方形粒子沉降运动特性的研究

为了对方形粒子在二维垂直通道中的沉降运动特性进行研究,应用了拉格朗日乘子/虚拟区域方法对不同初始取向角、不同长宽比情况下方形粒子的沉降运动进行了直接数值模拟.结果表明,在所模拟的雷诺数下,方形粒子在二维通道中自由沉降的平衡位置为通道的中心线,粒子在沉降的初始阶段存在横向漂移.粒子的初始取向角和长宽比对其沉降过程有较大影响.初始取向角和长宽比增大,则粒子的横向漂移以及取向角、侧向漂移速度和转动角速度的振荡幅度都增大;同时随着长宽比的增大,粒子的沉降速度相应减小.     

基础长宽比对压缩层深度的影响

目的 合理确定压缩层深度，提高地基沉降计算精度．方法 通过对现有实测资料的分析，对应力比法、变形比法、经验公式、何颐华法等4种方法在计算精度上进行了评价．基于土的连结强度。研究基础长宽比对基底附加应力和压缩层深度的影响．结果 附加应力随深度发展逐渐减小，长宽比小的附加应力减小的速率快；基础长宽比不同。压缩层计算深度不同．在定义单向和双向筏板的基础上，提出根据基础长宽比不同，应采用不同的方法计算压缩层深度．结论 当基础长宽相近时，采用何颐华法计算压缩层厚度；而当基础长宽比较大时，按经验公式计算．算例表明，根据基础长宽比，按照不同计算公式计算压缩层深度进而计算基础沉降，其结果有很大的不同。     

氧化铝纳米流体在车用热交换器中的试验研究

研究纳米流体在车用热交换器中的强化传热效果,测试不同纳米粒子体积分数的氧化铝纳米流体在板翅式机油冷却器中的传热和流动特性,并与水、防冻液（乙二醇）及纳米流体基础液体进行对比.试验结果表明,在同一热交换器中,纳米流体的传热系数明显高于其他3种液体.当冷、热侧介质温度为90和120 ℃时,纳米粒子体积分数为5%的纳米流体的传热系数分别比水、乙二醇和基础液体提高6.52%、18.88%和24.62%;当冷、热侧介质温度为120和135 ℃时,体积分数为5%的纳米流体的传热系数比体积分数为1%的纳米流体提高104.72%.在试验条件下,热交换器的换热量随纳米粒子体积分数的增大而增大,但流动阻力并未明显增加,初步证明了纳米流体应用于车用热交换器的可行性.     

气固流化床中粗粒的沉降行为

利用磁必示踪粒子对粗粒在流化床中的沉降行为进行了实验研究,结果表明：不同物性示踪球呈现不同的沉降行为;高密度、大粒度示踪球基本按照其自身密度和粒度沉降。随着示踪球密度或粒度的减小,示踪球的沉降速度与其密度和粒度不再具有确定的大小对应关系;与床层密度接近的示踪球先是在床怪上部往复振荡运动,经过一段时间后,下浇至床底。示踪球的不同沉降特性可由示踪球在流化床中的受力和流化粒子自身的运动加以合理解释。     

黄河包头画匠营子取水工程泥沙预沉试验研究

通过静态沉降试验对黄河水体泥沙的沉降特性进行了研究，得到了不同原型沙样的沉降曲线，确定了不同含沙量时的沉降速度和沉降历时，为预沉池的设计提供设计参数。     

方形波浪中船舶运动特性及安全航行策略

为了研究船舶在多向波与单向波中运动响应的差异性,基于计算流体动力学(CFD)方法和流体体积法（VOF）造波技术建立方形波浪的数值模拟方法. 采用动量源方法和强迫波力进行波浪叠加模拟方形波浪,采用重叠网格技术和动态流体物体相互作用（DFBI）模块研究S175船型在不同参数方形波浪中的运动响应,并将船舶在双向波浪和单向波浪中的运动响应进行对比分析,探究船舶在方形波浪场中不同航线下的运动特性. 研究表明,在大部分工况下,方形波浪中的船舶运动响应及甲板上浪较单向波浪中的大幅增加,其中船舶在方形波浪中出现明显的横摇运动,但合理选择航行路线可以使得船体运动及甲板上浪显著降低,从而提高船舶在方形波浪中的航行安全性, 为船舶遭遇方形波浪时的安全航行提供建议.     

