人体上呼吸道内气流流动的数值模拟

建立了一个从人体口腔到前3级支气管的三维几何模型和流场计算模型,在此基础上分别对稳态呼吸时上呼吸道内的流场分布特性及非稳态呼吸时不同时刻呼吸道内的流场分布特性进行了数值模拟,获得了人体上呼吸道喉部、咽部、喉部声门及支气管等处的稳态呼吸和非稳态呼吸时气流流动规律.研究成果可以为可吸入颗粒物在人体上呼吸道内运动及沉积规律的进一步研究提供参考.     

近红外波段气溶胶粒子形状和性质对散射特性的影响

为了研究近红外波段气溶胶粒子的形状和性质对散射特性的影响,将气溶胶粒子视为非球形粒子,并用T矩阵理论对0.94 μm波段的气溶胶粒子进行了一系列计算分析.计算结果表明:进行单个气溶胶粒子的散射计算时其形状因子是不可忽视的元素,单个气溶胶粒子的散射相函数随着粒子形状的不同在前向和后向有明显变化;进行气溶胶粒子前向体散射计算时非球形粒子近似成球形粒子带来的误差较小,后向误差仍较大;气溶胶粒子性质的不同,即折射指数和数密度的不同对散射特性影响较大.     

OSAHS患者与正常人上呼吸道流场特性比较

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(OSAHS)是一种发病率高,具有潜在危险的常见病.定量描述呼吸气流流场的分布情况是阻塞平面正确定位的可靠依据.基于OSAHS患者与正常人上呼吸道螺旋CT影像数据及Weibel模型A的气管-支气管模型,建立了精确量化的上呼吸道生物力学模型.将患者与正常人的数值模拟结果进行比较,得出患者上呼吸道气流速度、压力和壁面剪切应力的分布以及数值均明显异于正常人情况.模拟结果的对比研究有助于探讨人体呼吸道解剖结构的异常对气流分布的影响,对临床上正确诊断与有效治疗该病、深入研究该病与各系统并发症之间的关系都具指导意义.     

岩屑床面非均匀颗粒悬浮特性的探讨

本稳从单颗球形颗粒在非均匀紊动流场中的沉降特性出发,根据悬浮机理的分析得到了由环空流场水力及岩屑层移床特性所表征的悬浮条件,井考虑颗粒形状及其浓度效应等因素的影响,最后得到了非球形颗粒阻尼沉降的速度公式。由此评价在给定流场条件下岩屑颗粒悬浮运移的群体特性。     

钢中非金属夹杂物形态对其去除行为的影响

采用物理模拟手段研究球形、立方体、圆柱体、树枝状、团簇状等钢中常见形状夹杂物形状修正系数的差异性,并分析粒子表面形貌和运动取向对形状修正系数的影响.粒子的形状修正系数与阻力系数满足线性正相关,可以用形状修正系数评价粒子的上浮去除能力;在体积相同情况下,同类型夹杂物粒子的去除能力依次为树枝状(垂直)＜粗糙球形＜立方体＜圆柱(半经6mm)＜圆柱(半经4mm)＜树枝状(水平)＜团簇状(水平)＜光滑球形;粗糙表面的球形其表面积约为光滑球形的2倍,其形状修正系数同时增加2.1倍.简单粒子的形状修正系数受运动取向影响较小,复杂粒子则受运动取向影响较大,树枝状颗粒垂直上浮时的形状修正系数约为水平上浮时的2倍.     

悬浮聚合制备非球形聚苯乙烯/蒙脱土复合粒子

以一种片层状的有机蒙脱土作为改性剂,通过悬浮聚合法制备了毫米级的非球形聚苯乙烯粒子.利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)分析了蒙脱土的片层状结构,通过X射线能谱(EDS)和SEM表征了蒙脱土在聚苯乙烯粒子中的分布情况.考察了悬浮聚合中不同的蒙脱土含量、油水比及分散剂含量对产物粒子形态的影响,并分析了非球形粒子的形成机理.结果表明:随着蒙脱土含量的增加,产物粒子由椭球形向梭形转变;随着油水比的增大,产物由梭形变为盘状;当分散剂含量提高到一定值时,产物将由非球形向球形转变.     

