复杂多相流体的介观模拟:耗散粒子动力学方法及应用

在悬浮液、乳液和泡沫等复杂多相流体中,离散分布着大量的纳米至微米尺度的颗粒、液滴和气泡等,在流动作用下这些离散相物质呈现出复杂的个体或群体运动行为,进而显著影响这些复杂多相流体的宏观流变和流动行为.针对这类流体,开展介观尺度数值模拟成为一种有效且相对经济的研究手段.其中,耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)方法是一种具有代表性的介观尺度数值模拟方法,由于其粒子方法的特质,DPD方法适合用于上述复杂多相流体内部结构的数值建模和数值模拟研究.本文对近年来DPD方法在颗粒悬浮液、乳液和气泡等复杂多相流体模拟方面研究进展进行了系统的介绍,深入探讨了DPD方法在复杂多相流体介观模拟方面的针对性改进以及当前存在的不足,并对DPD方法的研究和应用进行了总结和展望.

高空核爆炸磁流体动力学电磁脉冲

高空核爆炸产生的磁流体动力学(晚期)电磁脉冲对电力系统等国家重要基础设施具有严重影响。由于晚期电磁脉冲产生的机理复杂,依赖因素众多,包括爆炸当量、爆高、爆炸方位、爆炸时间、观察点位置以及土壤电导率等,因此,目前还没有成熟的代码可以模拟整个晚期电磁脉冲的产生过程。介绍晚期电磁脉冲的产生机理,讨论晚期电磁脉冲电场随核装置爆炸当量、爆高和大气状况的变化关系。E3A电场峰值随爆炸当量线性增加,而E3B电场峰值则随爆炸当量增加出现明显的饱和效应。分析了当前晚期电磁脉冲模拟代码现状,为进一步研究晚期电磁脉冲数值模拟方法和代码研发提供参考。

应用计算流体动力学方法估测医院急诊大厅颗粒物分布特征的研究

目的基于室内场所的空间几何构型、风速、颗粒物浓度和环境温度测量值,阐述空气中颗粒物浓度、悬浮时间等分布规律。方法现场测量医院急诊大厅的空间及其中大型设施的尺寸,测量环境中颗粒物数量浓度、温度、风速,场所空间尺寸用于构建模型,环境检测参数用于确定模型的边界条件和验证模型的正确性。基于格子波尔曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)计算颗粒物运动,应用对流扩散方程计算空调送风系统出风口处颗粒物浓度的变化,离散相模型(discrete phase model,DPM)用于计算颗粒物在流场的运动情况。结果环境检测表明空调送风系统出口风速与室内颗粒物数量浓度呈负相关,人群聚集的候诊区颗粒物数量浓度高于诊室(P值均<0.05)。通过建立的数学模型进行仿真计算,仿真相对浓度未超过实测相对浓度的x±s范围,候诊人群使局部颗粒物浓度升高,候诊区人员咳嗽呼出气中的颗粒物可以在15 s内传播给周围的人,呼出气中60%的颗粒物悬浮时间可持续几分钟或更长时间。结论改变模型中的空间几何尺寸和环境检测参数可以用于计算不同室内场所中颗粒物的分布情况,仿真结果与实测结果具有可比性,数学计算结果可支持环境呼吸危害防控管理措施的制定。

一类带有非线性阻尼项的磁流体动力学方程组的解的整体存在性

本文研究在多孔介质意义下的一类带有非线性阻尼项a|u|^(α-1)u(a> 0)的不可压的磁流体动力学方程组的解的整体存在性问题,通过古典的能量方法和Sobolev紧性嵌入方法获得了解的整体存在性,利用Gagliardo-Nirenberg插值不等式和其它的一些重要不等式得到了解的正则性结果,建立了弱解和强解的整体存在性,这些结果在很大程度改善了之前相关文献的结果,揭示了磁流体运动的物理现象,为磁流体动力学的发展提供了必要的理论基础.

