采用流体网络与气热耦合方法的涡轮叶片复合冷却结构改型设计

将流体网络方法应用于高性能涡轮叶片复合冷却结构的设计中，开发了气热耦合数值计算方法，并对其进行了可靠性验证．对采用复合冷却方式的某型高压动叶内部冷却结构进行基于流体网络分析的快速预测，评估其气动与传热特性．针对网络分析结果，提出3种改进措施，即调整不同冷却通道冷却气体流量、减小通道转弯结构流阻、以及调整局部高温区的内冷几何结构．通过全三维燃气．固体叶片一冷却气流耦合计算验证，指出改型设计降低了叶片表面最高温度，整体温度分布更加均匀，冷气入口参数匹配合理．结果表明，计算方法大大缩短了涡轮叶片复杂冷却结构的设计周期．     

双吸离心泵空化特性的试验及数值模拟

试验测量了一台双吸离心泵的能量特性和空化特性.基于RNG k-ε湍流模型和质量输运空化模型,探讨了质量输运空化模型中凝结项经验系数对数值模拟结果的影响,结果发现凝结项经验系数主要影响叶轮内空泡长度.在此基础上,修正了双吸离心泵空化流动数值模拟中凝结项经验系数的取值,计算得到的双吸离心泵扬程随进口压力变化曲线与试验结果吻合较好,验证了数值计算模型和方法的准确性和可靠性.双吸离心泵空化流动数值模拟结果表明:随着泵进口压力的降低,空化首先在叶片吸力面进口附近的低压区发生,之后沿叶片吸力面往叶轮流道中部发展,并向叶片压力面扩散;受双吸离心泵蜗壳非对称结构的影响,叶轮内不同流道的空化区域分布不均匀.     

向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏流动特性研究

对微型燃气轮机向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏流动，在级环境下进行了全三维粘性数值模拟研究．结果表明，轮盖和叶轮叶片顶部之间的相对运动引起的刮削流以及叶轮顶部压力面和吸力面两侧的压差对间隙泄漏流动起主要控制作用，叶顶线速度越高，间隙尺寸越小，刮削作用越强；改变叶轮转速对叶轮中部和导风轮顶部间隙内的泄漏速度影响不大，但是叶轮转速能明显影响通道涡涡核与吸力面之间的距离；间隙泄漏量主要在导风轮顶部区域形成，如布置泄漏抑制结构，在轮盖子午弦长的中后部将是最有效的．     

基于磁力场与速度场协同的高效微通道磁泳分离

磁泳是实现生化分离的重要手段之一.根据微通道内磁珠运动基本方程导出了影响磁泳分离效率的新因素,即磁场力矢量与流体速度矢量的夹角,提出改善磁力场与流场的协同性是提高磁泳分离效率的重要途径之一,并基于此设计了T型结构微通道磁泳分离芯片.通过建立磁珠运动的二维动力学模型,并运用有限元和龙格库塔法,对微通道内的磁泳分离效率进行了数值模拟研究.结果发现：相同条件下T型微通道分离效率较普通平直微通道明显提高;在高流速下直通道对小粒径磁珠的磁泳分离失效时,T型微通道仍能实现高效分离.进一步分析表明,T型微通道内分离效率提高的本质在于磁力场与流场的协同作用使得磁珠产生更大的偏转速度,从而增加了分离效率.研究结果对磁泳芯片优化设计具有理论指导意义.     

标量湍流耗散的片状结构

应用直接数值模拟研究标量湍流耗散的空间结构. 在均匀标量湍流场和槽道湍流的非均匀标量湍流场中都发现了标量湍流耗散呈片状结构. 通过标量湍流耗散的输运方程的分析, 研究了脉动变形率张量在标量耗散生成中的作用, 发现脉动标量梯度在脉动变形率张量的第3主轴方向占优, 从而解释标量湍流耗散片状结构的产生原因.     