随机取向沙尘气溶胶激光雷达线退偏比特性研究

利用离散偶极子近似法,数值计算分析了随机取向旋转椭球体沙尘气溶胶粒子在尺度参数为0.1～23时(波长0.55μm对应有效半径为0.01～2μm)的激光雷达线退偏比特性,通过比较其不同旋转椭球体轴半径比下的差别,研究了粒子非球形性程度对单分散和多分散沙尘气溶胶激光雷达线退偏比特性的影响.单分散旋转椭球体沙尘气溶胶的激光雷达线退偏比对粒子的轴半径比和尺度参数有很强的依赖性;对于长旋转椭球体,沙尘激光雷达线退偏比较小值出现在瑞利散射区,而较大的值出现在米散射区;对于扁旋转椭球体,在米散射区较大沙尘粒子也可以产生较小的激光雷达线退偏比,例如,轴半径比为1/16,尺度参数为3时的沙尘激光雷达线退偏比仅为0.1%.就随机取向旋转椭球体沙尘粒子而言,对于单分散系,仅当尺度参数小于0.5时,非球形特征越明显,其激光雷达线退偏比越大;而对多分散系,非球形特征越明显,其激光雷达线退偏比越大.     

石棉的流态化选矿研究

本文提出了用流态化方法来分选石棉,并认为石棉的流态化选矿是根据石棉纤维和脉石之间的干涉沉降速度的差异进行的。在相同的空隙度时,干涉沉降速度小的纤维随上升流体进入溢流产品中,而干涉沉降速度大的脉石则逆上升流体向下排入尾矿。根据这一分选原理,本文提出了石棉流态化选矿的物理模型,并依据流体力学的原理,建立了物料和流体在分选管内各个区域中运动的数学解析式。通过求解流体的运动方程,得到了无限长圆柱体的沉降末速方程,再借助于试验建立了石棉纤维的自由沉降末速方程。通过试验本文还研究了纤维和脉石颗粒的空隙度指数n值和分选等问题。分选试验不但验证了本文提出的流态化分选原理,而且分选的较好结果还表明用流态化分选石棉是今后石棉选矿的发展方向之一。本文的理论分析和试验结果还得出了三点新的结论:(1)粗细均匀和质量均匀的圆柱形纤维在作自由沉降时,无论初始时它以何种形式在静水中下沉,最后总是取其受流体阻力最大的方向——即平行于水面的形式稳定地下沉。(2)长径比1/d≥15的圆柱纤维在作自由沉降时,由于流体从柱体两边的绕流阻力对纤维沉降末速的影响远远大于它从柱体两端的绕流的影响,所以纤维的长度不再影响它的沉降末速,决定纤维自由沉降末速大小的因素是纤维的直径、密度和流体的粘度、密度。本文所建立的圆柱纤维的自由沉降末速方程适合于计算雷诺数Re=1～17.601,长径比1/d≥15时各种材料的圆柱纤维在各种流体中的自由沉降末速。(3)圆柱纤维在自由沉降时是以水平状态下沉,在干涉沉降时由于纤维间的相互碰撞而倾斜下沉。基于纤维在流体中倾斜下沉时所受到的流体阻力小于水平下沉时的阻力,所以纤维的干涉沉降速度大于其自由沉降末速,它们的空隙度指数为负值。     