计算流体力学模拟房颤患者肺静脉收缩期回流速度对于左心房血流动力学的影响

目的心房颤动(AF)使心房的主动收缩功能和舒张功能明显受损,房颤的发生使病人血栓栓塞风险明显增高,预后很差。在房颤发作期间,肺静脉的收缩的回流速度明显下降,从而使舒张期回流成为左心房充盈的主要因素。收缩期左室储器功能下降与阵发性或持续性房颤病人的缺血性卒中/短暂性脑缺血发作风险增加显著相关。但是目前机制尚不明确。方法基于心脏增强计算机断层扫描影像,重建肺静脉-左心房-左心耳结构模型,通过设置个性化病人肺静脉入口及二尖瓣出口边界条件,左心房壁面设置为沿长轴二尖瓣环纵向运动。进行计算流体力学模拟,定量评估左心房储器阶段不同肺静脉回流速度情况下,左心房、左心耳血流动力学的变化。结果本研究发现常见的4根肺静脉呈交错排列从左心房发出,基于此肺静脉-左心房结构,在左心房储器阶段左心房内存在血液流动形成的“大涡环”结构,该涡环结构从左心房后面观呈顺时针方向,跨越整个左心房。随着肺静脉收缩期回流速度的减小,该涡环结构逐渐减小甚至消散。相关的左心耳TAWSS减小、OSI增高及RRT延长。结论肺静脉收缩回流速度的大小对于房颤期间涡环结构的形成至关重要;“大涡环结构”的存在有助于促进左心房与左心耳血液的交换及预防二者血液发生瘀滞。

光滑粒子流体动力学流体仿真技术综述

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)是实现流体仿真的主要技术之一.随着生产实践中流体仿真应用需求的增加,近些年涌现了许多相关研究成果,改善了流体不可压缩性、粘性、表面张力等物理特性模拟的视觉真实性、效率与稳定性.同时,一些工作探讨了复杂场景的高质量模拟,以及多场景、多材料的统一仿真框架,增强了SPH流体仿真技术的应用效能.从以上几个方面对SPH流体仿真技术进行归纳、总结和讨论,并对其未来发展进行了展望.

利用计算流体动力学(CFD)方法研究电收尘器斜向气流分布

在讨论了电收尘器电场内气流分布对除尘效率影响的基础上,介绍有效降低粉尘返流损失,提高电收尘效率的斜向气流技术,进而利用CFD方法对电场内的气流分布进行数值模拟,给出了在电场内实现斜向气流分布时气流分布板结构调整方法和参数。

基于光滑粒子流体动力学的波浪中航行体入水数值模拟

航行体在波浪条件下高速入水的运动响应和载荷特性是其研发设计过程中需要重点考虑的问题,为了对该问题进行精准预测,采用无网格光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法,提出了一种新型周期性波浪边界技术,利用四元数法计算物体六自由度运动,建立了波浪条件下入水模拟的数值水池。通过对静水中方块体垂直落水和航行体倾斜入水运动轨迹和冲击载荷的模拟,对比于实验参考结果,验证了数值模型的计算精度。随后,在SPH数值波浪水池中对航行体在不同波浪相位角下的高速入水过程开展研究,结果表明航行体弹道稳定性受到波浪相位角影响显著,0°相位角入水时弹道最为稳定。该新型SPH数值水池能够实现航行体波浪中入水过程的精确预报。

基于CFD的管式膜过滤过程的流体动力学研究

通过CFD数值计算的方法,采用达西定律和k-ωSST模型,对管式膜在80kPa恒定出口压力、不同流量下的过滤过程进行了流体动力学分析,揭示了其内部的流动规律,经试验验证,模拟计算结果与实验值吻合较好.分析结果表明:流量越大对膜内壁面的冲刷能力越强、涡旋扰动越剧烈、渗透流量越大、跨膜压差也越大,膜管内随着轴向距离的增加压力呈线性减小的趋势,压力值线性减小的斜率k随着流量Q(L/h)的增加而减小、基本符合k=-0.012 5 Q的关系.

计算流体动力学(CFD)及其软件包在双螺杆挤出中的应用

从数学模型、软件包的应用和数值模拟对象 (即整根螺杆、熔体输送段、混合以及反应挤出等 )三个方面介绍了计算流体动力学 (CFD)及其软件包在双螺杆挤出中的应用 ,并讨论了双螺杆挤出加工数值模拟中尚待解决的问题。

计算流体动力学(CFD)在食品工业中的应用

计算流体动力学(CFD)是一种强有力的模拟工具,主要利用计算机和数值计算方法模拟流体流动。文中结合具体实例,概括了近年来CFD在食品工业中的应用现状,介绍了在食品工业常用的几种CFD软件,并展望了其在食品工业中的发展与应用前景。

