Bulk Flow方法分析孔型密封转子动力特性的有效性

基于Kleynhans和Childs的两控制容积等温BF(Bulk Flow)模型,通过增加能量方程和理想气体状态方程,建立了理想气体BF方法的数学模型,来预测和分析孔型密封转子在偏心状态下的静力学和动力学特性.由于转子在密封中心附近做微小涡动,故可通过采用摄动方法使得NS方程的求解过程得到较大的简化,再通过迭代求解简化后的零阶和一阶摄动方程组,就可以求出孔型密封的流场和动力特性系数.以此为依据发展了相关程序,计算出了不同工况条件下孔型密封的转子动力特性系数与激振频率的关系,通过与已有的实验数据和等温BF模型的计算结果进行对比,验证了理想气体BF模型及相关求解方法的有效性.结果表明:理想气体BF模型的预测结果与实验数据吻合良好,且优于等温BF模型的计算结果,证明了该理想气体BF模型的正确性和计算方法的可靠性.该方法可用于孔型密封动力特性的预测.     

袋型阻尼密封转子动力特性的多频单向涡动预测模型

为了满足宽频域下阻尼密封转子动力特性的计算要求,针对单频涡动模型计算量大的问题,提出了采用动网格技术和非定常数值方法来预测袋型阻尼密封转子动力特性的多频单向涡动模型.以转子多频单向涡动位移作为激励信号,采用非定常方法和动网格技术进行了三维ReynoldsAveraged Navier-Stokes (RANS)方程的数值求解,从而获得了袋型阻尼密封的瞬时流体激振力.通过快速傅里叶变换,在频域内计算了10个频率的8个转子动力特性系数,并与实验值进行了比较.结果表明:数值计算得到的袋型阻尼密封转子动力特性系数与实验值吻合良好,从而验证了基于多频单向涡动模型的数值方法能够可靠预测袋型阻尼密封转子动力特性.     

大曲率结构化表面湍流流场特性对比研究

湍流模型选择对于小尺寸大曲率圆管内软性磨粒流湍流流场模拟计算具有重要影响.针对此问题,提出使用标准k-ε模型与考虑两相磨粒流平均流动中的旋转及旋流流动情况的重整化群(RNG)k-ε模型进行仿真对比研究的方法.基于颗粒动力学理论的欧拉模型,对软性磨粒流的控制方程进行求解.通过使用两种湍流模型,对小尺寸大曲率圆管内湍流流动进行仿真计算,得到了两湍流模型下软性磨粒流流场的速度、压力、湍动能等数值模拟结果.仿真结果对比分析表明:标准k-ε模型模拟得到的速度值与实验值存在一定误差,而RNG k-ε模型仿真的速度值误差相对较小;标准k-ε模型对湍动能的估值计算比RNG k-ε湍流模型高,难以计算有滞止点的流动过程;RNG k-ε湍流模型能更有效地模拟有大曲率带分离的湍流流动,从而证明该模型更适合小尺寸大曲率圆管内软性磨粒流湍流流动的研究.     

考虑进口预旋的阶梯型迷宫密封转子动力特性

针对阶梯型迷宫密封转子动力特性受进口预旋影响的问题，提出了考虑进口预旋的阶梯型迷宫密封动力特性计算方法。基于Murphy小位移涡动原理建立气流激振力-转子位移-转子速度的控制方程；采用计算流体力学(CFD)数值模拟方法对不同预旋比的全环密封流道进行计算，通过频域内求解控制方程得到了刚度和阻尼等动力特性参数，研究了不同预旋比的情况下阶梯型迷宫密封的动力特性；绘制了流道内的压力分布和流速矢量图，研究了阶梯型迷宫密封的流场特性。数值仿真结果表明：随着预旋比的增加，直接刚度在低频部分增大，在高频部分减小，交叉刚度几乎不变，交叉阻尼随预旋增加而减小；气流预旋明显降低了直接阻尼，相较于预旋比λ=0的情况，λ=0.255及λ=0.516的工况下直接阻尼的预估值平均减小了16.9%和21.4%;随着节流次数增加，气流经过密封齿的压降逐渐增加，分别为0.25、0.374和0.499 MPa,密封齿顶的流速也逐渐增加，分别为79.5、88.36和106.0 m/s;由于密封齿阶梯式的排列增加了主流道的复杂性，阶梯密封流道分为节流区、射流区和涡流区，涡流区2个转向相反的旋涡增加了流道内气流动能的耗散。     

