考虑颗粒间碰撞的气固两相流拉格朗日模拟

在均匀,稳定的各向同性气固两相紊流场颗粒弥散的拉格朗日模拟计算方法基础上,进一步考虑了流场中颗粒之间的碰撞对于模拟计算结果的影响。与Lavieville用大涡模拟所做的计算结果进行了对比,以对本方法进行验证,并考察了颗粒间的碰撞分别对流体相和颗粒相的影响。     

快速颗粒流碰撞应力的动理模型

颗粒碰撞是快速颗粒流的动量传递,能量传递及耗散的主要机制。因此,碰撞应力是快速颗粒流研究的主要内容。本文基于大小均匀、光滑圆球颗粒的非弹性碰撞模型,类比气体分子动理论中的处理方法得出快速颗粒流积分形式的碰撞应力,能量传递通量及能量耗散率等关系。在颗粒速度分布函数的一级近似式符合Maxwell分布的假设下,对碰撞应力积分得出相应于Boltzmann方程二级近似解的碰撞应力表达式。在简单快速颗粒流动条件下,本文的理论结果与实验资料符合较好。     

气固两相流中颗粒碰撞的Monte-Carlo数值模拟

利用颗粒碰撞动力学模型和颗粒几何碰撞率模型,采用Monte—Carlo算法来模拟颗粒之间碰撞,把该算法与求解雷诺应力-概率密度函数模型的有限差分-Monte Carlo算法耦合起来,对轴对称突扩通道内的两相旋流场进行了数值模拟,模拟结果表明,由于颗粒碰撞使颗粒的动能和湍动能在三个坐标方向上进行了再分配,从而导致颗粒的动能和湍动能在三个坐标方向上趋于各向同性;另外,由于颗粒碰撞破坏了颗粒-颗粒、颗粒-流体微团之间的速度关联,从而造成颗粒湍动能及两相速度脉动关联的降低。     

电场作用下平面Janus 颗粒受力分析

对外加电场作用下无穷大电解质溶液中二维Janus 导电颗粒的受力特性进行研究。在量级分析的基础上,对电解质溶液电渗流动的基本方程组进行解耦,通过引入有限域确保解的存在性,进而得到圆形颗粒周围电场和流场的解析解与半解析解。基于半解析解给出颗粒所受力矩与外加电场方向角之间的变化曲线,从而得到二维Janus 圆形颗粒的平衡姿态及其稳定性特性。在此基础上,通过数值方法给出了电解质溶液中二维Janus 胶囊的受力特性,平衡姿态及其稳定性特性。     

基于碰撞模型的斜坡滚石颗粒速度预测

滑坡滚石灾害是西部山区常见的地质灾害类型,具有突发性和随机性强的特点,是山区地质灾害预测和防治工作的重点和难点.本文基于颗粒接触理论,考虑影响斜坡滚石碰撞过程中的随机因素,建立了用于预测斜坡滚石颗粒碰撞后速度的理论模型.根据冲量及冲量矩定理建立滚石颗粒碰撞基本方程,得到斜坡滚石颗粒碰撞后反弹速度的解析解.结果表明:斜坡滚石碰撞后反弹速度的解析解包含了坡角、坡体上被碰颗粒速度以及角度、入射速度和角度以及撞击角度等随机因素;当考虑入射滚石颗粒与坡体上被碰颗粒的撞击角度变化时,模型预测结果与试验结果吻合较好;本文进一步预测了滚石颗粒碰撞后颗粒反弹线速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布情况.结果显示,反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布均服从高斯分布;当坡体上被碰颗粒速度和坡角发生变化时,其对反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度概率分布定性上没有影响,但是对概率分布的中心参数有显著影响.     

