含有可变形界面的两相流和传递数值模拟

化工生产过程普遍涉及两相流动.两相流的数值模拟研究发展迅猛,对深入理解动量、热量和质量传递现象具有重要的指导意义.建立两相流和传递过程的数学模型并进行数值求解,特别是准确描述相界面的变形和运动,是当今两相流数值模拟研究的重点和难点.本文围绕含有可变形界面的两相流的数值模拟研究,主要介绍了两种典型的模拟可变形界面的水平集(Level Set,LS)方法和边界元法(Boundary Element Method,BEM).本文综述了近年来界面处理算法在含有可变形界面的两相流领域中的微流体、液滴撞击和溅落、气泡聚并破碎等数值模拟研究的现状和发展趋势.最后简要描述了两相流界面间质量传递的数值模拟方法.     

基于k-ε模型的剪切流中湍流动能衰减规律研究

分别从理论推导和数值模拟的角度,分析了剪切流中湍流动能的衰减规律.通过简化湍流变量输运方程,采用Matlab求解了使用标准k-ε模型计算剪切流时湍动能在不同高度处的数值解,通过fluent数值模拟,验证了理论数值解,并与均匀流中的数值模拟结果进行对比,分析了在剪切流中入口湍流强度和湍流黏性比、来流速度梯度和输运方程扩散项等对湍流变量衰减的影响规律.结果表明:剪切流中存在湍流动能衰减;入口湍流强度对湍流变量输运方程生成项的影响较大,湍流黏性比对湍流变量输运方程生成项的影响较小;当入口湍流强度相同时,入口湍流黏性比越大,湍动能衰减的越快,来流速度梯度对湍动能衰减的影响越小;当入口湍流黏性比相同时,入口湍流强度越大,湍动能衰减的越慢,来流速度梯度对湍动能衰减的影响越大.     

相连容器中粉尘爆炸的火焰传播

采用实验和数值模拟相结合的方法对相连容器中玉米淀粉粉尘爆炸的火焰传播行为进行了研究.实验装置为通过长管相连接的两个容器,爆炸在一个容器中引发后通过管道传播到另一个容器中.采用欧拉-拉格朗日方法模拟粉尘爆炸的两相流问题,气相湍流模型采用k-ε模型,粒子燃烧模型考虑了水分蒸发、挥发分分解、气相反应和粒子的表面反应,气相湍流燃烧模型采用涡旋破碎-阿累尼乌斯模型,数值求解采用算子分裂方法和FCT格式.仿真结果揭示了火焰在长管中的加速行为,计算结果与实验结果符合得较好,表明所采用的模型可以很好地应用于粉尘爆炸火焰传播的研究.     

绕平板气液两相流数值计算方法

为探究现行多相流模型和湍流模型对通气两相流动的适应性及所体现的数理本质,选取典型的绕平板气液两相流为研究对象,通过对比不同多相流模型、湍流模型对绕平板气液两相流的数值计算结果与实验结果,建立了适用于绕平板气液两相流的数值模型。 结果表明,基于单流体理论的Mixture多相流模型忽略了流场内客观存在的气-液相界面,计算结果不能真实反映实际流动现象,与实验结果不符;Level Set方法由于考虑了气液界面的表面张力的影响,能合理反映气液界面波动的特性,可以获得和实验较为一致的计算结果;滤波器湍流模型在标准k-ε模型的基础上,通过对湍流黏性项的修正,降低了计算流场中的湍流黏度,可以更精细地描述与时间相关的气液多相复杂流动现象,进而有效提高对非定常流动计算过程的预测精度。      

采用不同湍流模型对半封闭狭缝湍流冲击射流的数值模拟

针对海洋石油工程中废弃平台切割技术的需要,采用充分发展的入口条件结合标准壁面函数,将标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型和雷诺应力模型应用于半封闭狭缝湍流冲击射流的数值模拟,采用减小网格尺寸和提高差分格式精度等措施来减小数值伪扩散对冲击射流流动的影响.结果表明:雷诺应力模型和Realizable k-ε湍流模型在湍流冲击射流的数值模拟中具有一定的优越性,Realizable k-ε模型的计算量较小;减小网格尺寸并不能降低数值黏性对计算结果的影响;提高差分格式的精度可以在一定程度上降低数值黏性对计算结果的影响,MUSCL格式并没有显著提高计算结果的精度.     

闸孔出流水气二相流三维数值模拟

采用k～ε双方程紊流模型和vOF方法追踪自由表面,对闸下出流进行了水气二相流三维数值模拟,计算结果和实验结果吻合良好,表明用此方法对闸下出流进行数值模拟是可行的.     

