基于Bulk-Flow模型的迷宫密封泄漏模型适用性研究

本文基于单控制体等熵过程Bulk-Flow模型发展了直通式迷宫密封泄漏特性快速预测方法,并开发了相应的计算程序。通过与不同几何参数和运行工况条件下的实验结果对比,对72种泄漏模型开展了泄漏特性预测适用性研究,结果表明:采用Neumann泄漏方程、Chaplygin流量系数、Hodkinson-Modified(压比低于4.5)或Hodkinson(压比高于4.5)动能输运系数、Swamee Jain切应力系数的泄漏模型具有最佳预测精度,对泄漏量的平均预测误差约为5%。论文工作为Bulk-Flow模型在迷宫密封设计和泄漏特性分析中的应用提供理论参考。     

利用分形理论研究气液界面特性

利用分形理论对Lennard-Jones12-6流体气液界面性质进行了研究。得到了密度分布及温度分布,将表面张力 与气液界面的分形维数进行关联。分形维数是界面层所固有的,它与界面的其它特性有着本质的联系,因此,可以通过测 量界面层的分形维数,再利用此分形维数确定界面的其它特性。这种全新的测量界面特性的方法有望由此产生。     

基于MOF的欧拉方法界面重构技术

欧拉方法和拉格朗日方法是多流体数值模拟中最主要的两种方法。对拉格朗日方法而言,如果存在大变形,就会产生网格扭曲,导致计算无法进行下去;而用欧拉方法进行数值模拟的难点在于混合网格中界面的确定及物理量的处理。因此,界面处理技术是欧拉数值方法的主要研究内容之一。     

齿尖磨损对迷宫密封泄漏特性的影响研究

采用FEA和CFD相结合的方法对直通型迷宫密封齿尖磨损引起的封严性能退化规律进行了研究,利用已有的实验数据对数值方法的有效性和精度进行了验证,获得了迷宫密封磨损后的几何形状,分析了齿尖磨损对迷宫密封泄漏量和流场结构的影响机制。结果表明：在动静碰磨过程中,密封齿尖会出现显著蘑菇化变形。接触换热系数h_rot和对流换热系数h_air对磨损形状影响显著。当转子向齿尖侵入0.4 mm,泄漏量增大了82.4%。磨损导致齿尖下游腔室静压降低、总压升高、动能耗散作用降低,携流效应增加。     

具有分形结构的SiC/SiO2界面的粗糙散射

用结构函数的方法建立了SiC粗糙表面的分形模型,用rms粗糙度Δ,分形维数D,以及相关长度L三个参量来刻画表面高度的自协方差函数,并提出了参数的计算方法.在此分形模型的基础上,能计算出SiC/SiO₂界面对沟道电子的粗糙散射.     

基于机器视觉的三维灰度重构技术

基于双目立体视觉三维重构原理,采用主动扫描实现特征匹配的三维灰度重构技术,通过特征结构光扫描物体表面,由经过预标定的两套成像传感器拍摄其图像,经过图像处理程序提取出特征点,完成特征匹配,再计算出物体表面三维轮廓,同时将成像传感器中的灰度信息映射到相应的特征点,从而实现特征点的三维信息和颜色信息的重构和匹配。该技术为三维彩色逼真场景的重构奠定了基础。     

基于机器视觉的三维灰度重构技术

为了非接触、无损、快速地获取物体表面丰富直观的三维信息，即在进行物体三维几何信息重构的同时，还要恢复出物体表面的色彩纹理信息，以利于对物体空间信息的再现和分析，研究了基于机器视觉的三维灰度重构技术。     

Kuramoto-Sivashinsky与Karda-Parisi-Zhang模型中生长界面分形特性研究

在（2＋1）维情况下，利用数值模拟研究了Kuramoto-Sivashinsky (K-S)与Karda-Parisi-Z hang (KPZ)模型所决定的非平衡态界面生长演化过程.结果表明，KPZ与K-S模型都表现出明 显的时间和空间标度特性.相对于KPZ模型而言，K-S模型所对应的表面具有更明显的颗粒特 征，当生长时间较长时，生长界面呈现蜂窝状结构.通过数值相关分析得到了生长界面的粗 糙度指数、生长指数和动态标度指数等参数.从两种模型对应的表面形貌特征和表面参数来 看，在(2+1)维情况下，KPZ与K-S模型所决定的表面具有完全不同的动态标度行为，属于不 同的两类物理模型. 关键词： Kuramoto-Sivashinsky (K-S)模型 Karda-Parisi-Zhang(KPZ)模型 分形 数值模拟     

