前后排列柔性细丝在黏性流体中自主推进的稳定形态及动力学机制

鱼类集群运动行为蕴含着复杂的水动力学机制.针对一种简化的鱼类集群运动模型,利用浸没边界方法对黏性流体中做自主推进运动的两个前后排列柔性细丝进行数值模拟,对其稳定运动时的排列形态以及相应的涡相互作用模态开展研究.为保证进行长时间的自主推进运动,本文将流体和固体运动方程写在非惯性系下,通过基于投影思想的隐式动量力实现流固耦合,避免了自主推进运动对计算域尺寸要求过大的问题,可以有效节省计算量.通过改变前后细丝的初始水平间距和垂向偏移距离,发现了3种稳定排列形态:远距离前后排列、近距离前后排列和并行排列.对于远距离前后排列形态,后排细丝受垂向偏移距离的影响较小,始终会穿过前排细丝脱落的涡;对于近距离前后排列形态,前排细丝表面的剪切层在脱落成涡之前和后排细丝表面的剪切层合并,脱落成较强的涡,推进速度较快,前后细丝的运动和受力会有一定的相位差;当垂向偏移距离增大,后排细丝受前排细丝的影响减小,最终稳定于并行排列同步运动,上下细丝两侧的同号剪切层合并脱落成较强的涡,但由于迎风面积增大而推进速度变慢.     

柔性物体在卡门涡街中的运动和受力分析

在肥皂膜水洞中完成了柔性丝线在自由来流和卡门涡街中的实验, 观测了丝线在两种情况下的运动, 并基于实验所得的运动信息, 利用二维面元法计算了丝线在两种情况下的受力情况. 实验和数值模拟结果显示, 丝线在卡门涡街中的运动和受力情况都与自由来流中不同. 在卡门涡街中, 丝线的摆动频率等于卡门涡街脱泻的频率, 振幅变小, 身体曲率变大. 数值计算定量地证明了丝线在自由来流中受阻力作用, 在卡门涡街中受推力作用. 同时, 还研究了卡门涡街中丝线受到的平均阻力随丝线和涡街的相对相位的变化关系.     

内蒙古大井锡多金属矿床流体成矿作用研究: 单个流体包裹体组分LA-ICP-MS分析证据

应用LA-ICP-MS分析方法进行大井矿床中心部位的锡铜矿体及黄岗梁矿床锡矿体萤石及石英中单个包裹体流体组分分析, 以包裹体流体中微量元素Rb/Sr, Sn/Cu等比值追踪大井矿床富铜及富锡流体的来源与演化. 研究结果表明大井矿床富铜流体Cu > Sn, Sr > Rb几至几十倍, 相对富集Na, 主要产出于萤石中, 流体可能来源于深源较基性岩浆. 富锡流体Sn > Cu, Rb > Sr几至几十倍, 相对富集K, 产出于石英及萤石中, 流体可能来源于浅源的花岗岩浆. 富锡与富铜两种流体在中低温-低盐度阶段强烈叠加富集成矿, 形成大井矿床中心部位锡铜富矿体, 解决了前人研究中难于解决的富锡、富铜流体成矿机理问题.     

基于时驱硬球算法与格子玻尔兹曼方法的颗粒流体系统直接数值模拟

实现了一种直接数值模拟颗粒流体系统的耦合算法, 颗粒间相互作用由时驱硬球算法描述, 而流体的控制方程采用格子玻尔兹曼方法求解, 流固耦合用浸入运动边界法实现.该方法使用欧拉网格求解流场, 拉格朗日网格跟踪颗粒, 避免了非结构化贴体网格方法需要重新划分网格的问题. 通过模拟两个圆形颗粒在黏性流体中的沉降过程, 成功地复现了经典的Drafting-Kissing-Tumbling(DKT)过程, 验证了耦合算法的有效性.     

线性剪切流中弹性界面液滴变形的惯性作用

弹性界面液滴(由弹性界面包裹而成的液滴)在流场中的变形等动力学行为是深入理解液滴群悬浮液流变特性以及发展基于液滴的物质输送技术的重要基础.流体惯性、液滴界面弹性、流体黏性等力学作用相互耦合,共同控制弹性界面液滴的动力学行为.已有文献以Stokes流假设进行简化,集中研究了忽略流体惯性条件下弹性界面液滴的变形动力学行为.本文结合Front Tracking Method和Finite Element Method,在传统两相流模拟方法中引入薄膜弹性力学理论,发展了能同时考虑液滴界面弹性和流体惯性的两相流数值模拟方法,研究了颗粒雷诺数(Re)对线性剪切流中弹性界面液滴变形动力学行为的影响.结果表明:雷诺数较高时,弹性界面液滴的瞬态变形出现振荡,且随雷诺数增大,变形振荡的幅值和周期都增大,液滴瞬态变形时间变长;随雷诺数增大,液滴的最大变形和稳态变形均增大,且液滴形状也有显著变化.由此可见,在Re1的条件下,流体惯性对弹性界面液滴变形动力学行为的影响不可忽略.     

