晃荡

本文列举了诸多工程领域中的液体共振运动现象,详细探讨了船舱中伴有剧烈流动的晃荡问题.描述了基于理论分析的非线性多模态方法,该方法便于波动稳定性分区、多分支解和物理稳定性的研究.强调了方形舱、垂向圆柱舱以及球形舱内伴有旋转和混沌(不规则波动)的三维流动的重要性.晃荡引起的砰击涉及到各种各样的内流条件,这些条件随液体深度与舱体长度之比而变化.针对棱柱状LNG舱,讨论了许多与流体力学和热力学参数、影响砰击载荷效应的水弹性以及模型实验缩尺比的物理现象.     

INVESTIGATION ON THE ATTENUATION OF A ROTATING LIQUID MOTION IN A CYLINDER WITH BOUNDARY RESISTANCE

为了分析圆柱形容器内同步旋转液面在边界阻力作用下的衰减机理，采用层流摩阻与湍流摩阻的理论模型和实验测试的方法对同步旋转液面在边壁阻力作用下的衰减规律进行了研究. 通过分析壁面阻力的特性，采用当量湿周对圆柱形容器中旋转液体运动的能量损失进行模拟，建立了壁面糙率、旋转半径，静水深度和液体旋转速度之间的本构方程. 通过对圆柱容器中的同步旋转液面在边界阻力作用下的层流和湍流形态的衰减过程进行实验测试，验证了理论模型的正确性. 基于验证后的理论方法，获得了圆柱容器中旋转液体的角速度、高度等随时间的变化过程，分析了摩阻形态、糙率和直径对旋转液面衰减过程的影响. 结果表明，边壁糙率和容器半径是决定旋转液面的衰减过程主要因素，边壁糙率越大液体旋转速度衰减越快，圆柱形容器半径越大液体旋转的衰减越慢.     

基于SPH法的返回舱入水载荷模拟分析

返回舱水上着落前期面临较大砰击,为研究过程中受到的砰击载荷,基于光滑粒子流体动力学(SPH)气-液两相流算法,首先通过模拟平板和楔形体两种算例模型的入水过程,并与相关文献的试验结果进行对比,验证算法的有效性。在此基础上,对返回舱的入水过程进行模拟。结果显示,两种算例模型的计算结果与相关文献试验结果吻合良好。返回舱入水速度和倾角对砰击有较大影响并且过程中存在二次砰击现象。砰击载荷随入水速度增大而增加。第一次砰击载荷峰值随倾角增大而减小,第二次砰击载荷峰值随倾角增大先增后减。结果表明,SPH气-液两相流算法能够较好地模拟返回舱入水过程。     

岩爆的压缩流体包裹体膨胀力源假说

岩爆是地下工程中的一种奇异力学破坏现象. 开挖后的围岩块石突然、猛烈地向开挖空间弹射、抛掷和喷出. 它具局部性、突发性、隐蔽性、滞后性、无前兆性、高初速度和高冲击动能. 岩爆常常导致深部岩石工程重大人员伤亡和经济损失. 虽然人们对岩爆做了大量研究, 岩爆的成因机理依然是公认的"国际岩石力学领域的世界性难题". 本文指出、分析、论证了造成这个"世界性难题" 的原因是, 国际岩石力学领域忽略了连续完整岩石中微小流体包裹体的存在和异常作用. 本文进一步提出、分析和论证了封闭在完整岩石中的微细流体包裹体可能处于被压缩状态, 能够拥有高压强, 能够造成完整岩石内部的局部异常高地应力场. 岩石开挖可导致封闭在岩石内部的众多微细高压缩流体包裹体重新随时间而渗流、移动和相变, 再造成局部完整脆性围岩的岩爆. 对岩石流体包裹体的力学研究能让我们破解世界性岩爆难题.     

微重力条件下部分充液贮箱气液界面波动特性的数值模拟

微重力环境中部分充液贮箱内气液界面和气、液两相介质在残余重力或加速度干扰下的运动特征是先进空间流体管理技术的基础. 本文针对空间贮箱常用构型和实际尺寸, 基于邦德数相似准则设计了3个缩比模型, 数值模拟了原型贮箱和缩比模型中加速度变化引起的贮箱内气液两相流动及气液界面上界面波的传播. 数值模拟结果验证了原型和模型间的运动相似性, 发现在满足邦德数相似准则的前提下, 系统还近似满足韦伯数相似准则, 或等价地, 近似满足弗劳德数相似准则. 此外, 数值模拟结果也表明原型和模型间的运动存在细微偏差, 这主要源于黏性耗散作用的差异. 由韦伯数相似准则可知, 缩比加大, 贮箱尺寸减小, 重力突变后由表面张力释放出来的驱动力增强, 相同韦伯数下流动速度增大, 黏性耗散作用随之增强, 本文的数值模拟结果证实了该结论. 相关结果可以用于指导空间贮箱流体管理技术的地面模拟试验的方案设计等.      