钝体矩形断面绕流场机理与主分量分析

为研究钝体矩形断面的绕流场特征和气动特性,针对宽高比为4的矩形断面,基于雷诺时均N-S方程和SSTk-ω湍流模型开展了断面绕流场非定常CFD模拟,得到了与其它文献报道一致的断面阻力系数、涡脱St数、上下面压力平均值和脉动值分布、平均涡脱位置和再附长度.对表面脉动压力时程的主分量分析表明,第一主分量与压力脉动RMS分布一致,能反映表面不同位置的脉动压力强弱和整体分布特征.基于上下面第一阶主分量形状,可确定其分离剪切流中主漩涡的脱落位置.基于第一阶主分量系数,可获得矩形断面绕流的涡脱频率.矩形断面上下表面的主漩涡脱落主导了上下表面的压力脉动特征.     

考虑气动阻尼的浮式风机频域响应分析

分析了气动阻尼对浮式风机频域响应的影响.选取美国可再生能源实验室(NREL)提出的5兆瓦(MW)浮式风机模型作为算例,利用气动阻尼计算方法建立气动阻尼矩阵,再基于三维势流理论计算浮式平台的水动力系数,并将系泊系统视为线性弹簧以考虑其刚度,最后在频域内分别建立并求解考虑与不考虑气动阻尼两种情况下的浮式风机刚体运动方程.利用求解频域方程得到的幅频响应算子(response amplitude operators,RAOs)及结合JONSWAP海浪谱得到的响应谱,在频域内分析了气动阻尼对浮式风机刚体运动的影响.结果表明:作业工况下气动阻尼能有效地降低纵荡和纵摇运动RAOs的峰值,且能在一定范围内减小对应自由度上响应谱的幅值和零阶矩.     

湍流局地平衡假设的新推论—齐次湍流动输运方程封闭模型与应用（Ⅱ）

在湍流局地平衡假设下,建立了齐次湍能输运方程封闭模型（HKE）,并在平板边界层的两种经典流动中加以检验,给出HKE封闭下的流速,湍流功能和湍流混合系数剖面的形式解,结果表明,HKE可以避免在流速剪切为零时的无湍流混合问题,其解与Laufer湍流实验吻合,因而KE模型比混合长理论有更合理的内涵,文中还给出HKE封闭的浅动力学模型,以湍应力和水位梯度力的平衡为运动的基本受力平衡,进行了模型的量阶分析和运动分析,当阻尼频率和运动频率同量阶时,惯性运动不可,在潮振荡占荡占优的浅海中,对流非线性相对于惯性运动为小量,当阻尼频率足够大时,科氏力项相对于湍应力也可能为小量。     

微梁谐振器高阶振动时的挤压薄膜阻尼效应

研究了在微梁谐振器结构中，梁作高阶振动时挤压气体薄膜的阻尼效应．采用无量纲化法、模态分析法和摄动法对可压缩雷诺方程进行线性化，求得在空气压力和外加电载荷激励作用下梁振动的共振频率变化比和品质因子等动力特性的变化情况．结果显示这些特性参数都可以用两个与梁的尺寸有关的无量纲参数表示。     