轮缘密封整周模型流动与封严特性数值研究

本文通过求解SST湍流模型以及三维Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS)方程,研究了单级轴流透平轮缘密封整周模型的流动与封严特性。分析了不同冷气流量下的封严效率与压力波动的变化,并通过与仅保留静叶和仅保留动叶的简化模型比较,分析了动静叶对主流与盘腔内压力波动的影响。结果表明:盘腔内部封严效率存在周向波动但无明显周期性规律,主流与盘腔内的压力周向波动受动静叶的影响,存在明显的周期性规律,静叶下游压力波动周期数等于静叶数,动叶上游与盘腔内部压力波动周期数等于动叶数。     

碎片超高速撞击防护结构粒子场三维重构

为模拟空间碎片超高速撞击航天器防护结构表面材料喷射/溅射粒子场演化过程,并获取粒子场相关物理信息,基于粒子场同轴激光全息图像开展了碎片撞击过程的三维重构技术研究.首先对全息图像进行边缘剪切和缩放,将其划分为分辨率300×300左右的子图像以便于进行网格剖分;对于粒子堆叠区域子图像,采用基于三角化的网格剖分算法;剖分后形成的单一粒子采用Sobel算子提取其二维轮廓,然后将其投影到特定的三维空间形成三维形体;基于MAXScript语言实现了粒子场演化过程模拟.重构结果表明,无论是粒子场静态三维重构结果还是其演化过程均与撞击试验全息图像吻合较好,从而验证了该重构技术的有效性,为研究空间碎片对航天器防护结构的损伤效应提供了一种新的思路.     

基于DDES模拟的叶顶间隙流湍流特性研究

叶顶间隙泄漏流使得叶片顶部流动变得复杂,对间隙泄漏流的流动结构进行精细地捕捉并探讨其湍流特性有利于更深入的了解间隙泄漏流的流动机理,为控制泄漏损失提供依据.本文利用延迟脱体涡模拟方法对叶顶间隙泄漏流动进行非定常数值模拟;然后从叶顶间隙流的流动涡结构演变,湍动能和各向异性等方面研究叶顶间隙流的湍流特性;利用POD模态分解...     

考虑相重新分布的双重介质分形油藏不稳定渗流压力动态特征

基于分形油藏渗流力学,针对存在井筒储集、表皮效应和井筒相重新分布影响下的不稳定渗流问题,建立双重介质分形油藏有效井径数学模型,并采用Douglas-Jones预估校正法求得无限大地层定产量生产条件下的非线性数值解.由数值解可知,该系统完整的压降曲线由四个流动区组成.最后分析各个分形参数、相重新分布参数和双重介质参数变化时压力的变化规律,做出典型压力曲线图版,为研究复杂渗流系统中相重新分布影响下的不稳定渗流规律提供参考.     

数字全息显微术中重建物场波前的相位校正

数字全息显微术克服了传统光学显微术无法直接提取样品相位信息的缺点,可以对活体细胞组织等相位型生物样品进行定量测量和有效观察。但在数字全息显微成像过程中,像场弯曲会对再现像相位分布的测量和观察产生影响。提出一种采用相位相减来校正数字全息再现像像场弯曲的方法。通过在样品加入前后两次拍摄全息图,并对数值重建像分别进行去包裹运算再令其相减,即可实现对像场弯曲的有效校正,对蝉翼和大蒜表皮细胞等相位型物体进行测量,并采用数值校正和相位相减两种方法对像场弯曲进行校正。与现有的数值校正方法相比,利用相位相减获得样品三维相位信息的方法更为简单、可靠,是校正像数字全息再现场弯曲的有效方法。     

基于康托尔分形微通道流动与传热的模拟

高密度、 小体积和高集成的电子元器件散热困难, 易造成过早失效, 采用微通道换热器可以实现小体积内高热流的散热, 但流动阻力很大. 为了保证传热效果, 降低流动阻力, 本文提出了一种新型的微通道结构并对其流动与传热特性进行了数值模拟. 首先研究了微通道形状和结构, 模拟结果表明: 进出口截面宽高比为0.8 的矩形微通道的换热效果最好; 并在此基础上提出一种康托尔分型凹槽结构, 研究了有无康托尔分形以及不同分形级数对流动与传热性能的影响, 综合对比发现: 第二级康托尔分形模型 N2 既能保证热阻显著降低, 又能相比阵列结构降低压降, 具有明显的换热优势; 最后对这种康托尔分形结构的凹槽形状, 尺寸及不同方向上的分形进行研究, 结果表明梯形凹槽的下上表面长度比b/a 为0.6 、 流动方向分形比fx 为1 .25 和通道高度方向分形比fy 为1 .5 时换热流动性能最佳.     