熔盐堆流体动力学模型降阶方法适用性分析

对于熔盐堆全堆高保真流体动力学计算,即使借助超级计算机的并行计算能力在面对快速甚至实时求解的问题仍然面临效率的巨大挑战,引入和采用模型降阶(Reduced Order Modeling,ROM)方法,将能够有效解决这类问题。基于本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)方法与Galerkin投影法,引入基于有限体积的模型降阶(ROM based on Finite Volume approximation,FV-ROM)方法和上确界稳定模型降阶(ROM with supremizer stabilization,SUP-ROM)方法,针对液态燃料熔盐堆(Liquid Fuel Molten Salt Reactor,LFMSR)层流和湍流瞬态工况开展适用性分析。结果表明:FV-ROM方法在速度误差和计算效率方面占有明显优势,层流和湍流瞬态速度平均L^(2)相对误差低于0.5%和0.6%,且单步长的加速比分别为1500和1000倍左右;相比之下,SUP-ROM方法在压力预测方面表现出显著的优势,层流和湍流瞬态压力平均L^(2)相对误差低至0.20%和0.38%。因此,通过FV-ROM和SUP-ROM两种方法相结合的方式进行熔盐堆流体动力学速度场和压力场预测,能够更加有效地提高流体动力学仿真的效率,并确保瞬态模拟过程计算可靠性和精确度。

基于电流体动力学的马铃薯切片干燥特性变化

电流体动力学干燥作为一种新型干燥技术,以成本低、干燥均匀、高效节能等优势,为热敏性物料的干燥提供了新的方法。为探究电流体动力学作用下马铃薯切片的干燥特性和理化特征,该研究将马铃薯切片在0、14、18、22、26、30 kV的交流电压下进行干燥,利用红外光谱和低场核磁共振技术分析电流体动力学干燥对马铃薯切片中分子结构、水分迁移的影响。结果表明,马铃薯切片在30 kV电压下的平均干燥速率、有效水分扩散系数、复水比分别为0.9228 g/(g·h)、2.2653×10^(−10)m ^(2)/s、4.78,明显优于其他电压下的试验结果。电流体动力学干燥后,马铃薯切片中的官能团没有发生明显变化,蛋白质以β-折叠结构为主。干燥可提高马铃薯切片内部自由水的流动性并降低组织对不易流动水的束缚力,从而促进水分的去除和迁移。电流体动力学干燥技术较好地保留了马铃薯的营养成分,该研究结果为马铃薯切片的干燥提供理论依据。

船舶计算流体动力学可视化系统的SCFDVS开发

鉴于购买国外的 SCFD可视化软件价格异常昂贵 ,同时通用的可视化软件也不一定能够满足 SCFD研究的需要的实际情况 ,开发 SCF D可视化软件十分重要 .文中在介绍科学计算可视化任务的基础上 ,着重介绍了自行研究开发的一种船舶计算流体动力学可视化系统 SCF DVS的系统开发思想、体系结构与功能组成 。

计入粗糙峰的微纳结构表面水润滑流体动力学仿真

随着表面精密加工技术与润滑减摩研究的发展,利用表面织构化技术提升其表面减摩效果的研究已引起广泛关注,但少有研究考虑摩擦副表面粗糙形貌对润滑特性带来影响.本研究采用计算流体动力学(CFD)模拟方法,建立了矩形织构模型,并在其表面计入粗糙峰结构,讨论水润滑条件下不同粗糙峰结构模型润滑特性变化规律.结果表明:调节微纳复合表面结构参数,将改变润滑水膜承载力,进而影响微纳复合结构表面的动压润滑效果.此外,织构内涡流生成导致涡量变化,引起能量耗散并影响摩擦力.对矩形织构模型,适当的深度比(H=0.6)可使其表面动压润滑效应达到最优;而增大织构宽度比(W),动压润滑效应增强.在微织构表面引入高斯随机粗糙峰后,当随机粗糙峰高度变化标准差δ为0.5时,承载力可提升44%,摩擦系数降低30.9%.若引入半正弦粗糙峰,承载力和摩擦系数的变化范围均小于10%,对润滑效果的影响不明显.若同时引入高斯随机粗糙峰和半正弦粗糙峰,承载力可提升42%,摩擦系数下降31.1%,即表面动压润滑效果提升也较为显著.

