近壁旋转圆柱流场特性数值模拟分析

[目的]为探讨近壁旋转圆柱尾流及流体力特性,对典型间隙比下旋转圆柱绕流进行研究。[方法]对雷诺数Re=200下3种典型间隙比(G/D=0.2,0.8,1.4)的旋转圆柱绕流展开数值模拟,对比不同间隙比和转速比下的圆柱尾流及流体力特性。[结果]结果显示:当G/D=0.2时,圆柱表面脱涡会受到显著抑制,圆柱表面升阻力无波动;当G/D=0.8和1.4且转速比较低时,会发生“尾流涡”脱落现象,其结构与2S模式相似,升阻力系数呈正弦周期性波动,振幅较小;当正旋转速较大时,圆柱表面无漩涡脱落,形成稳定的D模式尾流(随转速比增大由D+模式变为D-模式),“尾流涡层”与“壁面涡层”发生分离,“壁面涡”呈现多周期性脱落现象,升阻力系数呈多周期波动,振幅显著增大;当反旋转速较大时,圆柱表面被一层正涡量的涡层包裹,漩涡脱落受到显著抑制,升阻力无波动。[结论]所得结论可为高效流动控制技术发展提供参考。

金丝球焊近壁键合技术

在引线键合工艺应用中,由于球焊键合工艺具有键合方向灵活、键合速度快等优势,在半导体芯片的封装互联领域被广泛应用。针对金丝球焊键合工艺中的近壁键合问题进行了研究,从键合方式、劈刀设计两个方面进行优化、改进,制定了两种不同的解决方案,并分析了两种方案的应用局限性。

基于深度强化学习的近壁圆柱绕流控制

基于深度强化学习方法(deep reinforcement learning,DRL),采用一对施加在圆柱表面的质量流量为零的射流,对Re=200,400,间隙比G/D=0.5,0.7,1.0,1.5,2.0的近壁圆柱进行主动流动控制研究。通过DRL方法获得不同参数下的射流控制策略与相应控制效果,并讨论了不同射流位置(90°,270°)、(90°,320°)、(90°,360°)对控制效果的影响。研究发现Reynolds数、间隙比和射流位置都对控制效果有重要的影响。射流位置为(90°,270°)时通过DRL控制可以有效降低阻力系数及其波动,控制后的圆柱尾迹被拉长且圆柱前后压差降低。射流位置为(90°,320°)和(90°,360°)的控制效果相似,都能使平均阻力系数有所降低,但控制位置的不对称性导致控制后的阻力系数波动较大。Reynolds数和间隙比的增大会增加控制射流的质量流量水平,在相同条件下,使用(90°,270°)的射流位置可以用相同的质量流量得到更好的控制效果。

基于近壁团簇分布的强化湿气冷凝的仿生表面

湿气中水的捕获是淡水获取、减湿等生产生活中的关键技术之一,其中优异的集水功能表面设计是研究热点。根据冷凝过程中近壁区分子团簇的分布规律与演化现象,从仿生的设计思路出发,提出了一种强化湿气冷凝的仿生结构。利用多孔铜柱模拟天竺葵表面分布的数量巨大、高度约300μm的纤毛结构,以强化近壁区团簇的捕获与核化。实验结果表明,空间结构的存在促进团簇的演化成核,进而增强表面的集水能力。高度为300μm的疏水多孔铜柱集水能力显著优于其他高度的结构,集水量高达140 mg·cm^(-2)·h^(-1),是光滑表面的2.4倍。研究为高湿度地区用于高效集水设施的强化表面设计提供了创新思路。

反应堆中近壁面棒状颗粒气动曳力研究

先进反应堆放射性气溶胶运动行为对反应堆安全分析具有重要意义。本文为探究近壁面区域流体对颗粒的气动曳力特性,使用数值模拟方法对近壁面区非球形棒状颗粒气动曳力的增强程度和影响因素进行了研究。研究结果表明:近壁面气动曳力增强由剪切流不均匀的速度分布和偏移的压力分布产生。随着颗粒靠近壁面和颗粒来流角的增加,气动曳力增强效应更加明显。针对非球形棒状颗粒本身的形貌特征和近壁面剪切流产生的曳力增强,使用最小二乘法拟合得到了不同颗粒近壁面气动曳力增强系数的表达式,可为先进反应堆中近壁面区域颗粒运动特性的研究提供基础。

自由分子流区近壁蒸发及未蒸发颗粒的热泳分析

本文给出了自由分子流区作用在壁面附近蒸发及未蒸发颗粒上的热泳力的分析结果。分析中气体分子在壁面和颗粒表面处均假定为部分镜反射和部分漫反射。分析表明，作用在近壁颗粒上的热泳力不仅依赖于气体中的温度梯度，还和气体的压力以及壁面与气体温度比有关。颗粒表面的温度和镜反射分数对作用于未蒸发颗粒的热泳力没有影响，但明显影响作用于蒸发颗粒的热泳力。研究表明，近壁效应及蒸发对颗粒热泳的附加影响是不容忽视的。