闭式离心压缩机几何建模对数值预测结果的影响

实验测试了一台闭式离心压缩机的整体性能,采用部件叠加的方法构造了不同的压缩机数值模型,研究了闭式离心压缩机堵塞流量及数值预测准确性的影响因素,提出并验证了采用等效叶片厚度替代叶片端壁圆角的压缩机结构修正方法.本研究的主要目的在于评估各种细微几何结构和简化处理对具有闭式叶轮的离心压缩机总体性能的影响,以此归纳出针对闭式离心压缩机合理的数值模拟策略.实验测得压缩机峰值等熵效率为80.28%,经等效叶片厚度修正后压缩机数值模拟所得等熵效率峰值为82.02%.研究结果表明轮盖间隙及其密封、叶片端壁圆角以及叶片加工误差是影响闭式离心压缩机性能的3个主要几何结构因素.闭式叶轮轮盖间隙泄漏流减小了叶轮的有效喉部面积,使堵塞流量减小,流道中部流体加速,叶轮扩压能力下降;一定的背压下,闭式叶轮的堵塞流量随叶片相对厚度的增加呈线性关系减小.在数值模拟时,采用等效叶片厚度修正闭式压缩机端壁圆角,可以使压缩机在保持小流量工况性能基本不变的同时,提高大流量工况的数值模拟准确性.     

可变后缘弯度机翼柔性蒙皮的刚度需求分析

建立了柔性蒙皮在气动载荷作用下的变形分析方法.翼型压力分布计算采用面元法,结构分析采用有限元方法.在此基础上,计算了柔性蒙皮在气动载荷作用下的变形情况以及变形对气动力的影响.数值结果表明:后缘部分的柔性蒙皮在气动载荷作用下被"吸"成鼓包形状;同时,翼型上表面压力在"鼓包"位置出现比较大的变化.采用Jacobs的蒙皮形变准则(蒙皮的最大形变量小于弦长的0.1%),计算和分析了可变形后缘弯度机翼对柔性蒙皮的刚度要求.计算结果表明:对于可变后缘弯度机翼而言,增大蒙皮弯曲刚度和拉伸刚度的比值可以减小蒙皮结构对拉伸刚度的要求.柔性蒙皮的最大形变量是随着其拉伸刚度的降低而增加,但增加的幅度取决于蒙皮弯曲刚度的大小;当蒙皮弯曲刚度大于某个值时,蒙皮的变形量由弯曲刚度来控制,拉伸刚度不在起作用,这对柔性蒙皮的结构设计具有重要的指导意义.     

嵌有离子选择性膜的微通道内增强电渗流及除盐效应分析

离子选择性纳米多孔膜材料在分子分离、海水淡化、生物分子富集、电池等诸多科学工程领域都有着非常重要的应用.本文通过数值仿真分析嵌有阳离子选择性膜的带电微通道内增强电渗流以及系统的除盐效应.结果表明,当浓度为1 mmol L~(-1)的KCl溶液在40 V cm~(-1)的外电场驱动下流过长60μm、宽10μm的微通道时,如果在通道中心离子选择膜性上加25 mV的跨膜电压,除盐效率约为29%;而当跨膜电压为250 mV时,除盐效率则高达89%.流体运动方面,在低跨膜电压下,通道内流体运动由传统电渗流主导,压力流主要用于平衡通道上游与下游电渗流速度的差别.然而在高跨膜电压下,膜表面附近生成很强的非线性涡流,进而形成泵效应;通道内流体运动则是压力流为主导,通道上下游均呈现带滑移边界的压力流特征.对照等参数的无膜通道,嵌膜系统在跨膜电压为400 mV时可以实现15倍以上的流速.本文所揭示物理机制可为新型微泵以及海水淡化装置的设计及优化提供重要的指导.     

阶梯溢流坝水流数值模拟及特性分析

针对Mixture模型,考察了Realizable k-ε模型,SSTk-ω模型,v2-f模型,LES模型等4种湍流模型对阶梯溢流坝水流数值模拟的适用性.通过对非掺气区域坝面平均流速、旋度大小、边界层厚度的计算,并与实验结果进行分析比较,结果表明：Realizable k-ε模型考虑了流体微团的旋转效应,提高了对较大曲率流动、旋流流动和涡旋运动的计算精度,对阶梯溢流坝有很好的适用性.以Realizable k-ε模型计算结果为基础,进一步分析了边界层内的速度分布、阶梯面压力分布等坝面水流特性.     

