部涡流,采用大涡模拟(LES)及流体体积函数(VOF)方法对泵站进水池中的三维非稳态流动进行了非定常数值计算,并进行了系统的验证。基于数值计算结果,统计了旋涡的时均特性,讨论了RANS方法和LES方法对涡流预测的区别;采用λ2等值面将旋涡结构可视化,观测到自由表面涡及附底涡周围环绕的二次涡结构;分析了不同时刻表面涡及附底涡的形态和瞬态特性,通过涡量方程得到了对流项及拉升、弯曲项对主涡涡量变化的影响。结果表明:二次涡与主涡的相互作用在一定程度上增强了主涡动量的向外耗散,并通过自旋引起主涡轴向拉升或者弯曲。

冲击挤压式脉冲射流动力特性数值模拟

基于Fluent软件建立以流体体积函数(VOF)模型和Realizable k-ε湍动模型组合的二维多相流瞬态数值计算模型,采用定义瞬态压力入口边界的方法,对冲击挤压式脉冲射流的形成过程进行模拟计算。结果表明:基于此组合模型和方法计算得出的动态射流结构与试验结果具有较高的吻合度;喷嘴出口的水动力特征是影响射流结构及变化的最主要外在因素;射流前部生成的伞状结构能限制射流中心区表面气体涡的发展,有利于提高有效中心射流的收敛度;射流前部轴心速度发展至最大时,射流前端形成一层厚度约为2倍喷嘴直径的低速高湍动层。

带定位格架的5×5棒束通道内过冷沸腾流动传热数值研究

基于流体体积函数(VOF)两相流模型,通过在控制方程中加入适当的质量源项和能量源项,建立了过冷沸腾模型,利用该模型对5×5定位格架棒束通道内的过冷沸腾现象进行数值模拟,研究了有无过冷沸腾现象2种工况下的传热特性以及入口速度、入口过冷度等因素对燃料组件内传热特性的影响。结果表明:有过冷沸腾现象时流体的传热效果优于无过冷沸腾现象,在有过冷沸腾现象时,总体上通道内传热系数与入口速度呈正相关,与入口过冷度呈负相关;在局部区域,相变传热占据主导因素,过冷沸腾程度越强,流体的传热效果越好。

多支管并联蒸发联箱流量分配特性分析

基于分离式热管在一定温度水池中的应用,本文采用流体体积函数(VOF)模型就两种不同热流边界条件对蒸发段7根并联支管中的流量分配特性进行了CFD两相仿真计算。在CFD计算中,对连续性方程添加了蒸发源项,而对动量方程添加了表面张力源项。结果表明:在较低热流条件下(外界水池温度为60℃),各支管的流量分配呈现联箱两封头处支管流量大中间支管偏小的特点,其中支管1的质量流量最大约为0. 025 kg/s,支管4内的质量流量最小约为0. 016 kg/s;在较高热流条件下(外界水池温度为80℃),各支管的流量沿着下联箱中工质流动方向逐渐减小,其中支管1的质量流量最大约为0. 025 kg/s,支管7内的质量流量最小约为0. 017 kg/s。对比分析仿真计算结果与并联分离型热管实验数据,实验中热负荷对各支管流量分配的影响趋势与仿真结果相吻合。

某离心式喷嘴雾化特性及优化设计研究

喷嘴结构参数、喷油压降和燃油物性对喷嘴雾化特性具有重要影响。采用数值计算和试验手段研究某离心式喷嘴航空煤油和0#柴油雾化特性及差异性,并讨论喷嘴内部流动和喷嘴结构参数对雾化特性的影响。结果表明:数值计算与试验值存在差异,但雾化锥角、流量系数等随压力变化的趋势一致,验证了流体体积函数(VOF)追踪油气两相界面的正确性;喷嘴内部气、液相的涡是内部流动不稳定和气液面波动的原因;几何结构参数对喷嘴雾化特性影响明显;优化后的喷嘴结构,流量系数和雾化锥角分别增大了0.15和0.16倍,而喷嘴出口液膜厚度减小了0.53倍,明显改善了该喷嘴的雾化质量。