储层含水条件下致密砂岩/页岩无机质纳米孔隙气相渗透率模型

页岩及致密砂岩储层富含纳米级孔隙,且储层条件下页岩孔隙(尤其无机质孔隙)及致密砂岩孔隙普遍含水,因此含水条件下纳米孔隙气体的流动能力的评价对这两类气藏的产能分析及生产预测具有重要意义.本文首先基于纳米孔隙内液态水及汽态水热力学平衡理论,量化了储层孔隙含水饱和度分布特征;进一步在纳米孔隙单相气体传质理论的基础上,考虑了孔隙含水饱和度对气体流动的影响;最终建立了含水饱和度与气相渗透率的关系曲线. 基于本文岩心孔隙分布特征,计算结果表明:储层含水饱和度对气体流动能力的影响不容忽视,在储层含水饱和度20%的情况下,气相流动能力与干燥情况相比将降低约10%;在含水饱和度40% 的情况下,气相流动能力将降低约20%.      

AN APPLICATION OF THE CBS SCHEME IN THE FLUID-MEMBRANE INTERACTION

提出了一种不可压缩流体与弹性薄膜耦合问题的特征线分裂有限元解法. 首先, 给出了流场和结构的控制方程. 然后, 对流场、结构以及流固耦合的具体求解过程进行了描述. 其中, 流场求解采用改进特征线分裂方法和双时间步方法相结合的隐式求解方式, 并利用艾特肯加速法对每个时间步的迭代收敛过程进行了加速处理;结构部分的空间离散和时间积分分别采用伽辽金有限元方法和广义方法, 并通过牛顿迭代法对所得非线性代数方程组进行了求解;流场网格的更新采用弹簧近似法;流场、结构两求解模块之间采用松耦合方式.最后, 采用该方法对具有弹性底面的方腔顶盖驱动流问题进行了求解, 验证了算法的准确性和稳定性.此外, 计算结果表明艾特肯加速法可以显著地提高双时间步方法迭代求解过程的收敛速度.     

Modelling of solids distribution in stirred tanks: analysis of simulation strategies and comparison with experimental data

The predictive capabilities of CFD techniques as applied to solid–liquid stirred vessels are investigated. The distribution of solid particles was simulated in three baffled stirred tanks agitated with single and multiple impellers. Suspensions of glass beads of different diameters and average concentration up to 6?vol. % in water were studied. The simulations of solid–liquid suspensions in the stirred vessels were performed by using fully predictive approaches. Eulerian multiphase models were adopted for modelling the solid–liquid flow, coupled with three different extensions of the standard k-? model to the case of multiphase flows. The simulated particle axial concentration profiles are compared with experimental data and critically discussed. The most successful simulation strategy and one possible implementation are described.     

圆柱形弹性贮液容器的自振特性分析

贮液容器,无论是由钢材制成的或是由钢筋混凝土建造的。在工业或工程上都有着广泛的应用,如石油化工工业中的储油罐,给水工程中的水即为典型例子。在核动力工程中的压水堆或快增残堆,所用的主容器都可看成为一种特殊的贮液容器。它与一般容器很大的区别在于除贮液外,在堆内还设置一些构件。这对结构分析计算速写为不小的困难。本文根据剪切悬壁梁理论且考虑液动压力效应,建立了弹性圆柱形贮液容器的自振方程及相关特征值矩阵,     

INSTABILITY OF COUPLED THERMO-SOLUTE CAPILLARY CONVECTION IN LIQUID BRIDGE AND CONTROL BY ROTATING MAGNETIC FIELD

浮区法因具有无坩埚接触污染的生长优点而成为生长高完整性和高均匀性单晶材料的重要技术.但熔体中存在的毛细对流会给浮区法晶体生长带来极大挑战,这是由于对流的不稳定会导致晶体微观瑕疵的产生和宏观条纹等缺陷的形成.为了提高浮区法生长单晶材料的品质,研究浮区法晶体生长中毛细对流特性及如何控制其不稳定性显得尤为重要.本文采用数值模拟的方法对半浮区液桥内Si_xGe_1-x体系中存在的热质毛细对流展开研究并施加旋转磁场对其进行控制.结果表明：纯溶质毛细对流表现为二维轴对称模式,温度场主要由热扩散作用决定,而浓度场则由对流和溶质扩散共同支配;纯热毛细对流呈现三维稳态非轴对称流动,浓度分布与熔体内热毛细对流的流向密切相关,等温线在对流较大的区域发生弯曲;耦合溶质与热毛细对流则为三维周期性旋转振荡流.施加旋转磁场后,熔体周向速度沿径向向外增大,熔体内浓度场和流场均呈现二维轴对称分布.     