热横向射流近壁区的温度变化研究

当热射流垂直入射至主流中时 ,在宽广的射流与主流流速比 ( 0 0 1～ 1 50 )下 ,测量了 3个不同区域内近壁区流体的温度随流速比变化的情况 .通过实验发现 ,横向射流的流动形式复杂 ,不同区域近壁区流体的温度随流速比变化的情况不尽相同 .在射流下游区 ,当流速比大于 0 4 0以后 ,射流核心区已基本离开近壁处 .在射流管出口处 ,低流速比时射流出口温度分布极不均匀 .在射流管内 ,低流速比时存在有紊动区 ,当流速比大于 0 0 5以后 。

固液搅拌槽内近壁区液相速度研究

在直径 4 76mm的固液搅拌槽内 ,采用自行研制的双电导电极探头对搅拌槽内距壁 0 4mm的近壁区液相速度进行了测定。平均固相体积分数v 从 1 0 %至 5 4%。实验结果表明 :固体颗粒离底悬浮最小液相速度与固液的物理性质有关 ,而与实验的操作条件无关 ;液相速度和搅拌转速在近壁上流区成正比关系 ,而在槽底区不成正比关系 ;临界均匀悬浮时 ,近壁上流区液相速度不随固相体积分数变化 ;

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.

近壁湍流脉动的概率分布函数

采用大涡模拟方法,模拟槽道湍流,获得了不同雷诺数情形下的槽道流大涡模拟数据库.在此基础上,获得了流向和垂向脉动速度的概率分布函数,并运用假设检验,分析了其与正态分布的定量差别.进一步计算了流向和垂向脉动速度的偏斜度、平坦度,讨论了二者在粘性子层、过渡区和对数律区的变化.同时,讨论了粘性子层、过渡区和对数律区流向和垂向脉动速度概率分布函数的特点及其与湍流猝发的高速流下扫和低速流喷发事件的关系.最后,分析了雷诺数对流向、垂向脉动速度分布的影响.

条纹沟槽表面近壁区流场数值计算

通过对沟槽表面特殊流场的数值模拟研究,探讨了条纹沟槽表面存在减阻效果的内在原因。在数值模拟过程中,针对沟槽表面流场的特点,对其计算域、计算网格及其流动参数进行了合理化的处理。模拟结果结果表明,条纹沟槽对流场的影响仅限于近壁区,同时条纹沟槽的存在使得沟槽内部具有较好的减阻作用。所开展的研究,对深入揭示条纹沟槽潜在的减阻机理具有一定的意义。

可吸入颗粒物近壁运动的直接数值模拟

本文采用湍流直接数值模拟方法对近壁面附近直径为1,10,:100 μm的颗粒运动进行了研究。采用分布投影法进行N—S方程的求解,时间推进采用3阶Runge-Kutta法,方程空间离散采用高阶差分格式进行。数值模拟准确再现了近壁面附近的湍流流动特征,以及可吸入颗粒的运动行为。模拟出颗粒在壁面附近的聚集现象,以及不同尺寸颗粒的分布情况,为进一步研究可吸入颗粒控制技术奠定基础。

水下条纹沟槽表面近壁区流场的数值分析

近年来对于水下条纹沟槽表面减阻的研究多集中在试验方面,理论分析和数值计算进行的却不多。而由于受实验条件的限制,条纹沟槽表面减阻的微观机理也一直没有搞清楚。本文正是通过理论方面的分析和计算来进一步揭示条纹沟槽表面的微观流场。首先基于“第二涡群”论对条纹沟槽表面流场的减阻特性进行了理论分析,阐述了其减阻机理;在此基础上采用B-L两层代数模型,建立了条纹沟槽表面水下流场的简化数学模型;并利用有限差分法对近壁区流场进行了数值计算,首次通过理论计算的方法获得了条纹沟槽表面水下微观流场的速度分布;为以后进一步从理论和实验上研究条纹沟槽减阻特性奠定了重要的基础。