基于压阻反馈信号纳米梁非线性振动控制

研究了基于硅压阻效应纳米梁非线性振动控制方法。在纳米梁固定端上表面粘贴硅压阻膜片,压阻膜片的电阻值随着纳米梁的振动发生变化。利用惠斯通电桥电路提取振动信号作为电压反馈控制信号,控制纳米梁的非线性振动。用多尺度法求解方程,得到系统主共振的幅频响应方程。由幅频响应方程分析系统非线性振动方程解的稳定性,研究了交流激励电压幅值、阻尼、反馈增益参数对系统稳定性和振幅的影响规律。研究结果表明:激励电压由0.25 V减小至0.1 V时,最大振幅衰减60%。无量纲阻尼由0.058 5增加至0.087 8时,最大振幅衰减40%。增大阻尼和反馈增益参数可以减弱甚至消除纳米梁振动的非线性特性。该研究成果为纳米梁非线性振动控制及信号提取提供了一种理论方法。     

超疏水性圆管湍流减阻的数值模拟

针对超疏水表面功能材料在流动减阻方面的潜在应用,使用数值模拟方法研究了超疏水性圆管内的湍流流动特性.研究表明:其流场中存在临界Re,当Re大于此临界值时,超疏水性圆管内的湍流流动表现为减阻;反之,则表现为增阻.超疏水表面无滑移壁面与自由剪切面的综合效果是导致这一现象的主要原因.     

有吹吸速度的外掠多孔平板湍流边界层的积分方法

具有吹吸速度的外掠多孔平板湍流流动特性是研究发散冷却和气膜冷却的基础,具有重要的理论研究意义.将湍流速度边界层划分为层流底层和湍流核心区,采用三次多项式和1/5次幂函数分别代表流体沿两个区域厚度方向的速度分布,通过积分方法建立了动量方程,利用四阶龙格-库塔法求解得到可渗透壁面湍流边界层速度场的理论解析解,同时获得了壁面摩擦系数.对比表明,解析解与Whitten、Blackwell试验结果以及Kays的经验公式符合得较为满意,证明了所提出的湍流理论模型的正确性.     

基于行人动力学模型的人桥竖向动力相互作用

基于行人动力学模型,研究了人-桥竖向动力相互作用。行人动力学模型采用以行人步频和体重表示的刚度-质量-阻尼(SMD)模型,人行桥假定为Euler-Bernoulli梁模型,建立人-桥竖向动力相互作用控制方程。采用状态空间法进行非比例阻尼系统瞬时模态的求解,得到系统的时变频率和阻尼比;利用变步长四阶五级Runge-Kutta-Felhberg算法求解时变控制方程,对比分析考虑人-桥竖向动力相互作用和只在人行荷载作用下人行桥的动力响应。结果表明:考虑人-桥动力相互作用,人行桥自振频率略有降低,阻尼有显著增大;当行人以人行桥的频率行走时,考虑人-桥竖向动力相互作用结构的动力响应比不考虑人-桥相互作用显著降低。     

直流逆变分布式电源降阶模型及小扰动稳定分析

分布式电源类型及控制方式多样,致使含多种分布式电源的小扰动机电暂态分析的电网模型复杂,分析难度加大.针对应用较广的光伏和燃料电池两种分布式电源,在对其全阶状态空间模型的特征分析和电池动特性时间尺度分析的基础上,提出了前馈解耦控制下考虑电池U-I外特性和逆变控制系统动特性的光伏发电系统降阶模型和忽略逆变系统快动态特性的燃料电池降阶模型,并应用于4机2区域系统并网小扰动分析.研究结果表明:直流DG并网主要通过改变系统潮流及平衡点影响系统阻尼特性;直流DG出力增加时,与采用降低出力增加旋转备用运行方式的常规机组强相关的模式阻尼特性会呈现增大的趋势.     