刷式密封对透平级气动性能影响的研究

采用基于非线性Darcian多孔介质模型三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和SST紊流模型的泄漏流动数值方法对比研究了动叶叶顶迷宫密封和刷式密封的1.5级汽轮机高压缸透平级的气动性能.数值预测实验测量的刷式密封泄漏量与实验数据吻合一致,验证了数值方法的可靠性。详细分析了动叶叶顶迷宫和刷式密封两种结构对1.5级透平级叶顶间隙泄漏特性和气动性能参数的影响特性.结果表明:在相同工况下,相比于叶顶迷宫密封结构,叶顶刷式密封可使透平级级效率提高0.15%,叶顶间隙泄漏量降低30.74%。叶顶刷式密封和迷宫密封结构对透平级反动度和动叶出口气流角的影响基本相同.叶顶刷式密封中刷丝束前后压降大于迷宫密封中相同位置处迷宫齿前后压降,刷丝束起主要封严作用.     

三维格子Boltzmann方法研究上升双气泡的运动特性

应用格子Boltzmann三维模型，对双气泡在静水中的运动进行数值研究.采用八点差分和十八点差分格式分别求解一阶▽φ和二阶▽²φ可以有效避免气液密度比过大造成的数值不稳定问题.结果表明：当两个相同直径的气泡在上升时，位置靠上的气泡形状变化像单气泡上升一样，而位置靠下的气泡会受到前一个气泡尾迹的影响，并有很明显的形状变化.当两个气泡直径不同时，不管初始位置如何，大气泡总会对小气泡造成强烈的影响.     

随机多孔介质的蒙特卡罗重构与渗流特性模拟

根据多孔介质微观结构的分形尺度标度特征,采用蒙特卡罗方法分别重构随机多孔介质的微观颗粒和孔隙结构,并基于分形毛管束模型研究多尺度多孔介质的气体渗流特性,建立多孔介质微观结构和宏观渗流特性的定量关系。结果表明：分形蒙特卡罗重构的多孔介质微细结构接近真实介质结构,气体渗流特性的计算结果与格子玻尔兹曼模拟数据较为吻合; 多孔介质气体渗透率随着克努森数的增加而增大,孔隙分形维数对于气体渗流的微尺度效应具有显著影响,而迂曲度分形维数对于表观渗透率和固有渗透率的比值影响可以忽略。提出的分形蒙特卡罗方法具有收敛速度快且计算误差与维数无关的优点,有利于深入理解多尺度多孔介质的渗流机理。     

基于代数迭代算法的燃烧火焰温度场和气体浓度场重建研究

基于TDLAS(tunable diode laser absorption spectroscopy)技术,以水汽作为目标气体,采用直接吸收的测量方式,探测了甲烷空气预混平焰炉燃烧区域水汽的吸收光谱信号,通过ART(algebraic reconstruction technique)代数迭代算法对燃烧场温度和水汽浓度分布进行了模拟重建和实验研究,模拟重建采取5×5共25个网格的正方形重建区域,假定25个网格的一个温度浓度二维分布,模拟28条激光束从不同的角度方位穿越重建区域,得到模拟射线下的投影值,经ART算法重建,结果显示温度场和水汽浓度场的重建偏差均在1%以内。实验采用分布反馈式激光器作为光源,选取H₂O的7 153.722,7 153.748和7 154.354 cm-1三条吸收线作为测温谱线,其中前两条线不区分作为一条吸收线来处理。使用平移台多方位平行扫描,共获取30路光谱吸收信号,经数据处理、算法重建和双线比值法测温原理得到了圆形平焰炉16个不同区域的温度浓度值,且炉面偏向中心区域温度浓度值较高,边缘较小,结果表明代数迭代算法能够很好地实现燃烧区域温度场和水汽浓度场的反演。     

Three-dimensional numerical simulation of crown spike due to coupling effect between bubbles and free surface

The motion of gas bubbles beneath a free surface will lead to a spike of fluid on the free surface. The distance of the bubbles to the free surface is the key factor to different phenomena. When the inception distance varies in some range, crown phenomenon would happen after the impact of weak buoyancy bubbles, so this kind of spike is defined as crown spike in the present paper. Based on potential flow theory, a three-dimensional numerical model is established to simulate the motion of the free-surface spike generated by one bubble or a horizontal line of two in-phase bubbles. After the downward jet formed near the end of the collapse phase, the simulation of the free surface is performed to study the crown spike without regard to the toroidal bubble＇s effect. Calculations about the interaction between one bubble and free surface agree well with the experimental results conducted with a high-speed camera, and relative error is within 15%. Crown spike in both single- and two-bubble cases are simulated numerically. Different features and laws of the motion of crown spike, depending on the bubble-boundary distances and the inter-bubble distances, have been investigated.