燃气轮机带冠叶片气热技术研究进展

带冠叶片由于其具有良好的气动和振动特性而在燃气轮机领域得到了广泛应用.尽管如此,叶片带冠形成了叶冠容腔内及进出口特有的泄漏流现象,使得容腔结构和泄漏流仍对涡轮性能有很大影响,并且,带冠增大了叶片应力,直接影响动叶片的蠕变性能、气动力学响应乃至寿命.为此,开展叶冠容腔流动及其结构改进的研究是近年来国内外燃气轮机领域研究的热点和难点问题之一.本文主要从叶冠容腔泄漏流动特性及其与主流相互作用机理、叶冠容腔结构改进优化以及叶冠结构在气冷涡轮上的应用等方面对燃气轮机带冠叶片气热技术的研究进展进行综述.文中还对叶冠容腔泄漏流动常用的研究方法进行了简要总结.最后展望了带冠叶片气热技术的未来研究重点和发展趋势.     

适用于超声速湍流扩散燃烧流动的火焰面模型

为了建立适用于超声速流动的湍流扩散燃烧模型,本文首先分析了火焰面模型应用于超声速流动的物理基础,然后数值模拟了轴对称超声速射流形成的氢气/空气扩散燃烧流场,利用实验数据校正了火焰面模型中重要物理量标量耗散率的模型系数.计算结果与实验数据的对比表明,本文修正后的火焰面模型对超声速湍流扩散燃烧流动的模拟能力是令人满意的.基于火焰面模型理论以及数值模拟结果,本文首次研究了湍流脉动对平均状态方程以及化学反应源项的影响机理,得到以下结论：组分浓度和温度脉动相关项对平均状态方程影响很小;温度脉动会降低水的生成速率,但其影响较小;组分浓度脉动在接近于氧化剂一侧区域增加水的生成速率,而在另外的大部分区域会降低水的生成速率;组分浓度与温度的脉动相关作用会很大程度上降低水的生成速率.     

弯曲河床中底沙运动和河床变形的三维k-ε-kp两相湍流模型

建立了曲线坐标系下的三维k-ε-k_p固液两相双流体湍流模型, 模拟了弯曲河道内的底沙运动和河床变形. 计算了实验室120°弯道内水沙两相流的时均流速、泥沙运动以及床面变形, 数值结果较好地再现了实验规律. 同时, 比较了单流体模型和k-ε-k_p模型的数值结果. k-ε-k_p模型能够求解悬沙的三维速度场, 并采用零梯度边界条件获得底沙的运动信息. 计算结果表明在弯道内泥沙运动轨迹的变化比水流运动轨迹的变化平缓, 泥沙轨迹从弯道入口开始逐步偏离水体轨迹, 其偏离程度随泥沙粒径增大而增大. 通过采用底沙的运动强度和方向来求解推移质运动方程以及床面变形, k-ε-k_p模型能够比单流体模型更好地模拟弯道内的床面演变.     

青藏铁路块石夹层路基结构的冷却作用机理

为研究块石夹层路基结构的冷却作用机理, 建立了开放和封闭状态下块石夹层路基结构试验段, 获得了一个冻融循环的监测资料. 研究结果表明, 开放状态下冬半年块石层内温度场主要表现为强迫对流效应; 当风速减小时, 靠近坡脚处块石层内能产生微弱的空气对流效应; 夏半年块石层以热传导过程为主. 封闭状态下, 由于阻断了风的影响, 块石层内强迫对流效应减弱, 全年基本以热传导过程为主. 块石夹层路基结构对路基下部土体产生的冷却作用机理主要为强迫对流效应加微弱的空气自由对流效应, 其过程和冷却作用强度主要与风速和风向有关. 由于冷却作用机理的差异, 开放和封闭状态块石层对路基下部土体的冷却作用要相差2~4℃.     

晶体硅太阳电池SiNx/Al 背反射性能研究

随着硅片的不断减薄, 晶体硅太阳电池背反射性能变得越来越重要. 本文首先采用PC1D 软件进行理论模拟, 研究背反射率对电池的电学和光学性能影响. 模拟表明, 电池的短路电流、开路电压和内、外量子效率均随着背反射率增大而变大. 当电池背反射率从60%增加到100%时, 电池短路电流提高了 0.128 A, 最大输出功率提高了 0.066 W, 开路电压提高0.007 V; 1100 nm 波长下, 内量子效率提高39.9%, 外量子效率提高17.4%, 电池效率提高了0.4%. 然后, 通过丝网印刷技术制备了SiN_x/Al 背反射器, 实验结果表明, 在长波波段SiN_x/Al 背反射器具有良好的背反射性能, 在1100 nm以上的长波波段含有SiN_x/Al 背反射器结构的电池比普通Al 背场电池对同波长光的背反射率高出15%, 因而具有更高的电池效率.     