污染区对部分打开井井底压力响应的影响

钻井造成的污染区对部分打开井的影响不同于裸眼井. 为了分析污染区对部分打开井井底压力响应的影响,建立了一种部分打开井的二维轴对称渗流模型,模型考虑了真实的污染区以及储层渗透率各向异性特征.利用有限元数值方法对模型进行求解,获得了部分打开井的井底压力响应及储层压力分布. 根据压力响应及压力分布特征,将部分打开井的压力响应过程划分为5 个流动阶段,其中早期局部径向流动和椭球流动是该类井最典型的特征. 对污染区的影响分析表明:传统方法中的表皮系数S 并不等于污染区引起的机械表皮系数S_d;无量纲井筒储存系数不能与机械表皮系数组合. 修正了传统方法中部分打开井的井底压力公式,验证了部分打开井的总表皮计算公式,为该类井的井底压力响应解释及产能预测提供理论指导.      

THE ERECTING EGG IN WATER AND LAGRANGE’S THEOREM

鸡蛋在液体中的平衡稳定性问题可作为应用拉格朗日定理判断保守系统稳定性的有趣例子. 分析表明,当液体比重超过某个临界值时,鸡蛋可在液体中实现竖直状态的稳定平衡. 讨论鸡蛋平衡位置数目与稳定性随液体比重变化的静态分岔问题.     

STABILITY OF ULTRATHIN LIQUID FILM EVOLUTION WITH SURFACTANT

针对固体基底上厚度小于100 nm的含活性剂超薄液膜演化过程, 基于润滑理论推导出包含分离压影响的液膜厚度和活性剂浓度的演化方程, 采用正则模态法导出了描述液膜线性稳定性的特征方程, 分析了多个特征参数对线性稳定性的影响, 数值模拟了液膜厚度和活性剂浓度演化历程, 对比了模拟所得非线性结果与线性分析预测结果的一致性.结果表明:范德华力具有促进扰动增长的作用, 较强的玻恩斥力促使扰动衰减, 使液膜趋于稳定;较小的毛细力数易使液膜凹陷处发生二次失稳, 并最终导致去润湿现象发生;液膜厚度和溶于液膜内部的活性剂浓度初值越大, 液膜稳定性越强, 液膜表面活性剂浓度影响则相反;增大吸附系数不利于液膜稳定性.     

页岩气藏压裂水平井试井分析

页岩气藏资源丰富,开发潜力巨大,已成为目前研究的热点.与常规气藏相比,页岩气藏运移机制复杂,流动模式呈非线性,有必要考虑页岩气的吸附解吸,天然微裂缝的应力敏感性,人工裂缝内的非达西流等非线性因素对压裂水平井压力响应的影响. 基于双重介质和离散裂缝混合模型,分别采用Langmuir等温吸附方程描述吸附解吸,渗透率指数模型描述应力敏感,Forchheimer方程描述非达西效应,建立页岩气藏压裂水平井数值试井模型. 运用伽辽金有限元法对模型进行求解.根据试井特征曲线,划分流动阶段,着重分析非线性因素对压力响应的影响.结果表明:页岩气藏压裂水平井存在压裂裂缝线性流、压裂裂缝径向流、地层线性流、系统径向流及封闭边界影响5 种流动阶段.吸附解吸的影响发生窜流之后,Langmuir吸附体积增大,拟压力导数曲线凹槽更加明显,系统径向流出现时间与压力波传播到边界时间均延迟;天然裂缝系统的应力敏感性主要影响试井曲线的晚期段,拟压力和拟压力导数曲线均表现为上翘,应力敏感效应越强,上翘幅度越大;高速非达西效应对早期段影响较大,非达西效应越强,拟压力降幅度越大,试井曲线上翘.与解析解的对比以及矿场实例验证了模型的正确性与适用性.      

Selection of working fluids for electrohydrodynamic experiments in terrestrial conditions and microgravity

Electrohydrodyamic (EHD) heat transfer enhancement and flow control methods are becoming increasingly popular in engineering science and applications both in terrestrial and low gravity applications. The correct choice of the working fluid is essential for the design and performance of EHD hardware and can pose challenge because some working fluids with favorable EHD properties can be unstable or hazardous. In this paper key properties and criteria for the selection of working fluids for single-phase (liquid) as well as gas–liquid and vapor–liquid two-phase electrohydrodynamic experiments and applications are discussed. Key physical and electrical properties as well as environmental and safety issues are reviewed for the sample fluids PF-5052, FC-72, R141b, cyclohexane and pure water. Microgravity experiments impose additional demands on the selection of the working fluids. Some of these demands are addressed by contrasting bubble dimensions and shapes at detachment, estimated using a simple thermodynamic model, in terrestrial and microgravity conditions with and without electric fields. Data are obtained using a simplified analytical model and verified experimentally.     