湿地降温增湿效应的数值模拟研究

采用数值模拟方法研究湿地对周边区域空气的降温增湿效应，建立了空气、水气的流动与扩散混合模型，描述给定空间的传热传质过程．控制方程包括连续方程、动量方程、能量方程和水气守恒方程．对每一相各自的流动，采用κ-ε双方程模型；对于两相的湍流流动，采用混合湍流模型．用FLUENT软件进行数值计算，得出给定区域的空气温度、相对湿度的空间分布．对实测案例进行了数值模拟，计算值与测定值符合良好，表明所建立的模型和计算方法可以很好地描述湿地对周边区域空气温度和湿度的影响．由等温线可以看到，低温空气的扩散在近湿地处，影响最大的区域距地面一定高度．冷空气从湿地边沿向远处及上下扩散，在温度最低区略有上升，到一定远处又下降至地面．对于相对湿度，在靠近湿地区域水气对地面附近的影响比气温影响明显，而远处水气对地面附近的影响不及气温影响大．     

水力旋流器内油水分离过程的三维数值模拟

由于计算模型的局限性,目前对水力旋流器内两相湍流的模拟计算仅限于来流分散相浓度低于10%(体积分数,下同)的情况.文中利用Fluent软件,将多相流欧拉分析方法与各向异性的雷诺应力湍流模型相结合,实现了水力旋流器内油水分离过程的三维数值模拟并预测了分离效率.该模拟可用于来流分散相浓度超过10%、湍流具有各向异性的一般广义情形,展示了油水两相由开始的均相来流逐渐在旋流器内分离、聚合、迁移的过程.实测结果验证了文中对旋流器分离性能预测的正确性.     

绕水翼超空化流动数值模拟的湍流模型评价

为深入了解湍流模型对超空化流动计算的影响,分别采用3种不同的湍流模型即标准κ-ε模型、RNGκ-ε模型和SSG雷诺应力模型,对绕水翼的超空化流动进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比.结果表明:标准κ-ε模型仅能模拟出定常状态的超空化形态;RNGκ-ε模型和SSG雷诺应力模型能较为准确地模拟出超空化区域内的两相混合非定常特性,并完整再现了空泡内部两相(气相和水气混合相)界面的反向波动过程,而采用RNGκ-ε模型计算得到的最大空泡长度与实验最为接近.     

两种不同形状旋转带对气液两相流场影响的计算流体力学模拟

利用计算流体力学软件FLUENT,以RNGk-ε湍流模型和Eulerian多相流模型对旋转带蒸馏设备内的流场进行了数值模拟.模拟考虑了旋转带的结构因素.结果表明,无开孔的旋转带在高速转动时,设备内的流体会产生界面分离现象,不利于气液两相的密切接触.而有开孔的旋转带在高速旋转时,会有效地改善流体界面的分离,而且气液两相的湍动程度更大,这些现象将有利于气液两相的传质.同时,比较了开孔位置和孔径大小对改善气液界面分离的影响.模拟结果为进一步研究旋转带蒸馏设备的结构优化和操作提供了理论依据.     

混合动力汽车用DC-DC和IPU散热结构优化

针对混合动力汽车用DC-DC和IPU的已有散热结构散热效果差,导致DC-DC和IPU在使用过程中温升高,从而影响混合动力系统的稳定性和可靠性的问题,根据传热学的质量、动量和能量守恒方程,建立DC-DC和IPU散热结构的三维非稳态散热模型,采用计算流体力学(CFD)方法,对DC-DC和IPU散热系统的流场和温度场进行数值模拟仿真分析。在此基础上,根据传热学理论设计了DC-DC和IPU散热结构的优化方案,并对优化方案的散热效果和温升进行了仿真分析与实验研究,结果表明该优化方案实现了DC-DC和IPU的良好散热,有效降低了温升,满足了混合动力汽车对DC-DC和IPU的使用要求。     

非结构网格上动能守恒的低耗散数值方法

非结构网格下的大涡模拟方法是解决叶轮机械内部复杂几何流道中强剪切湍流问题的有效途径,而降低算法的数值耗散是提高模拟精度和可靠性的关键之一。该文基于动能守恒特性推导了非结构网格下的低耗散数值方法,使其在维持格式稳定的前提下达到数值耗散最小,并在此基础上发展了与其相适应的无反射边界条件。进一步选取了5个具有代表性的基础算例进行模拟,结果表明:该文方法较传统迎风格式具有低耗散的特性且计算量减少了近75%。     