基于碰撞模型的斜坡滚石颗粒速度预测

滑坡滚石灾害是西部山区常见的地质灾害类型,具有突发性和随机性强的特点,是山区地质灾害预测和防治工作的重点和难点. 本文基于颗粒接触理论,考虑影响斜坡滚石碰撞过程中的随机因素,建立了用于预测斜坡滚石颗粒碰撞后速度的理论模型. 根据冲量及冲量矩定理建立滚石颗粒碰撞基本方程,得到斜坡滚石颗粒碰撞后反弹速度的解析解. 结果表明:斜坡滚石碰撞后反弹速度的解析解包含了坡角、坡体上被碰颗粒速度以及角度、入射速度和角度以及撞击角度等随机因素;当考虑入射滚石颗粒与坡体上被碰颗粒的撞击角度变化时,模型预测结果与试验结果吻合较好;本文进一步预测了滚石颗粒碰撞后颗粒反弹线速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布情况. 结果显示,反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布均服从高斯分布;当坡体上被碰颗粒速度和坡角发生变化时,其对反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度概率分布定性上没有影响,但是对概率分布的中心参数有显著影响.      

考虑颗粒碰撞的多重Monte Carlo算法

从减少计算代价和改进碰撞算法出发, 提出了考虑颗粒碰撞的多重Monte Carlo算法, 它采用直接模拟Monte Carlo算法来考虑颗粒碰撞, 并与求解颗粒拉氏Langevin方程的Monte Carlo算法耦合起来, 跟踪比实际颗粒数目小得多的虚拟颗粒. 提出了时间步长选定标准、虚拟碰撞伙伴所在控制容积的判断准则、颗粒碰撞发生的判 断准则、虚拟碰撞伙伴的选择、基于随机碰撞角度的碰撞动力学, 构成了考虑颗粒碰撞的完整多重Monte Carlo算法. 对理想工况的细微颗粒流和粗重颗粒流进行了数值模拟, 颗粒碰撞率的模拟结果与理论分析解和DNS结果均符合很好, 颗粒场演变的细节信息, 如时间平均和特定时刻的颗粒数密度, 速度和颗粒湍动能等, 均与DNS结果符合很好. 数值模拟结果证明该算法不仅具有较低的计算代价, 而且能够达到足够的计算精度.     

球形颗粒对固体壁面附近激光诱导空化泡射流行为影响的实验研究

依托高速摄影系统,本文探析了固体壁面和单个球形颗粒附近激光诱导空化泡溃灭过程中的射流行为.在实验过程中,主要对空化泡与颗粒间的无量纲距离以及空化泡与固体壁面间的无量纲距离进行了精确控制.基于高速相机所捕捉到空化泡完整动力学过程的图片和数据,发现无量纲数α(空化泡?颗粒无量纲距离与空化泡?固体壁面无量纲距离间的比值,表征...     

颗粒聚合体碰撞破损的细观力学仿真研究

粉末和颗粒材料常常以聚合体(agglomerate,还可译成结块, 聚团等)的形式存在.无论是自然环境中还是工业处理过程中, 微小颗粒聚合体碰撞破损是一常见物理现象.近十几年来, 对颗粒聚合体碰撞研究在试验和数值模拟方面均取得了很大的进展.特别是利用颗粒离散元方法, 结合经典接触力学理论, 对微米颗粒聚合体碰撞破损的细观力学机理进行的研究, 取得了很多重要成果.基本形成了较为完善的模拟分析方法, 提出了许多新概念, 形成了目前适于分析研究的专用分析程序.本文介绍了目前国际上颗粒聚合体碰撞破损模拟研究的一般方法和理论, 总结了现有的主要研究内容及成果, 并提出一些研究展望.      

球形和方形湿颗粒团的碰撞模拟研究

本研究利用颗粒离散元方法,并结合接触力学理论,对微米级颗粒组成的湿颗粒聚合体碰撞破损的细观力学机理进行了模拟研究。模拟的颗粒聚合体分成球形和方形。将两种形状的颗粒聚合体碰撞结果做比较,颗粒之间的接触采用干、湿接触两种模型并存的方式来模拟湿颗粒团碰撞中的不可恢复变形过程。在碰撞速度保持不变的情况,考察了不同液体黏度对颗粒聚合体碰撞的影响;在液体黏度保持不变的情况,考察了不同碰撞速度对碰撞结果的影响。研究结果表明,湿颗粒团表现出了与干颗粒团完全不同的损伤模式,没有产生类似于弹性颗粒团的裂解损伤。湿颗粒团在碰撞中,它的内部液桥数量会在与平板碰撞接触的初期快速减少,然后慢慢累计,或会超过湿颗粒团在碰撞前的液桥数量。这一现象在此仿真研究中首次被发现。比如,液体黏度为50mPa·s的方形湿颗粒团以2.0m/s撞击平板时,其内部液桥数可由约9400降低至约8700后,逐渐增加至11300左右;由低黏度液体组成的湿颗粒团在碰撞后会发生反弹现象。而随着液体黏度的增加,恢复系数会趋近于0。     