揭开南海海平面下神秘巨浪的面纱

什么是内波 在两种不同性质流体交界面上运动的波称做界面波,在海上看到的浪,就是空气与海水界面间运动的界面波.当流体内部密度垂直分布呈现层化构造时,流体层化界面受到扰动时也会出现波动,由于这种波发生在流体内部,因此称作内波.     

Stockmayer流体气液相图的计算机模拟

提出粒子交换分子动力学模拟方法(particle exchange molecular dynamics, PEMD), 可以用来得到各种流体气液平衡相图. PEMD中有两个相互耦合的模拟箱, 具有恒定总粒子数、总体积, 粒子在两个模拟箱的转移由两箱粒子化学势之差驱动. 最终两个模拟箱拥有相同压强、温度及粒子化学势, 从而实现热力学平衡. 进而利用PEMD研究了极性Stockmayer流体的气液相平衡. 讨论了极性变化对相图的影响, 预测了临界点. 与Gibbs Ensemble Monte Carlo结果相比较, 发现两者符合得很好.     

基于CUDA的格子Boltzmann方法:算法设计与程序优化

格子Boltzmann方法(LBM)由于其具有计算简单,天然并行,易于程序实现,易于处理复杂边界等优点而成为流体建模和模拟的一种重要方法.LBM的上述优点也使得其非常适合利用图形处理单元(graphic processing unit,GPU)进行大规模流体计算.基于GPU的CUDA(compute unified device architecture)编程平台,首先设计了相应的LBM算法,并以二维方腔流、二维圆柱绕流以及三维方腔流为例,着重探讨了存储器访问优化等优化技术的作用;此外,本文也对程序的性能进行了详细分析.结果表明,本文的算法取得了理想的加速效果,证实了GPU与LBM的良好匹配关系.     

红荧烯掺杂有机薄膜中的单重态激子裂变过程

在室温下测量了红荧烯掺杂有机薄膜光致发光的磁场效应.磁场效应的线型可以归结为外加磁场对掺杂的红荧烯分子间发生单重态激子裂变过程的调控作用.实验发现,光致发光磁场效应的幅度与红荧烯分子间的平均间距之间展现出非线性的对应关系.这种现象说明,当改变掺杂分子间的间距时,掺杂分子间的耦合强度变化可以对激子裂变过程的强度产生重要的影响.在理论上,磁效应幅度与分子间距之间的非线性关系可以采用朗道-齐纳的非绝热跃迁理论进行解释.而实验上,研究分子间耦合强度改变时激子裂变过程的变化,是研究激子裂变过程微观动力学的一种重要方法.本研究工作表明,对于利用单重态激子裂变敏化的有机光伏器件,分子间的耦合强度是一个需要考虑的重要因素.     

换热器强化的场协同原则

提高换热器的传热性能可以有两个层次, 第1个层次是增加对流换热系数, 第2个层次是改善换热器整体安排. 围绕第2个层次讨论, 提出了改善换热器中冷热流体温度场间的协同就能提高换热器的效能. 换热器中冷热流体温度场的函数形式越接近, 冷热流体的温差场越均匀时, 称冷热流体温度场的协同越好. 通过重新分布换热面积可提高叉流换热器的效能, 当换热面积具有最佳分布时, 叉流换热器的效能可与逆流换热器的效能相等. 多股流换热器中, 顺流换热方式的换热量可以高于逆流换热方式, 表明换热器的传热性能的高低取决于它们的温差场均匀性即冷热流体温度场协同程度, 而不是取决于流动方式.     

