涡流管内三维强旋转流场数值模拟与分析

涡流管内可压缩气体的强旋转流动是涡流管能量分离的根本原因和驱动力,因而涡流管内流场研究是揭示涡流管能量分离物理机制的首要关键问题。由于涡流管内可压缩气体的三维强旋转湍流流动,实验测量中存在诸多问题,而CFD数值模拟技术对此具有很大的优势。文中以涡流管内部流场为研究对象,建立了涡流管计算域模型并进行网格划分,讨论了边界条件、湍流模型以及线性方程组求解策略等问题,对不同冷气流率下的涡流管内三维强旋流流场结构特性进行数值模拟,获得了不同冷气流率下的旋转运动、轴向运动、径向运动和循环流的分布特性。研究表明Realizableκ-ε湍流模型能够充分反映强旋流动特点,数值模拟结果与文献中实验值基本吻合。     

两相湍流统一色噪声法概率密度函数模型

统一色噪声近似方法对简单一维色噪声问题研究较为充分, 本文将统一色噪声法应用到高度复杂的多维气固两相湍流系统之中.首先从颗粒运动Langevin方程出发, 利用统一色噪声法获得两相湍流Fokker-Planck方程, 然后以此为基础建立颗粒轨道两阶矩模型.文中建立的新模型成功应用于后台阶两相湍流流场的数值模拟, 预报合理正确.研究表明, 对于多维两相湍流系统, 统一色噪声法仍然行之有效.     

颗粒Reynolds正应力轨道模型及后台阶两相流动数值模拟

用随机过程理论建立气固两相耦合脉动量Lagrange方程,并建立了气固两相流随机颗粒轨道模型中颗粒Reynolds正应力的Lagrange方程.将新的模型运用于各向同性的湍流衰减的流场中,模拟颗粒的湍流扩散特性,与文[1]中的模型和实验结果作比较,并使用新模型模拟了后台阶两相流动.     

二维球流运动特性实验中的界面分析法

本文根据相似准则的原理建立高温气冷堆二维堆芯的球流运动试验系统,并提出了二维球流运动中界面分析的定量的实验方法,介绍了界面分析法的理论依据以及在球流内部流场研究和界面特征分析中的操作方法和过程,并且进行了不同加球比例的实验,对得到的相应的均值流线,轴向速度,径向速度,合速度,速度矢量的分布以及球流运动的特性等球流二维流动特性进行了分析,并和标志球法的结果进行了比较。     

壁面局部吹吸边界层感受性的数值研究

目前理论、实验以及数值模拟主要研究自由来流中的小扰动与壁面局部粗糙相互作用激发边界层感受性问题. 但是, 针对自由来流湍流与壁面局部吹吸相互作用诱导边界层感受性的相关报道甚少. 本文采用直接数值模拟和快速傅里叶变换的方法, 数值研究了二维平板壁面具有局部吹吸的边界层感受性问题. 结果发现, 在二维边界层内能找到一组被激发产生的Tollmien-Schlichting(T-S)波波包的包络序列以及从波包中能够分离出一组稳定的、中性的和不稳定的T-S波, 证明了二维边界层内感受性现象的存在性. 经数值计算获得了T-S波波包传播的群速度; 并建立了自由来流湍流强度、壁面局部吹吸强度和长度与二维边界层感受性之间的关系, 获得了与Dietz感受性实验相类似的结论. 另外, 还发现在自由来流湍流与壁面局部吹、吸相互作用下能诱导二维边界层内产生相位相反的T-S波. 依据这一理论机理来优化设计局部吹吸装置, 不但能促使层流向湍流转捩的提前, 也可以延迟转捩过程的发生, 达到控制湍流运动的目的.     

有旋和无旋气固两相湍流的不同结构

了解有旋和无旋突扩气粒两相详细湍流结构对控制燃料-空气混合、火焰稳定以及燃烧污染物生成很重要.周力行等曾经对其中的两相时平均流场和湍流特性进行过雷诺平均的RANS模拟和测量的研究,但是BANS模拟不能给出详细的两相湍流的瞬态结构.本文建立了二阶矩两相亚网格尺度应力模型,对有旋和无旋同轴突扩气粒两相流动进行了双流体大涡模...     

湍流模型在内流流场数值模拟中的应用

本文将Spalart-Allmaras湍流模型方程推导为守恒形式,并应用于内流湍流流场计算.采用此-方程湍流模型分别对扩压器流场以及NASA 67转子流场进行了数值模拟.结果表明常用在外流计算中的Spalart-Allmaras湍流模型在内流计算中仍具有较高的精度、数值稳定性和效率.     