计算流体动力学(CFD)在化工领域的应用

计算流体动力学(CFD)是一种以流体为研究对象的数值模拟技术。相对于实验流体动力学而言,它具有资金投入少、计算速度快、信息完备且不受模型尺寸限制等优点。因此是研究流体动力学有力的工具。本文主要综述了CFD技术在化工领域内的填料塔、旋流分离器、生化反应器、干燥器、流化床、换热器方面的应用。

基于CFD(计算流体动力学)的两栖车绕流场模拟

利用计算流体动力学理论,对不计自由面的两栖车辆的粘性绕流场进行了数值模拟,重点介绍了关键的SST k-ω湍流模型和混合网格布置方法。计算结果基本与实验数据吻合。

磁流体动力学角速度传感器研究综述

随着航空航天领域探测距离的逐步提升,频谱跨度大(0.1 Hz~1 kHz)、幅值小(mrad量级)的微角振动对有效载荷指向精度的影响日趋明显。磁流体动力学(MHD)角速度传感器兼具低噪声、宽频带、体积小的优势,是目前最适合在轨微角振动测量的方法,能够为在轨微角振动力学特性分析及主动补偿提供宽谱段内的数据支撑。本文对MHD角速度传感器的工作原理、技术特点和应用情况进行综述,并针对当前研究中存在的问题进行探讨。首先,对比MHD角速度传感器的两种结构形式,基于传感器数学模型分析两种结构形式的输出特性差异。然后,介绍国内外MHD角速度传感器典型产品的技术指标及应用情况,围绕多物理场耦合仿真、微弱信号检测、测试与标定、低频拓展、工程应用五大核心技术进行讨论,分析现有技术瓶颈的基础上,明确亟需突破的难点问题。最后,指明MHD角速度传感器的未来发展方向,并展望其未来的应用领域。

计算流体动力学(CFD)在流体机械领域的应用

计算流体动力学(CFD)是一种以流体为研究对象的数值模拟技术。相对于实验流体动力学而言,它具有资金投入少、计算速度快、信息完备且不受模型尺寸限制等优点。因此是研究流体动力学有力的工具。本文主要综述了CFD技术在流体机械领域内的泵、压缩机方面的应用。

基于计算流体动力学技术评估动脉瘤性蛛网膜下腔出血后迟发性脑缺血风险

目的基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术,探究动脉瘤性蛛网膜下腔出血(anauryrmal subarachnoid hemorrhage,aSAH)后颅内血流动力学早期变化与迟发性脑缺血(delayed cerebral ischemia,DCI)发生的潜在关系。方法本研究前瞻性收集经CTA(CT Angiography)诊断并经DSA(Digital Subtracted Angiography)或手术证实为颅内动脉瘤破裂的患者。收集患者的临床和术前、术后的头颅CTA数据。基于患者的CTA原始图像构建个体化颅内血管模型,基于CFD技术模拟计算术前、术后的压力和壁剪切应力(wall shear stress,WSS)及PR(pressure ratio)、WSSR(WSS ratio)。通过随访影像学或临床体格检查判断是否发生DCI,并分为DCI组和无DCI组,分析比较两组间临床资料及血流动力学参数差异及其与DCI相关性。结果共入组51例患者,其中DCI组共15例患者(29.4%)DCI组较无DCI组,入院时收缩压(170.87±20.28 vs.1.58.19±28.06,P=0.037)、Pressure术后(19735.10±860.18vs.14606.06±11260.28,P=0.010)和PR(1.58±0.01vs.1.37±2.12,P=0.012)均较高。单因素分析显示血流动力学参数均无统计学差异,而多因素分析显示Pressure术前(OR=1,95%CI:0.999~1,P=0.017)、Prassure术后(QR=1.00.1,95%CI:1~1.001,P=0.007)、WSS术前(OR=1.096,95%CI:1.002~1.198,P=0.045)和WSS术后(OR=0.888,95%CI:0.806~0.979,P=0.017)对DCI的影响有统计学意义。ROC曲线显示,基于Pressure术前、Pressure术后、WSS术前及WSS术后模型对DCI的识别效能AUC为0.794,敏感度为73.33%,特异度为86.1%。结论aSAH后颅内血流动力学早期改变与DCI发生有关。