电场作用下电流变液滴的变形及力学行为

外加电场作用下的液滴变形及力学行为是电流体动力学研究的重要内容.基于volume-of-fluid(VOF)方法,将电场力作为源项添加到流体运动的Navier-Stokes方程中,提出了电流体流场与电场双向耦合的数值方法,分别研究了外加均匀电场与非均匀电场作用下,中性漏电液滴和带电液滴的变形/运动及其力学行为.小变形条件下,数值模拟得到的外加均匀电场中性漏电液滴的变形系数接近于理论值,验证了本文方法的正确性.研究结果表明,电场作用下液滴与周围介质物理属性的差异导致液滴表面不同的自由电荷再分配形式及其变形状态;相对于电场方向,中性漏电液滴可能会发生"扁长型"或"扁平型"变形.均匀电场下,中性漏电液滴内部形成稳定的回转运动,液滴不会发生宏观运动;对于存在净电荷的液滴,由于库仑力的作用,液滴不仅会发生变形,同时也会沿电场线方向运动.非均匀电场下,中性漏电液滴与带电液滴都会沿电场线运动,并发生不同的变形.本文所提出电流体流场与电场双向耦合的数值方法为静电喷雾、电泳等复杂的工程电流体动力学研究提供了理论基础.     

大壁虎在垂直面和水平面上小跑和行走的关节角度观测

大壁虎优异的爬壁和运动协调能力为仿壁虎机器人的研制提供了很好的仿生模型. 用三维运动观测系统测定了大壁虎在水平面小跑(337.1 mm·s^-1)和行走(66.7 mm·s^-1)以及垂直面上小跑(241.5 mm·s^-1)和行走(30.6 mm·s^-1)时前后肢的关节角度变化. 在水平面上, 当运动速度增大时, 关节转动角速度增大, 前肢摆动角前摆的幅度几乎保持在59°不变, 而后摆幅度由72°增大到79.2°. 在垂直面上, 壁虎运动时前肢提升角始终大于零以使质心贴近运动平面, 随速度的增加前肢摆动角前摆的幅度由33.7°增大到36.7°, 而后摆的幅度几乎在87.5°不变. 无论在水平面还是在垂直面上运动, 步态的变化对后肢摆动角的范围影响不大.     

南海北部琼东南海域活动冷泉流场特征初探

冷泉是甲烷流体运移的一种重要地质过程.作为一种重要的温室气体,海底冷泉处渗漏的甲烷流体,对全球气候变化具有重要的影响.因此,冷泉流场的研究对于冷泉地质过程和全球气候变化都具有重要的意义.本研究基于PIV(particle image velocimetry)技术,对南海琼东南海域新发现的活动冷泉视频资料进行了活动冷泉的流速流场的模拟定量研究.研究区活动冷泉的释放有两种形式:一种是天然气水合物分解形成甲烷气泡,缓慢地逸散至海水;另一种则是含甲烷流体从喷口快速喷发形成羽状流. PIV计算的结果显示,活动冷泉羽状流流场运动方向整体向上,内部为复杂的湍流,其流线呈现出蜿蜒的形态,冷泉羽状流的运动方向与流速大小均随时间的改变而改变.尽管存在一定的系统误差,但PIV计算的结果仍然是可信的,并且具有低成本、速度快、分辨率高等独特的优势.与热液流场相比,冷泉流场的研究程度相对较低,未来需要更多的工作来定量描述冷泉流场,并分析冷泉流场的变化规律.     

气固两相交叉射流相间传热的LBE-DEM模拟

采用格子波尔兹曼/离散元(LBE-DEM)耦合方法模拟气固两相交叉射流相间传热,重点考察了流体和颗粒之间的热量双向耦合及其对两相传热过程的影响.流场雷诺数Re=1000,在相同颗粒数目下选取了10,25,50三种Stokes数.研究分析了气固多相交叉射流中气相温度分布,颗粒群分布形态特性以及相间的双向耦合传热特性及其影响因素.研究发现交叉射流两相传热过程在撞击前期和后期分别受两相平均温差和两相换热系数的主导,而其主导因素的转换与颗粒动态响应特性有关.     

磁场-渗流场耦合作用下的铁磁流体多孔介质流动数值模拟

铁磁流体作为一种新型功能材料,由于同时具备磁性及流体性质被广泛应用于各个技术领域.本文从数值模拟理论上研究了利用磁场控制的铁磁流体驱油问题:针对外磁场作用下的铁磁流体多孔介质流动物理过程,将磁力项引入铁磁流体相运动方程从而耦合磁场-渗流场给出其流动方程,并采用全隐式有限体积法形成相应数值离散格式;通过二维均质填砂平板流动实验验证了模型和算法的正确性,在此基础上,对比了平面及纵向非均质多孔介质中注水及注铁磁流体的驱油效果,计算结果表明通过控制铁磁流体的驱替路径可以提高驱替波及范围继而提高采收率,为提高原油采收率提供了新的思路和方法.     