拉伸作用下薄膜褶皱影响因素数值分析

薄膜因其轻质，折叠体积小以及良好的力学性能等优点，在航空航天领域扮演着很重要的角色。薄膜属于柔性材料，由于其厚度小，抗弯刚度小的特点，在外部载荷较大时极易出现局部屈曲现象，从而产生褶皱。褶皱是影响空间薄膜结构性能的重要因素之一，因此研究薄膜褶皱特性及其抑制对薄膜结构在空间等领域的应用至关重要。本文主要研究薄膜的结构参数以及边界条件对薄膜褶皱特性的影响。针对拉伸作用下的方形薄膜结构，采用显式动力法对该结构进行了褶皱仿真分析，并将其仿真结果与理论计算结果进行对比，验证了仿真模型和分析结果的正确性。为了探究拉力作用下褶皱特性的变化规律，以方形薄膜为研究对象，分析了薄膜长宽比、内角、夹持宽度等结构参数以及边索结构对褶皱特性以及变形的影响规律。结果表明，当薄膜长宽比由1.0增加至1.5时，薄膜的面外变形增大，且褶皱分布区域扩大。当薄膜中内角小于75°时，褶皱主要分布于薄膜两边夹角为锐角的角区域。此外，增大薄膜夹持宽度和增加边索结构均可有效抑制褶皱的发生。为了对分析结果进行进一步的验证，进行了不同夹持宽度下的褶皱测试，通过褶皱数量和幅值变化的趋势分析，及与仿真结果的对比，可以证明仿真模型的正确性，为薄膜结构的张拉分析提供了一定的理论依据。     

堵口土工包沉落试验研究

对抢险土工包这种新型的抢险堵口材料进行了抛掷沉降运动的概化模拟试验研究 ,建立了土工包沉降速度的计算模式 .针对黄河一般的堵口水流特点及现实施工条件 ,根据设计水流条件和土工包的几何、材料特性 ,进行了不同条件、多组次的水槽概化试验 .通过试验观察与实测资料整理 ,分析了土工包沉降力学机理、落地稳定性及偏移运动过程 ;给出了不同条件下的土工包沉落速度、横向偏移量以及用于土工包沉降计算的有关参数 .水槽概化模拟试验中得出的有关数据 ,可供土工包抢险设计、施工预案时参考     

喷动流化床中杆状颗粒混合特性的CFD-DEM模拟

采用计算流体力学-离散单元法（CFD-DEM）模型对杆状颗粒在喷动流化床中的流动及混合行为进行数值模拟研究,其中杆状颗粒采用超椭球模型进行描述. 通过模拟结果,考察流化气速、喷动气速和颗粒形状对流动与混合的影响. 结果表明,杆状颗粒在喷动流化床中的流动具有典型喷动床的喷动特性;提高喷动气速与流化气速均有助于颗粒混合,且流化气速对流动与混合的影响大于喷动气速. 颗粒形状主要通过颗粒互锁与颗粒长轴取向一致性这2个因素影响颗粒混合,提出较简单的方法用以量化颗粒长轴取向的一致性. 在上述2个因素的作用下,当杆状颗粒长径比较小时,增加长径比会抑制颗粒混合;当长径比较大时,增加长径比会促进颗粒混合.     

颗粒物在矩形管道内流动的PIV实验研究

对水平管道内颗粒物运动规律进行研究。应用粒子图像测速（PIV）技术,在不同的气体流量下,对矩形管道在两种不同结构下的气固两相流的流动情况进行了测量,得到了平直通道和带肋通道中气体及固体颗粒的时均速度场,并分析比较了管道结构及气体流量对速度和粒子沉积的影响,发现加肋有助于粒子的沉积,且使通道内流动状态发生了较大改变。对深入了解管道内气固两相流动状况及数值模拟结果的评价提供了参考。     

入口形状对旋风分离器性能的影响

为了研究入口形状对旋风分离器性能的影响,采用计算流体力学(CFD)软件对旋风分离器的压力场和颗粒的分离情况进行考察。研究结果表明:入口形状会显著影响旋风分离器的压降,在圆形、矩形、三角形和等腰梯形几种不同的入口形式中,长宽比为2的矩形入口压降最大,长宽比为1.5的矩形入口的压降最低;对于矩形入口,随着长宽比的增大,压降是先降低再升高;入口形状对粒径大于2.5μm粒子的分级效率影响不大,当粒径小于2.5μm时,圆形入口的分离效率最差,梯形入口的分离效率最好;梯形入口会改善旋风分离器顶部流场和灰斗附近流场,使颗粒运行平稳,分离效率较高。     

礁灰岩裂缝充填超轻颗粒用携砂液技术研究

针对礁灰岩储层在裂缝中充填超轻颗粒的携砂液技术需求,以过滤海水为基液,以助排、分散一体剂为主剂,研究了一套携砂液体系。当携砂液体系的表面张力为24.31 mN/m、界面张力为0.122 mN/m时,具有较好的助排能力,且超轻颗粒在携砂液中分散良好。沉降速度与普通陶粒相比从0.58 cm/s降低至0.35 cm/s,对超轻颗粒具有较好的悬砂效果,砂比为10%~50%的超轻颗粒在搅拌下可有效悬浮,静置后在270~470 s可沉降。研究的携砂液体系可满足超轻颗粒在裂缝中携带和充填的需求。     