格子Boltzmann方法模拟多孔介质惯性流的边界条件改进

格子Boltzmann方法可以有效地模拟水动力学问题,边界处理方法的选择对于可靠的模拟计算至关重要.本文基于多松弛时间格子Boltzmann模型开展了不同边界条件下,周期对称性结构和不规则结构中流体流动模拟,阐述了不同边界条件的精度和适用范围. 此外,引入一种混合式边界处理方法来模拟多孔介质惯性流, 结果表明:对于周期性对称结构流动模拟,体力格式边界条件和压力边界处理方法是等效的,两者都能精确地捕捉流体流动特点; 而对于非周期性不规则结构,两种边界处理方法并不等价,体力格式边界条件只适用于周期性结构;由于广义化周期性边界条件忽略了垂直主流方向上流体与固体格点的碰撞作用,同样不适合处理不规则模型;体力-压力混合式边界格式能够用来模拟周期性或非周期性结构流体流动,在模拟多孔介质流体惯性流时,比压力边界条件有更大的应用优势,可以获得更大的雷诺数且能保证计算的准确性.      

THERMOELASTIC VIBRATION OF FLUID-CONVEYING MICROTUBES EMBEDDED IN ELASTIC MEDIUMS

研究热环境中被弹性介质包围的微米输流管道的横向振动问题. 根据Hamilton 原理及非线性热弹性理论建立管道横向振动控制方程,并利用复模态法对其进行求解,得到了系统的固有频率和屈曲失稳临界流速,讨论了环境温度和一些重要系统参数对管道振动特性的影响. 研究结果表明:环境温度变化、管道和流体的微尺度效应、管道外径及弹性介质刚度对输流微管道固有频率和临界流速都有很大影响.     

A coupled BE–FE study for evaluation of seismically isolated cylindrical liquid storage tanks considering fluid–structure interaction

The effects of base-isolation on the seismic response of cylindrical vertical flexible liquid storage tanks subjected to horizontal seismic ground motion are presented in this paper. The whole system consists of two main parts: the base-isolation component, and the fluid–structure interaction subsystem. Dynamic analysis of liquid storage tank is achieved through the use of finite shell elements for the structure and internal boundary elements for the liquid region. The boundary element equations are employed to obtain an equivalent liquid mass matrix which is then coupled with the shell structure mass matrix, resulting in the coupled equations of motion. Finally, the coupled equations of motion are connected with the base-isolation system to observe the whole system behavior. A bilinear hysteretic element is used to illustrate the base-isolation system. The analysis is performed in the time domain in which, hydrodynamic interaction is taken into account. It is shown that the seismic response of the isolated tank could be significantly reduced compared with the fixed-foundation tanks. Parametric studies are carried out to study the effects of different system parameters on the effectiveness of the base-isolation system. These parameters are the tank geometry aspect ratio (height to radius), the flexibility of the isolation system, the liquid surface displacement variations, and the tank wall flexibility. It is observed that the seismic isolation is more effective in slender tanks in comparison with broad tanks. Furthermore, it is shown that the isolation efficiency is partially more significant in rigid tanks. It is also noticeable that flexible isolators considerably reduce the seismic response in comparison with stiff isolators. Despite the foregoing advantages, liquid surface displacement increases due to seismic isolation, especially in slender tanks.     

NUMERICAL INVESTIGATION ON FLOW STABILITY OF RAYLEIGH-B?NARD CONVECTION OF COLD WATER IN A RECTANGULAR CAVITY COOLED AND HEATED SYMMETRICALLY RELATIVE TO THE TEMPERATURE OF DENSITY MAXIMUM

为了解具有密度极值流体瑞利-贝纳德对流特有现象和规律,利用有限容积法对长方体腔内关于密度极值温度对称加热-冷却时冷水瑞利-贝纳德对流的分岔特性进行了三维数值模拟,得到了不同条件下的对流结构型态及其分岔序列,分析了密度极值特性、瑞利数、热边界条件以及宽深比对瑞利-贝纳德对流的影响. 结果表明:具有密度极值冷水瑞利-贝纳德对流系统较常规流体更加稳定,且流动型态及其分岔序列更加复杂;相同瑞利数下多种流型可以稳定共存,各流型在相互转变中存在滞后现象;随着宽深比的增加,流动更易失稳,对流传热能力增强;系统在导热侧壁时比绝热侧壁更加稳定,对流传热能力有所减弱;基于计算结果,采用线性回归方法,得到了热壁传热关联式.