超燃冲压发动机燃烧室内湍流燃烧流场的数值模拟研究

应用经显式可压缩修正的SST湍流模型,对超燃冲压发动机燃烧室流场进行了三维数值模拟,并与实验结果进行了对比.通过对燃烧室流场数值模拟结果的分析给出了湍流燃烧流场的特征.为了定量分析超声速流动条件下湍流燃烧的作用特点,基于湍流燃烧理论与湍流燃烧的数值模拟结果,通过对控制无量纲参数在流场中变化的研究发现：超声速燃烧发生的区域为充分发展的湍流区;在喷口附近湍流和燃烧的作用最强烈;超声速燃烧流动中,湍流引起的火焰非定常效应和局部火焰熄灭现象均可忽略,定常火焰面的近似假设是成立的.     

基于多物理场耦合计算的正六边形微通道热沉构形研究

提出了新的微通道正六边形热沉分别在无回流、边缘回流和中心回流3种回流方式下4种通道结构的设计原型,基于热-流-力-应变的多物理场耦合计算,研究了回流方式、微通道分支数和微通道分布演化对正六边形热沉的最大热阻和基于耗散的当量热阻的影响,并进行了热应力和形变分析.数值计算结果表明:以最大热阻最小化和当量热阻最小化为目标, 3种回流方式中的中心回流式为最佳回流方式,中心回流式六分支微通道正六边形热沉按上层微通道沿六边形内切圆半径分布、下层微通道沿六边形外接圆半径分布为最优构形,可使传热性能最优,且最大热应力为0.28 GPa,比硅的屈服强度小1个数量级以上,最大形变为1.4μm.所得结果可为实际微通道热沉提供多学科设计的理论支撑.     

轴流转桨式水轮机压力脉动数值预测

首先利用修正模型系数的RNGκ-ε湍流模型对轴流转桨式模型水轮机进行了全流道三维非定常湍流计算，经与模型实验结果对比，表明所采用的数值方法和计算结果是准确可靠的．进一步对比分析原型和模型水轮机的计算结果，可以看出原型水轮机压力脉动和模型水轮机压力脉动具有相同的传播规律，但是幅值并不存在相似关系．考虑机组的实际运行状态，在最后部分给出了在考虑转轮流固耦合效应影响下，预估的原型轴流转浆式水轮机压力脉动结果．通过与未考虑流固耦合效应影响的计算结果对比，发现叶片的弹性变形对于水轮机压力脉动的频率和振幅都有降低作用．     

超声速气流中喷射角度对射流混合特性的影响研究

本文采用AUSMPW格式,求解全NS方程加SST双方程湍流模型,研究了超音速气流中横向喷射的流场.数值模拟给出了流场中由于射流喷射引起的附面层分离、马赫盘等现象,计算结果的壁面压力分布和试验结果吻合较好.在此基础上重点分析了喷射压力和喷射角度对燃料混合特性的影响.     

三元复合驱提高石油采收率渗流机理的实验研究

通过建立纵向非均质油藏物理模型, 在物理模型上布置压差传感器和饱和度测量探针, 测量三元复合驱的开采效果、压力场和饱和度场变化, 研究三元复合驱提高采收率的宏观渗流机理. 渗流场变化是三元复合驱提高采收率的重要原因, 油藏内压力变化和饱和度变化是非线性耦合在一起的, 它们之间的相互作用导致了三元复合驱渗流场的变化. 对于纵向非均质油藏, 三元复合驱提高采收率的机理是: 高渗层内主要通过驱替残余油, 提高驱替效率而提高采收率, 渗流场的变化使三元复合剂波及到中低渗层, 驱替出中低渗层的剩余油, 同时提高宏观波及效率和驱替效率而提高中低渗层的采收率.     

旋涡泵高扬程工况结构变化数值模拟研究

为深入了解高扬程工况旋涡泵内部流体的流动机理,获得进出口结构参数变化对旋涡泵性能的影响规律,建立了固定流道的旋涡泵三维流动模型,借助ANSYS FLUENT研究了旋涡泵进出口几何参数变化的基本特征,对比分析旋涡泵内部流场、场程等随几何参数的变化规律.选取典型的闭式双支撑结构旋涡泵的流动区域建立模型,研究不同进出口结构的旋涡泵内部压力场和速度场的分布情况,提出了在固定流道结构下进出口参数对旋涡泵效率提高的设计思路,对优化旋涡泵接口设计有一定的参考价值.