电磁场中圆柱绕流的开环和优化控制

对圆柱绕流的电磁控制进行了实验和数值研究. 实验在转动水槽中进行, 通过吊杆将装有电磁激活板的圆柱插在槽内液体中. 吊杆上的应变片用于测试圆柱的阻力, 注入适当的染料用来显示流场. 数值模拟时, 流场的基本方程为指数极坐标中考虑场力的Navier-Stokes方程, 计算采用ADI格式和FFT格式. 结果表明, 实验与计算所描述的流场具有相同的变化趋势. 在开环控制时, 即Lorentz力为常数时, 旋涡脱体可被有效抑制, 涡街消除, 阻力减少. 另外, 基于上述Navier-Stokes方程, 推导了优化控制所需的伴随方程, 并利用同样的数值方法对此进行数值求解. 根据伴随优化理论得到实时变化的优化控制参数, 对优化控制过程中的流场变化进行了讨论.     

分子动力学模拟亲水性纳米窄缝中的聚乙烯分子

采用分子动力学模拟了两亲水性壁面间的聚乙烯分子水溶液. 壁面间距(1.26~ 3.15 nm)与聚乙烯分子的特征尺寸相当, 随间距减小可以观察到聚乙烯分子构象从三维结构向二维结构的转变. 同非受限状态相比, 强受限情况下, 化学键取向呈规则变化, 亚甲基分层排布且沿垂直于壁面方向上的扩散运动显著降低. 从热力学角度看, 水分子运动空间增大对聚乙烯分子的构象熵减小做出补偿, 以使体系自由能降低.     

传热学中的状态图及其应用

鉴于热力学状态图能够直观分析热力循环的性能,提出热流是热量运动的状态量,明确了相应的热量运动状态方程,并引入传热学中的二维状态图:T-q图,它可以从传热过程不可逆性的角度直观分析传热过程的性能,便于换热设备及其系统的优化分析和工程设计.利用传热学中的状态图,分析换热器可以直观得出换热面积、流体热容量流和流动形式对其传热性能的影响;分析集中供暖系统中的换热器网络可以方便得出:当每条支路的总换热量以及室内空气温度都相等时每条支路所需的总换热面积、热水流量以及回水温度都相等,但当各支路中的室内空气温度不一致时,经过换热支路后的热水温度并不相同,这就意味着等温回水混合过程并非获得最优供热管网设计的必需条件.     

基于格子玻尔兹曼方法的单孔射流鼓泡床的离散颗粒模拟

利用基于格子玻尔兹曼方法的离散颗粒模型对单孔射流鼓泡床进行了研究. 此算法基于四向耦合的离散颗粒模型, 流体的控制方程采用考虑了孔隙率和流固相的滑移速度对流体流动影响的修正格子玻尔兹曼方法来求解, 颗粒间相互作用通过时驱硬球模型求解, 流固耦合采用EMMS曳力模型. 首先研究了不同颗粒对形成气泡大小的影响, 结果表明, 在相同的射流气速下, 粒径越大形成的气泡越小. 在粒径相同的情况下, 提高气体的入射速度, 则形成的气泡越大. 同时考察了气泡的分离时间与粒径以及射流气速的关系, 结果表明, 随着粒径以及射流气速在一定范围内的改变, 气泡的分离时间并没有明显改变. 另外颗粒床层扩展影响气泡形状, 颗粒床层变宽后, 气泡的形状接近于圆形; 颗粒床层高度增加时, 气泡明显变小. 最后考察了气泡诱导现象, 模拟发现当区域有空腔时, 气泡会被诱导到空腔的方向.     

青藏高原GPS位移绕喜马拉雅东构造结顺时针旋转成因的数值模拟

GPS测量结果表明青藏高原水平位移场在其东部绕喜马拉雅东构造结呈顺时针转动, 其地球动力学成因难以在二维模型中模拟. 由于青藏高原地壳巨厚、下地壳温度高, 岩石层流变性质可能会呈现脆性的上地壳、柔性的下地壳和黏滞系数较大的岩石圈上地幔, 在岩石圈下又存在黏滞系数较低的软流层的复杂分层流变结构. 在上述研究成果的基础上, 利用三维球坐标系下的Maxwell体有限元模型模拟了青藏高原在印度板块推挤下的变形. 模拟结果显示, 柔软下地壳的存在使整个青藏高原在印度板块的推挤下表现为整体抬升, 高原南缘和喜马拉雅东构造结抬升迅速, 而由于周边地块下地壳相对较硬而封闭、仅高原东南部存在高温柔软的通道, 青藏高原软的下地壳的存在还使得高原整体隆起达到一定高度后, 下地壳和软流层的物质向东、东南流动, 并拖曳上地壳作类似运动, 形成绕喜马拉雅东构造结的顺时针转动.