气溶胶粒子形状对其辐射特性影响的研究

在处理大气的长、短波辐射时常常假定粒子为球形。本用扩展边界条件法及Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ方法计算了随机取向的非球形气溶胶粒子的衰减、吸收截面、相函数、不对称因子、单次散射反照率等辐射参量，研究了形状因子及粒子表面粗糙度对这些量的影响。     

颈动脉几何形状对动脉粥样硬化形成的影响

将格子 Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方法应用于模拟真实人体颈动脉分叉的脉动流场,比较了不同几何形状（如 动 脉 窦、分 叉角和颈内动脉弯度）的血管中脉动流场的速度,压强以及壁面切应力分布情况,指出血管中容易发生动脉粥样硬化的部位,从而揭示动脉粥样硬化的形成和发展的血流动力学因素      

基于时域有限差分法的冰晶粒子群多次散射特性

为了精确地利用雷达回波信号反演降雪粒子的微观物理参数,建立满足Gamma谱分布的两类非球形降雪粒子群模型,利用XFDTD软件计算了这两类非球形冰晶粒子群模型在94 GHz频率下的雷达散射截面,分别为-37.690 0和-40.301 0dB·m~2,与简单叠加计算的结果对比后发现绝对误差分别达到0.334 4和0.733 7 dB.在冰水含量一定时,满足Gamma谱分布的两类非球形降雪粒子群模型在分别考虑多次散射和单次散射下雷达反射率因子的绝对误差分别为0.334 6和0.733 7 dB,因此粒子群的多次散射效应在实际气象探测中必须加以考虑.     

基于非解析计算流体力学和离散单元法的大颗粒在流场中的高效率运动模拟

为实现占据多个流体网格的大颗粒在流场中运动的仿真,基于计算流体力学和离散单元法耦合(computational fluid dy namics-discrete element mothod,CFD-DEM),提出了一种新的数值方法.使用黏结颗粒模型将大颗粒近似表示为多个小球形颗粒黏结而成,基于非解析CFD-DEM方法计算流体对每个小球颗粒的作用力,将所有小球颗粒运动参数的平均值用于描述整个黏结颗粒的运动状态.通过黏性流体中球形大颗粒的沉降运动模拟,比较仿真结果与相关实验数据,结果表明:该方法不仅能准确模拟球形大颗粒的沉降运动,而且与浸没边界法相比计算效率更高.与传统的解析CFD-DEM方法相比,此方法还可以方便且准确地模拟三维情况下非球形大颗粒在流场中的运动.     

柱状粒子间相互作用对沉降运动的影响

与单个柱状粒子沉降速度相比,多个柱状粒子沉降的总体平均速度是增大还是减小,目前存在不同的观点.文中建立了粒子接触时的弹性碰撞模型,对不同数量和不同长径比的柱状粒子沉降问题,采用格子Boltzmann方法进行数值模拟,得到了粒子沉降时的总体平均速度、取向分布和横向漂移,结果说明随着粒子数量的增加,粒子的总体平均沉降速度也增加,而横向漂移距离减少,粒子的最终取向趋向于水平分布.     

冰晶中空气及多次散射效应对雷达探测的影响

雷达反射率因子受云中冰晶粒子空气含量以及多次散射效应的影响.首先利用Debye理论计算不同空气含量下冰晶粒子的等效介电常数,之后利用基于矩量法的FEKO软件计算了不同空气含量下的RCS,结果表明:后向散射能量会随空气含量的增大而减小.针对云中粒子多次散射对雷达探测的影响,首先利用FEKO软件研究六种相同的非球形粒子的RCS随间距的变化关系,结果表明:最小互散射值均大于不考虑多次散射效应时的RCS;为了研究粒子的空间位置对散射截面的影响,利用HFSS软件研究了两个球形粒子的散射情况,结果表明:RCS增大或减小与粒子间相对位置有关;最后利用FEKO软件计算了多个非球形粒子组成的粒子群时的互散射问题对雷达后向散射截面的影响,结果表明:多次散射效应的RCS结果小于不考虑互散射的结果,因此多次散射增大或者减少后向散射的能量主要取决于各个粒子散射回波的相位.     

竖流式沉淀池内流动与污泥沉积特性模拟

竖流式沉淀池内的流动特性和泥水分布规律是结构、工艺设计的关键,然而其内部的流场难以通过常规的实验手段获得,且物理模型花费较大.因此建立了竖流式沉淀池内泥水分离的混合物模型,应用计算机流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)软件对其流场和浓度场进行三维数值模拟.竖流式沉淀池内存在流动漩涡,造成靠近进水管外侧和沉降筒体内侧的流速相对较高.在高度z=2m处的沉降筒体中部流场较好,是泥水重要的沉降分离区域.随着入口流速的增大,沉淀池内受到的扰动增大,导致处理效果变差,当流速从0.01 m/s增加到0.03 m/s的过程中,水出口的污泥去除率从96.35％下降到89.17％.大粒径的污泥颗粒在泥斗中产生了更好的沉积效果,当污泥粒径从50μm增加到200μm的过程中,污泥去除率从31.93％升高到99.92％.由此可知,采用数值模拟方法能够很好的计算得到不同工艺参数下沉淀池内的泥水分布情况和流场规律,从而为工程设计提供参数依据.     