耗散粒子动力学的一种新的固体壁面边界条件

由于耗散粒子动力学（DPD）粒子间是软势作用,很难施加无滑移的固体壁面边界,为此提出一种新的固体壁面边界条件,该方法是通过给壁面粒子赋予相对流体粒子的虚拟速度,但壁面粒子不能移动,虚拟速度用于计算壁面粒子对流体粒子的耗散力,进而增大流体粒子的耗散阻力,实现壁面无滑移条件.利用新的边界模型模拟了微通道内的Poiseuille流动,得到的微通道内的速度分布曲线表明,该模型实现了壁面无滑移条件;得到的密度和温度分布曲线显示,壁面附近密度波动很小,但当壁面粒子密度大于8.0时,壁面附近流体粒子密度波动较大.模拟结果与Navier-Stokes方程理论解吻合很好,进一步验证了新边界的可行性和DPD程序的正确性.     

Analysis of solid particle clusters in coherent structures of turbulent channel flow

A particle-laden turbulent channel flow is investigated to study particle clusters in large-scale turbulent coherent structures.The fluid phase is calculated by large eddy simulation and particles are tracked using Lagrangian trajectory method.The flow Reynolds number is 180 based on the friction velocity and half-width of the channel.The particle is lycopodium with St=0.93which may well follow the fluid phase.The mean and fluctuating velocities of both two phases are obtained,which are in good agreement with previous data.The strongest accumulations of particles in low-speed streak structures are observed at y+=11.3.Moreover,once particles are captured in low-speed streaks,most of them will reside there for a long period.Particles clustered in low-speed streaks obtain smaller instantaneous wall-normal and spanwise velocities than those out of there,which induce a larger particle flux into low-speed streaks than that out of there.The study is important for understanding particle dispersion mechanisms in gas-particle turbulent channel flows.     

窄深矩形断面明渠流速分布的研究

建立了一个三维紊流数学模型,对实际灌区中的窄深矩形断面明渠水流的流速分布进行了数值模拟.计算结果与实测结果符合得较好,表明数学模型及参数是合理可靠的. 运用该模型,对2种底坡、2种糙率以及3种宽深比组合情况下的窄深矩形断面明渠水流的流速分布进行了数值模拟,得出了窄深矩形断面明渠垂线流速分布律和垂线平均流速横向分布律,并应用实测资料验证了上述流速分布律. 结果表明,在明渠底部内区流速分布能很好地符合对数分布律,但在明渠外区流速分布则符合抛物线分布,垂线平均流速沿横向的分布接近于幂函数分布,给出的断面流速分布经验公式具有很好的精度.     

壁湍流中喷发和扫掠对颗粒离散的影响

近壁湍流中的拟序结构：喷发（ejection）和扫掠（sweep）,对壁附近颗粒的扩散输运起着重要作用。本文首先采用直接数值模拟（DNS）方法得到槽道湍流（雷诺数Rer=Uδ／v＝80）的速度场,然后追踪颗粒群中每个颗粒的轨迹,最后详细分析喷发／扫掠事件对颗粒群离散行为的统计特征。模拟结果表明,流向和展向的粒子离散,在扩散初期来自于扫掠事件中的粒子离散大于来自于喷发事件中的粒子离散。当扩散时间超过数倍拉格朗日积分尺度后,开始时刻处于喷发或扫掠的粒子运动规律没有明显的不同,也就是说这些粒子几乎已经失去初始记忆。     

Parallel computing strategy for the simulation of particulate flows with immersed boundary method

A parallel computing strategy for the simulation of particulate flows with immersed boundary technique is proposed. This strategy can deal with the coupling between fluid and particle easily when particle crosses the boundaries of sub-domains which are decomposed from original computational domain. And a two-dimensional circular particle settling in a closed rectangular domain is simulated with the parallel technique and immersed boundary method to validate the parallel efficiency. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 50506027, 50736006, and 50776080)