CFD在微流控生物芯片设计中的应用

计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)是一种以计算机技术模拟手段为基础,对涉及流体流动、传热及相关现象进行分析的一种数值模拟方法.特别是它能预测微流控生物芯片内部的流体流动和传质现象,并能提供可视化结果,近来常用于辅助生物芯片的设计和性能优化.从Navier-Stokes方程组出发,阐述了CFD的原理、方法和特点,并通过对毛细管电泳芯片的建模与仿真,分析了它在微流控生物芯片设计中的应用和重要作用.     

采用计算流体力学数值模拟的比例积分控制器

为解决流体力学试验中控制器设计耗时与成本高等问题,提出一种基于计算流体力学(CFD)的控制器设计新方法.该方法利用CFD软件FLUENT模拟被控对象,以用户自定义函数(UDF)完成控制算法,实现了基于CFD的闭环控制,并以冷热水混合器内部温度场的非线性控制系统为例,设计了基于CFD的比例积分(PI)控制器.结果表明,该方法无需进行物理试验即可获得被控系统的控制特性.且利用CFD技术进行控制器设计并不局限于系统某一控制点的研究,可以同时获得系统整场内各点特性,进行分布式的控制器设计.为涉及流体流动、热传导等过程的控制系统提供一种控制器设计的参考思路.     

提高弯头下游均速管流量传感器测量精度的研究

当均速管流量传感器安装在弯头下游时,由于流体流动为非充分发展湍流,会增大其流量测量的误差.为提高流量测量精度,提出了在90°弯头下游安装流动调整器改善速度分布对称性,减小测量误差的方法.采用计算流体力学(CFD)仿真分析与实流实验相结合的方法,基于NEL流动调整器,设计出了改进型的流动调整器结构.经仿真和实验验证,安装改进的流动调整器后,均速管流量传感器的线性度误差减小到了0.176%.流动机理分析发现,上游流体速度剖面对称性是影响传感器误差的关键因素.数据表明,CFD仿真预测线性度误差的偏差小于0.056%.     

基于图卷积循环网络的非定常周期性流体流动预测

基于纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程的计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）数值模拟是研究非定常周期性流体流动问题的常用方法之一,但其计算需占用大量时间。针对N-S方程求解CFD过程费时的问题,本文提出一种基于图卷积循环网络的非定常周期性流体流动预测框架,实现流体流动状态的快速预测。文中输入历史流体流动数据,通过图卷积循环网络学习非定常周期性流体流动的物理过程,预测流场变量分布。结果表明,基于图卷积循环网络的预测模型可以准确预测流体力学规律,其在流速、涡旋、压力等流场变量预测方面均具有较好表现。相比于传统N-S方程求解方法,采用图卷积循环网络预测速度提高了5倍以上,为流场变量的预测提供了一种新方法。     

RH真空精炼循环流动流场结构的数值模拟

为研究RH真空脱气过程中的流动行为,基于欧拉-欧拉两流体模型,建立了描述气泡驱动下的RH循环气-液两相流动的数学模型.采用计算流体力学(CFD)商业软件FLUENT6.0,应用所建理论模型对真空室和钢包内的流动进行了数值模拟,得到真空室内及钢包内的流动规律与实验结果基本一致.对流场结构的分析发现其中存在内部相对独立的回旋流动区域,会降低整体循环效率.RH设备的几何结构参数和充气参数的优化与匹配设计是未来改善循环流动结构、提高循环效率的关键.     

水力旋流器内部流场模拟分析与PIV验证

以直径为140mm水力旋流器作为研究对象,采用计算流体力学(CFD)技术对旋流器内部流场进行数值模拟,并对所建立的模型进行激光粒子图像测速(PIV)实验验证。基于数值模拟和实验结果,分析了旋流器内部压力、切向速度、轴向速度和径向速度的分布。利用PIV技术对旋流器内部流场进行测量,考察了不同入口速度下旋流器圆柱段区域瞬态速度场。通过对比数值计算与测试结果表明:CFD模拟可以有效预测水力旋流器内部流场分布,帮助探索旋流器内的流动状态和分离机理;利用PIV技术测量旋流器内部流动特性和速度分布,其测量结果与CFD计算结果吻合良好,验证了数值模型的准确性。     

HSX型规整填料流体力学的CFD研究

通过多尺度方法,对HSX填料进行计算流体力学(CFD)模拟,得到了局部平均液膜厚度、气液有效润湿面积及全塔压降等数据。其中,通过建立二维和三维流体体积(VOF)两相流模型,分别计算了不同气液速度对液膜厚度及有效接触面积的影响。最终模拟压降结果与实验结果吻合性较高,表明CFD可以作为设计、改良填料的有效工具。     

基于旋转弱耦合与强耦合计算方法的大型汽轮发电机转子流体场与温度场研究

针对大型空冷汽轮发电机转子旋转状态下,转子内部流体流量和转子线圈温度难以准确测量的问题,对转子内部流体流动规律和温度分布进行了流体场和温度场研究.以一台100MW空冷汽轮发电机为例,建立了三维流体与传热耦合计算模型.基于旋转弱耦合与旋转强耦合两种有限元计算方法,对该发电机的转子进行流体场和温度场计算.弱耦合计算方法主要根据流体流动的伯努利方程与计算流体力学相关方程联合求解,强耦合计算方法主要通过计算旋转流体力学方程求解.研究了转子额定励磁电流,转速3 000r/min时,转子内部通风道流体温度与转子绕组温度的相互关系.并将两种计算方法对同一转子的流体流量和线圈温升结果做了对比分析,最后将两种计算方法所得的转子线圈温度计算结果与试验实测结果对比.结果表明:弱耦合计算方法与实测值误差为4.6%,强耦合计算方法与实测值误差为2.6%,两种计算方法均能满足工程计算的误差要求,旋转强耦合计算方法计算精度高于旋转弱耦合计算方法.     

冷热水混合器出水温度控制系统参数估计方法

采用基于计算流体力学（CFD）的系统辨识方法,对冷热水混合器出水温度控制系统进行了建模。结合CFD技术与系统辨识理论,将递推参数估计算法嵌入CFD数值模拟软件FLUENT中。实现了基于CFD的“虚拟”控制系统的在线参数估计．结果表明：该方法利用CFD模拟被控对象,不受物理实验限制,可以有效地估计控制系统参数;用计算模拟时间步长决定采样时间,而数值模拟实际计算时间对参数估计的实时性没有影响,即参数估计相对于被模拟的控制对象永远是实时的;特别是针对流体流动过程的系统建模,该方法是一种可行的选择．     

贯流风机结构参数及工作特性的关联

利用计算流体力学方法对贯流风机内部气体流动进行了数值模拟，研究了贯流风机的流动状态和结构参数变化对其产生的影响．分析了蜗舌间隙、进口角、蜗壳间隙、蜗舌位置角、出口角变化与贯流风机进、出口流速间的关系，从中寻找出结构参数变化对贯流风机流场影响的规律．通过计算分析，确定了不同工况下贯流风机进、出口角的最佳范围以及最佳蜗舌间隙的选取方法．将模拟计算结果与实验结果进行了比较．结果表明，数值模拟的结果与实验结果基本吻合．