解对流-扩散方程的时空守恒元与解元法

针对一维对流-扩散方程提出了时空守恒元与解元（CE／SE）法．α-μ格式将物理相关变量和它们的空间导数看成是独立的变量,非粘性α-μ格式是中性稳定的,即没有数值损耗,而它修改的α—ε格式,可通过ε来控制数值损耗．当数值解出现间断,α-ε格式并不能防止间断附近的摆动,而α-ε—α-β格式能有效地弥补这些不足．     

对流热过程数值计算稳定性关系新探讨(Ⅰ)──耗散熵产非负定性分析

探讨性地定义了广义熵的概念;对于给定的模型方程,建立了相应的熵方程,揭示了模型方程潜在固有的耗散熵产非负定性质;提出了以该非负定性为准则,对模型方程的一般化数据格式稳定性限制条件的分析方法．针对一些典型的数值格式导出了具体的限制性条件,归纳性地显示该方法的结果为稳定性的充分条件,为耗散与数值稳定性的内在联系提供了新的理解     

一种求解时间关联型缓坡方程的数值方法

以含底摩阻能量耗散项的时间关联型缓坡方程为控制方程,建立了一种具有二阶精度的数值离散格式.该格式对时间导数使用Euler预测-校正格式离散;对空间导数使用中心差分格式离散.基于统一边界条件表达式,对边界条件进行处理.数值解与物理模型实验值吻合较好,表明数值模拟模型可以有效地模拟波面随时间和空间的变化以及波高的空间分布.     

二维粘弹介质五点八阶超紧致有限差分声波方程数值模拟

本文首次将五点八阶超紧致有限差分格式(CCD8)用于粘弹介质声波方程的数值模拟中。此文根据泰勒级数展开粘滞声波方程,建立了位移场时间二阶离散格式,将CCD8用于对位移场空间导数的求取。然后,对CCD8格式进行稳定性研究,频散的压制效果对比分析,及截断误差对比。将CCD8格式运用于均匀介质模型以及水平层状介质模型中进行数值模拟,最后运用于对Marmousi模型的数值模拟中。研究结果表明：(1)CCD8与普通八阶紧致差分相比,具有更小的截断误差、更高的模拟精度以及低数值频散的优势;(2)CCD8具有较高稳定性;(3)采用完全匹配层(PML)对人工边界进行处理后对均匀介质、含有层状介质以及Marmousi模型进行粘弹声波方程的数值模拟,发现模拟效果不错,从而验证了方法的实用性和有效。     

Rosenau-Burgers方程的一个新的差分方法

从动力学系统的实际问题出发,针对Rosenau-Burgers方程的初边值问题进行了数值研究,揭示了复杂离散动态系统理论中非线性波耗散问题. 在方程求解的时间和空间区域,采用网格化方法,提出了一个新的三层隐式差分格式,对差分解进行了先验估计,并给出了该格式的稳定性和收敛性的严格理论证明. 数值实验的结果表明,差分格式简单而有效、计算速度快、稳定性好,并且差分格式使用了加权方法,使其具有普遍意义和推广价值.     

低耗散TVD格式的构造

目的　为进一步提高双曲型方程数值解的精度,减少数值耗散,同时保证稳定性,处理有强间断的流动问题; 方法　从总变差减小（ＴＶＤ）定义出发,分析保证数值解ＴＶＤ的条件,找出满足研究目的的可能性和途径; 结果　首次提出和证明双曲型方程数值解ＴＶＤ的充分必要条件,并据此简化导出适用于时间显示格式的ＴＶＤ充分条件,并据此构造了一种低耗散ＴＶＤ 格式; 结论　进行的数值实验证明,高分辨格式可以进一步减小数值耗散,提高数值解精度;     

有限差分格式的群分类

使用现代李群的分析方法,讨论传统计算流体力学中的有限差分格式高阶项效应所对应的群结构、群分类,以及对应的群不变解问题.有助于从对称性角度理解传统计算流体力学中有限差分格式的离散差分效应。     

高阶半离散中心迎风方法的研究与应用

结合四阶Central Weighted Essentially Non-Oscillatory格式、三阶Central-Upwind格式构造了一种新的四阶半离散中心迎风差分方法求解双曲守恒律、浅水波方程及有关问题.而且由于数值粘性与时间步长无关,从而在涉及到对流扩散方程的求解时时间步长可根据稳定性需要尽可能的小.