颗粒增强湍流的新模型和气粒流动的湍流变动

用雷诺应力方程模型和极细的网格系对单个颗粒受湍流气体绕流进行了数值模拟,研究了改变颗粒直径和气体相对速度时颗粒增强气体湍流的规律.据此构造了颗粒尾涡增强气体湍流的新模型.将此子模型加入到两相流动模型中,对竖直和水平通道内气粒两相流动进行了数值模拟,和实验结果的对照表明,考虑颗粒尾涡增强气体湍流效应得到的气体湍流脉动速度的模拟结果比不考虑此效应的模拟结果好得多.     

不同亚格子模型的对比分析及其运用

本文基于大涡模拟方法,对比讨论了四种不同亚格子模型的计算原理和仿真特性,并对等离子体激励下的凸包流场进行了研究,结果表明:WALE模型和KET模型的仿真结果比较准确;Smagorinsky-Lilly模型耗散偏大且模型系数不具普适性,仿真准确性较差;WMLES模型存在严重的过度耗散,各流动参数的仿真结果误差很大,无法准确捕捉流动转捩的发生;等离子体激励通过向附面层流体注入能量产生等效的壁面射流,可以显著延缓凸包流动分离并促进流动再附、抑制涡的发生,从而起到降低耗散,湍流减阻的作用。     

水下气体射流初期流场的数值研究

水下气体喷射产生一个复杂的非稳态多相流场.为建立两相流场结构的预测方法,并揭示水下气体射流初期的流动演化和气水的相互作用,采用VOF两相流模型对水下气体喷射过程进行了数值模拟,分析了气体喷射形成的复杂流场结构.结果显示,在喷射初期,喷射形成的部分气泡在逆向涡流带动下向后翻卷;管口附近产生压力峰值区,该峰值快速衰减趋近于周围环境压力;射流过程中气液两相流场内形成了复杂的压缩和膨胀波以及涡旋运动.     

DSM-LPDF两相湍流模型及旋流两相流动的模拟

本文由流体－颗粒速度的拉氏联合概率密度函数（ＰＤＦ）输运方程出发,用Ｓｉｍｏｎｉｎ建议的Ｌａｎｇｅｖｉｎ模型封闭颗粒所遇到流体瞬时速度的条件期望项,并用Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ方法直接求解 ＰＤＦ输运方程,将其和求解流体雷诺应力方程模型的有限差分方法结合,建立了雷诺应力－拉氏ＰＤＦ（ＤＳＭ－ＬＰＤＦ,简称ＤＬ）两相湍流模型．用此模型模拟了旋流数为０．４７的突扩旋流气粒两相流动,并与文献中ＰＤＰＡ实验和用类似于单相流动湍流模型封闭方法的时平均统一二阶矩（ＵＳＭ）模型的预报进行了对比．     

A high accuracy flow segmentation method in crowded scenes based on streakline

Flow segmentation based on similar motion patterns in crowded scenes remains an open problem in computer vision due to inherent complexity and vast diversity found in such scenes. To solve this problem, the streakline framework based on Lagrangian fluid dynamics had been proposed recently. However, this framework computed optical flow field using conventional optical flow method (Lucas Kanade method) which has poor anti-interference performance, and serious deviation would be brought to the computation of optical flow field. Moreover, our experimental results show that using the formulation of streak flow similarity in this framework can result in incorrect flow segmentation. Therefore, we combine this framework with a high accurate variational model, and modify the corresponding formulation of streak flow similarity after analyzing the streakline framework in detail. Finally, an improved method is proposed to solve flow segmentation in crowded scenes. Experiments are done to compare these two methods and results verify the validity and accuracy of our method.     

两相湍流色噪声扩维法PDF模型及数值模拟

由颗粒运动的朗之万方程出发,对流体脉动速度采用扩维方法,得到两个不同层次的PDF输运方程.通过对颗粒运动方程求解和高斯分布假设,解决PDF方程的封闭问题,获得颗粒二阶矩模型,然后将颗粒应力方程简化成代数方程,建立代数应力模型.将对流扩散方程的有限分析法运用到求解两相流模型中,对壁面两相射流进行数值模拟,对比分析数值结果与实验结果.     