双层高阻尼隔振器动力学特性研究

提出一种由正负刚度元件组成的双层高阻尼隔振器,并建立其系统动力学模型.分别采用拉氏变换给出其频响特性和力传递率,利用四阶龙格-库塔法得到其时域响应.通过与单层/双层参考线性隔振器和单层高阻尼隔振器的动力学特性对比,双层高阻尼隔振器可以在中低频段较宽范围内实现振动响应的有效控制,且对多频激励的控制效果最优.文中重点关注了高阻尼隔振器设计参数刚度比α和安全系数ε对其响应特性的影响.计算结果表明:参数选择合适,可实现高阻尼隔振器无谐振峰的振动控制效果.      

弹性地基上夹紧圆板加热后的非线性轴对称自由振动

根据弹性地基上的加热圆板非线性轴对称自由振动的无量纲常微分控制方程,结合周边夹紧的边界条件,采用打靶法得到了数值解答.分析了不同无量纲地基刚度系数k对应的1阶热屈曲模态,给出了无量纲升温μ对应的前3阶无量纲自然频率,同时得出了不同无量纲地基刚度所对应的前3阶振动模态.     

分数阶在磁流变液性能研究中的应用

将分数阶微积分引入Maxwell粘弹性流体的本构方程中,建立修正的Maxwell模型以描述磁流变液.通过贮能模量和耗能模量曲线,研究磁流变液的阻尼特性.在不同的磁流变液体组成参数实验条件下,理论的贮能模量和耗能模量能够与实验结果很好拟合,且模型阶数有着明显变化.研究表明,分数阶的本构方程能够很好地描述磁流变液的阻尼特性,方程分数阶算子与磁流变液物质参数有关.     

用同伦分析方法求解一类燃烧模型

研究了一类非线性燃烧模型.利用同伦分析方法,首先构造零阶形变方程,然后由高阶形变方程得到了该模型的形式近似解,最后证明了解的有效性.     

水下多缆多体拖曳系统运动建模与模拟计算

针对水下多缆(阵列)多体拖曳系统,给出了其动力学数学模型及其对应的数值求解方案,用以预报分析其在各种情况下的运动响应特性.模型由3部分组成:基于集中质量法给出了拖缆的运动控制方程;水下工作拖体因其为系统的关键部件而采用潜艇6自由度运动控制方程进行精确描述;而系统中另一个小型拖曳体因其尺度相对很小则简化为质量点融入拖缆的控制方程中.通过建立拖缆和拖体耦合边界条件将其耦合成一个整体,并采用4阶龙格库塔方法进行积分求解.最后针对4缆2拖曳体系统展开数值计算,研究了系统在不同情况下的运动响应特性,给出了一些规律性结论.     

阻尼模型对复杂结构水管桥地震响应分析的影响

与对普通桥梁的抗震性能研究不同,对水管桥研究时需考虑动水压力的影响,以附加质量的形式模拟动水压力对水管桥动力特性和地震响应的影响.阻尼是结构动力响应分析中的重要参数,针对阻尼模型的合理选择进行讨论.水管桥自振特性复杂,对横桥向分别采用Rayleigh阻尼模型、分块Rayleigh阻尼模型进行动力计算;对顺桥向采用Rayleigh阻尼模型进行动力计算.两个方向均以振型叠加法所得结果作为精确解,评价了各阻尼模型的合理性.结果表明:分块Rayleigh阻尼模型更能合理地模拟结构横桥向振动的阻尼特性,而顺桥向按Rayleigh阻尼计算就能得到较好的精度.     

蜂窝密封动力特性参数的CFD数值分析方法

运用商用CFD软件Fluent,采用三维建模的方法分别建立圆柱形蜂窝密封和圆锥形蜂窝密封的几何模型,针对蜂窝密封几何结构复杂、密封间隙小且径向流动参数变化剧烈的特点,采用了六面体网格划分、增加密封间隙径向网格密度和非平衡壁面函数湍流模型等方法,依次计算出两种形式的密封结构的主刚度、交叉刚度和主阻尼,并与相关的实验数据和解析计算结果相比较,得出本文数值计算方法比原有的解析计算方法有更好准确性,为今后的蜂窝密封动力特性分析和密封结构的优化设计提供一种有效的分析手段。