速度梯度、近壁效应和Re数对压力探针测量误差的影响

通过模拟实验研究，分析了速度梯度、近壁效应和Ｒｅ数对几种叶轮机流场测量用压力探针测量误差的影响。实验结果表明，横向梯度能引起偏转角测量误差；纵向梯度能引起俯仰角测量误差；梯度使气流方向测量值向负梯度方向偏转。圆柱探针和锥形多孔探针相比，气流方向测量误差对速度梯度更敏感，纵向梯度对俯仰角测量值的影响尤其大。速度梯度一般使静压测量值偏小，使总压测量值偏高。纵向速度梯度对圆柱探针的静压测量值的影响规律例外，正速度梯度引起大的静压正误差，负速度梯度引起大的静压负误差。圆柱探针比锥形多孔探针近壁效应严重。近壁引起测出的气流方向偏离壁面。近壁一般使静压测量值偏小，但圆柱探针头部近叶轮机机匣时静压值反而偏高。近壁对总压测量影响不大。速度梯度和近壁对测量误差的影响还与来流方向有关。低Ｒｅ数使静压测量值偏大，几何形状不同的探针Ｒｅ数的影响范围不同。

纵向涡对近壁湍流影响的激光测试

用激光测试方法详细地研究了单涡、上洗双涡、下洗双涡对近壁湍流的影响．在涡的下洗区，流体流速高，湍流度低，流体流向壁面；在涡的上洗区，流体流速低，湍流度高。

基于柴油机微粒沉降的脉动湍流管流内近壁流场特性

根据湍流管流中柴油机微粒热泳沉降和湍流脉动沉降研究的需要,对脉动排气时排气管内近壁流场的分布特征、影响因素以及变化规律等进行了研究;分析了脉动排气时气流速度的脉动振幅和脉动频率对管内近壁处温度场和湍动能场的影响.研究结果表明,与稳态排气流动相比,脉动排气时近壁流场的分布和变化特征有很大不同,从而会对微粒的热泳沉降和湍流脉动沉降产生很大的影响.

近壁模型高分子链的计算机模拟

采用简立方格点上的普通无规行走 (NRW)和自避行走 (SAW )为模型链 ,研究了不可穿透的刚性壁附近高分子的构象性质 ,得出近壁链的构象熵和尺寸随一端点与壁之间距离z0 的变化 .所用的计算机模拟技术包括精确计数和MonteCarlo模拟 .数值结果表明 ,近壁链的构象熵降低遵循一种简单规律 ,即当链长愈长或一端愈接近于壁时 ,与长度相同的自由链相比 ,链因壁限制所致构象熵的降低愈大 .当链十分接近于壁时 ,其均方末端距〈R2 〉(尤其是与壁垂直的分量〈R2z〉)大于自由链的相应值 ;随z0 增大 ,〈R2 〉及〈R2z〉开始减小 ,通过某一极小值 ,然后上升 ;当z0 →∞时 ,趋于自由链的极限值 .换言之 。

近壁圆柱绕流积沙线的形成机理研究

应用粒子图像测速(PIV)系统进行近壁圆柱绕流实验,探讨壁面积沙现象的机理.分别在两个动量损失厚度雷诺数1092和796下,对两个不同直径的圆柱,取间隙比(圆柱与壁面间的距离与圆柱直径之比)0到1.5中的12个值进行实验,总结了不同情况下积沙线的形成特点.研究结果表明:积沙线形成的可能原因是由于圆柱对平板壁面边界层的影响,使得边界层流动在圆柱下游一到两倍圆柱直径的平板壁面处发生壁面分离,在分离区域流体速度减小,并且产生附着涡,流体运动挟带到此处的粒子速度减小,发生沉积而形成.

自驱动Janus微球近壁运动特性实验与数值模拟研究

自驱动Janus微球是形状规则但表面构成不同的特殊活性颗粒.针对微米级Pt-Si O2型Janus微球近壁面自驱动现象,实验测得了微球的自驱动速度Janus,并观察到微球运动过程中与垂直方向存在一偏转仰角φ,且φ角随H2O2溶液浓度的增大呈减小趋势.在此基础上,建立自驱动Janus微球的数值模型,通过模拟得到了微球在不同浓度H2O2溶液中的偏转仰角φ及距底面的高度,模拟与实验一致.利用这些数据进一步讨论了壁面效应对微球旋转特征时间R的影响.这一工作对于理解Janus微球的运动机理及发展相关应用具有重要意义.

工程机械用散热器数值模拟中近壁处理方法影响分析

建立了包含空气流域与冷却水流域的某波纹型板翅式散热器的双流域模型,采用标准壁面函数与近壁模型两种近壁处理方法进行数值模拟。所得计算结果均经过试验数据验证。采用标准壁面函数获得的空气进出口温差与压降误差分别为-11.87%和-9.16%,采用近壁模型获得的空气进出口温差与压降误差分别为1.08%和1.31%,均可以满足一般的工程要求。研究结果表明:在相同边界条件下,选择不同近壁处理方法,所得计算结果有一定的差别,主要差别发生在尖端与凹角处等流体流动状态发生剧烈变化的位置。采用近壁模型法得到的仿真结果更接近试验值,在近壁区的分辨率更高,能够更准确地预测散热器的流动与换热特性,而对于计算机资源要求也更高。