RESEARCH ON THE COLLISION EFFICIENCY OF NANO-PARTICLE-TO-WALL WITH EXTERNAL ELECTRIC FIELD

着重考虑了电场作用下,壁面排斥力对颗粒-壁面碰撞效率的影响. 采用Matlab 中的龙格库塔方法,对颗粒-壁面碰撞的压缩阶段及回弹阶段的动力学方程组进行求解,并对Maxwell 速度分布进行积分获得不同速度方向下的碰撞效率. 研究表明,颗粒的碰撞效率随着碰撞角度的增加而增大,并最终达到一个临界值,即完全凝并时的碰撞效率;且颗粒的碰撞效率将因壁面排斥力的影响而减小,即壁面排斥力在一定程度上阻碍了颗粒的凝并.     

弹性湍流及其对微混合效率影响研究的若干进展

介绍和评述弹性湍流的产生及其对于微混合效率的影响等问题上的若干研究进展. 弹性湍流和惯性湍流具有类似的流场特征,但引发机理有所不同. 惯性湍流产生的原因是惯性引起的Reynolds应力,而弹性湍流则是由弹性应力所引起的. 鉴于在微流动中,惯性力可忽略不计,因此牛顿流体的混合变得十分困难. 此时可在流体中加入微量高分子聚合物以生成黏弹性流体. 由黏弹性流体所引发的弹性湍流在提高流体微混合的效率上可发挥重要作用.     

纳米颗粒在人类鼻腔中沉降率的研究

借助欧拉和拉格朗日方法数值模拟了纳米颗粒在人类鼻腔中的输运和沉降. 在采用有限体积法以及k-w湍流模型求解流场的基础上, 通过单向耦合的拉格朗日方法得出了水动力、热泳力和布朗力等综合作用下的纳米颗粒的运动轨迹以及沉降率. 研究发现, 非常微小的纳米颗粒在鼻腔内的沉降率非常高; 粒径在1~10nm的纳米颗粒在鼻腔中的沉降率从80%降至18%; 粒径在10sim150nm之间的纳米颗粒在鼻腔中的沉降率变化很小,且其值介于15%~18%之间.      

出口爆轰的外流场研究

利用内径为30mm, 长度为1000mm的爆轰管,对脉冲爆轰发动机进行研究. 爆轰管内充满氢气-氧气-氮气预混气,采用底端中心点火. 对半球形高温火团引发的氢气-氧气-氮气爆轰过程和管内、外流场分布进行轴对称数值模拟,考虑了H_2-O_2-N_2的详细化学反应动力学机理,该机理包含了19个基元反应和9种组份. 实验和计算获得的外流场阴影和数值照片,形象地描述了管外流场的变化. 数值计算结果和实验结果基本一致,根据实验和数值计算结果,详细地讨论了悬吊激波产生的动力学机理. 爆轰波溢出爆轰管后,斜压效应和Helmholtz不稳定导致涡环的产生,同时在流场中形成止于涡环的悬吊激波,涡环形状的变化又引起悬吊激波的强度、形状和位置的变化.      

ELECTRIC FIELD EFFECTS ON YOUNG＇S MOLULUS OF NANOWIRES

As an important component of nanodevices and nanomachine constructions, the mechanical performance of nanowires （NWs） has been a subject of intense research efforts due to gaining relevance in controlling functionality of nanoelectromechanical systems （NEMS）; meanwhile, one of the characteristics of the NEMS is the dependence of the functionality of the systems upon the applied electric field. The study of the electric effects on the Young＇s modulus of nanostructures is of certain usefulness in the design of NEMS and the precise measurement of mechanical properties of one-dimensional nanostructures. This paper reviews the origin of the size-dependence of the elastic property of NWs and the factors influencing the discrepancies and inconsistencies in the measured values of the Young＇s modulus for the NW, besides the surface effects, nonlinear effects, the electromechanical coupling effects as a possible effect responsible for the differences in quantitative and qualitative performance of the measured Young＇s modulus for the NWs versus the diameter are clarified.     