基于自回归模型的光阱中粒子运动模拟

通过分析光阱中颗粒位移信号特性, 建立描述粒子受限布朗运动过程的自回归模型, 进而提出了一种基于自回归模型的光阱中颗粒运动信号模拟的新方法. 对半径为1 μm的粒子处于光阱刚度分别为10, 20, 50 pN/μm 光阱时的位移信号进行了模拟, 得到的模拟位移信号的自相关函数与理论值相一致. 为了进一步阐明自回归模型的有效性, 在相同光阱参数下, 分别采用自回归模型与蒙特卡罗方法模拟光阱中微粒的位移信号, 采用功率谱法分别对两种模拟方法所得的微粒位移标定光阱刚度, 结果表明自回归模型方法能够取得和蒙特卡洛法相同的精度. 因此, 本文为分析光阱中粒子的随机运动提出了一种新的模拟方法, 可以用来对光阱中的噪声及特性进行分析. 关键词： 光阱 布朗运动 信号模拟 自回归模型     

基于分形多孔介质三维网络模型的非混溶两相流驱替数值模拟

提出了一个描述多孔介质孔隙尺寸分布的三维分形网络模型,利用该模型对多孔介质中的非混溶两相流驱替进行了数值模拟,研究了孔隙尺寸分布分维D_f和两相流黏滞比M对驱替前沿指进型的影响,结果表明指进型容量维数D_h随着孔隙尺寸分布分维D_f以及黏滞比M的增大而减少,并通过曲线拟合得到了它们之间的定量关系. 关键词： 多孔介质 三维网络 黏滞指进 非混溶两相流     

气粒两相流传热问题的光滑离散颗粒流体动力学方法数值模拟

在气粒两相流动问题中,颗粒间以及气体与颗粒间的传热问题不可忽略.光滑离散颗粒流体动力学(SDPH)模型作为一种新的求解气粒两相流动问题的方法,已经成功应用于模拟风沙运动等问题.在此基础上,提出了SDPH方法的热传导模型,模拟了气粒两相流动问题中的热传导过程以及颗粒蒸发过程.首先引入各相的能量方程,利用有限差分与光滑粒子流体动力学一阶导数相结合的方法,处理各相内部热传导项中的二阶导数问题,基于气粒两相间温度差及对流换热系数计算颗粒与气体间的热传导量,推导得到了含热传导模型的气粒两相流SDPH计算方程组,模拟计算了圆盘形颗粒团算例及鼓泡流化床内部热传导算例,并与双流体模型计算结果进行对比,结果基本符合;其次利用离散液滴模型中的颗粒蒸发传质传热定律计算颗粒的蒸发过程,数值模拟了颗粒射流蒸发过程,并与离散颗粒模型结果进行对比,两者符合得较好,验证了该方法的准确性及实用性.     

使用扩散模型数值模拟二维湍流气固两相流

本文从描述多维湍流气固两相流的两流体模型出发,导出了计算湍流气固两相流中固体颗粒扩散速度的计算模型,进而基于在一维流场中颗粒的终端速度是重力加速度gi的函数,提出在多维流场中颗粒相处于一个修正的加速度场g'i的作用下,该修正的加速度g'i包含了包括重力在内的各种力的作用,这些力对颗粒的加速作用与重力对颗粒的加速作用没有区别。根据这种观点,提出了用于模拟多维湍流气固两相流的改进的扩散模型。本文使用改进的扩散模型对台阶后方的气固两相流进行了数值模拟,并将数值计算结果与实验结果进行了比较,结果表明,改进的扩散模型的预报结果与实验结果符合得相当好。     

Energy law preserving C finite element schemes for phase field models in two-phase flow computations

We use the idea in [33] to develop the energy law preserving method and compute the diffusive interface (phase-field) models of Allen–Cahn and Cahn–Hilliard type, respectively, governing the motion of two-phase incompressible flows. We discretize these two models using a C⁰ finite element in space and a modified midpoint scheme in time. To increase the stability in the pressure variable we treat the divergence free condition by a penalty formulation, under which the discrete energy law can still be derived for these diffusive interface models. Through an example we demonstrate that the energy law preserving method is beneficial for computing these multi-phase flow models. We also demonstrate that when applying the energy law preserving method to the model of Cahn–Hilliard type, un-physical interfacial oscillations may occur. We examine the source of such oscillations and a remedy is presented to eliminate the oscillations. A few two-phase incompressible flow examples are computed to show the good performance of our method.     

多孔介质内两相流汽相输运分析

本文结合可视化实验技术对多孔球层内汽液两相流动作深入观察和分析。根据汽泡与多孔球层的相互作用,定义汽泡输运的临界半径并建立汽泡输运的动力学模型。在实验观察和合理假设的基础上,定量讨论了汽相流动由分散态到连续态的转变,确定了临界转变点。