均匀电场中气泡上升特性的实验研究

电场中的气泡对于强化传热有显著的作用, 对于电场中气泡动力学特性的研究对增强换热器效率, 提高能源利用率有重要意义. 为了获得外加电场作用下气泡的动力学特性, 设计与搭建了可视化实验平台. 采用50 kV高压直流电源构建均匀电场, 高清摄像机拍摄实验图像. 引入电场强度、气泡体积与溶液介电常数作为变量, 探究其对于气泡动力学特性的影响. 观测了竖直与水平均匀电场中气泡的上升过程, 分析了不同变量下气泡变形状况与上升速度的变化. 引入气泡长宽比L/D用于表示气泡拉伸变形程度, 截取单个气泡上升过程分时段图像展示形态变化过程. 研究结果表明, 气泡沿电场方向伸长, 且电场强度越大, 变形越明显; 竖直电场中气泡伸长导致上升速度增大, 而水平电场中气泡上升速度减小. 气泡尺寸增大, 浮升力作用增强, 气泡上升速度增大. 溶液介电常数增加, 电场力作用明显增加, 气泡变形更加明显.      

爆轰波与激波对撞的实验研究

对乙炔氧气混合气体中爆轰波与激波的正面对撞现象的实验研究是以高速摄影获取两波对撞的x-t纹影图,以烟迹板记录对撞中的爆轰胞格图案,并基于激波理论和经典CJ爆轰理论求解了两波对撞的稳态解并探寻其规律. 研究发现透射波系包括一道激波和爆轰波,以及紧随爆轰波后的稀疏波区,这一结果对应于一维理论分析中的CJ解. 透射波系基本不受初始压强影响;初始温度也只成比例地改变流场整体速度,温度越高,速度越快;对波系起实质影响作用的是入射激波强度,激波越强,则整个透射流场呈现偏向激波的趋势;理论分析还指出,稀疏波区的出现不可避免,当激波强度趋于声波稀疏波区趋于消失,激波越强则疏波区趋于扩大. 两波对撞存在一个有限的转变阶段,透射爆轰首先减缓,接着迅速迸发为过驱爆轰,然后再逐渐平衡为CJ爆轰. 对于强不稳定的燃气,对撞后爆轰波在空间上的发展极不均衡,一些区域发生火焰面与诱导激波的严重脱离,随后的火焰面失稳发展为诱导激波区内的爆轰波,实验观察到了这种爆轰在烟迹板上留下的极为精细的迹线.      

带有环形阀片的阻尼阀可靠性研究

针对跑车试验时油气弹簧中节流阀片受冲击失效的现象,提出了研究阻尼阀水击压强的必要性,建立了带有环形节流阀片的阻尼阀物理模型. 运用水击理论及解偏微分方程的特征线法,创造性地对给定阻尼阀结构进行了水击建模计算. 编程分析节流阀片失效的原因,系统研究了常通孔结构参数变化对阻尼阀所受瞬态冲击及其阻力值的影响规律,提出需从屈服和疲劳强度两个方面入手对阀门可靠性进行校核,并给出计算实例,完善了现有阀系设计的算法. 所得结论可以作为可靠性研究的参考,同时避免了阀片断裂的再次发生.      

电场作用下流动聚焦的实验研究

通过在流动聚焦的同轴液-气射流区域施加电场, 开展了电场力和气动力共同作用下锥形以及带电射流的不稳定性特性实验研究. 实验在精密设计的流动聚焦装置上完成, 分析了外部电压、气体压力降和液体流量等主要控制参数对流动聚焦过程的影响, 获得了锥形的振动模式和稳定模式及其之间的转换, 得到了射流的滴模式、轴对称模式、共存模式和非轴对称模式及其转换并定量分析了电场对射流尺寸参数的影响. 结果表明, 相比于单一的流动聚焦, 该方法能够增强锥形的稳定性, 促进液体射流雾化, 减小颗粒的直径, 因此在科技领域和工程实际中具有重要的应用价值.      

外加磁场对熔融半导体CZ法拉晶过程中流动场影响的数值计算

数值分析结果表明,外加磁场可以改变熔融半导体中的流型,几千高斯的磁场可以显著地减小熔体的流动,但对温度场影响不大。