气溶胶粒子的吸收对散射光强的影响

研究了气溶胶粒子的球形和旋转椭球两种模型的吸收效应对散射光强分布的影响. 文中使用Mie散射理论和T矩阵两种方法,分别得到了球形粒子和旋转椭球粒子对正入射的偏振光和非偏振光散射的散射光强随散射角的变化关系,同时,给出了气溶胶粒子的吸收效应对后向散射光强影响的仿真结果. 根据计算出的结果模拟得到了后向散射光强与球形气溶胶粒子的吸收效应成指数关系,而与旋转椭球气溶胶粒子吸收效应成非线性变化关系.      

四斜叶桨搅拌槽内部流场PIV试验研究

针对搅拌槽内非牛顿流体混合不均匀问题,基于无接触式粒子图像测速技术(PIV)研究了四斜叶桨带挡板搅拌槽内非牛顿流体流场流动状况.PIV试验采用透明的黄原胶溶液作为非牛顿流体.试验结果表明:搅拌转速的变化不仅改变流场的流型,也改变流场的流速分布、湍动能分布及涡量分布的位置和大小;随着搅拌转速的减小,主循环流和反向小循环流的涡心向上偏移,同时在向上偏移过程中,涡型逐渐减小,电机驱动功率也随着搅拌转速的减小而减小;黄原胶溶液质量分数的增大影响了流场的主循环流的流动范围,使搅拌桨下部区域的流动强度明显减小,同时也导致了整个流场流速降低和流体流动传递距离减小,故高搅拌转速是非常有必要的.     

磁性壳聚糖纳米粒子的制备及表征

以市售Fe3O4粉末为原料,经化学处理制得纳米Fe3O4糊状物;向Fe3O4糊状物中加入壳聚糖,制得磁性壳聚糖纳米粒子.用透射电子显微镜观察到Fe3O4粒子呈较规则的球形,粒径为8～12 nm,分布均匀;包覆壳聚糖以后,粒子粒径增大到10～15 nm.经红外光谱检测,壳聚糖已包覆Fe3O4粒子.用紫外-可见光谱仪检测溶液吸光度的变化来研究包覆粒子的磁响应性,研究结果表明:当无外加磁场时,粒子的沉降速率很慢;当施以磁感应强度为8 mT的磁场时,粒子沉降速率快速增大;磁性壳聚糖纳米粒子具有磁性稳定和靶向性强的优点.     

滴头壁面形貌对微颗粒与壁面黏附特性的影响

为了研究在含沙滴灌条件下,灌水器迷宫流道内壁面形貌对灌水器内流动特性以及流道内颗粒-壁面黏附的影响,以详细分析灌水器的堵塞机理,对不同形貌的矩形流道进行了水力性能测试实验,并利用粒子图像测速(PIV)平台对灌水器流道内颗粒-壁面黏附进行可视化实验,结合计算流体动力学的方法对其流场进行了数值仿真计算.研究结果表明:壁面粗糙元(高度为流道水力直径的10%)使得流道的阻力系数显著增大,即在同一工作压力下灌水器的出口流量变小;粗糙元改变了流道内沙粒浓度的分布,且粗糙元附近的沙粒速度较低,粒子与壁面碰撞后更容易黏附壁面,使得灌水器流道更容易堵塞.     

薄板坯连铸工艺因素对结晶器非稳定流场特征参数的影响

利用波高仪和粒子示踪法在1∶1的水力学模型中研究了薄板坯连铸工艺参数对结晶器内非稳定流场特征参数的影响.结果表明:流场特征参数随时间变化具有一定的周期性.随着拉坯速度增加,平均射流撞击位置下降,平均回流区中心深度下降,平均波高增加;同时,撞击点、回流区中心深度和波高的变化范围增大,周期减小,结晶器内流动不稳定程度增大.随着水口浸入深度增加,平均射流撞击位置下降,平均回流区中心深度下降,平均波高减小;同时,撞击点、回流区中心深度和波高的变化范围减小,周期增加,流场不稳定程度减小.随着水口出口角度增加,平均射流撞击位置下降,平均回流区中心深度下降,平均波高减小;对于较大的水口出口角,尽管结晶器内流场非稳定流动范围较大,但是流场的运动周期较大,液面波动的非稳定程度却较小.     

球形面喷涂成膜特性研究

针对球形面喷涂成膜气液两相流动耦合过程,利用欧拉-拉格朗日法建立球形面喷涂成膜模型,模型包括连续相模型、离散相模型和撞击黏附模型,并采用多面体网格和SIMPLE算法对其进行求解.数值模拟结果表明:球形面喷涂喷雾流场形态与平面喷涂喷雾流场形态在扩散区基本相同,但在成膜区球形面喷雾流场气相速度更大、覆盖范围更广;喷雾流场中的大粒径液滴和中等粒径液滴是形成涂料液膜的主要来源;球形面喷涂涂膜轴向投影为椭圆的球面,平面喷涂涂膜为椭圆面,两者涂层厚度均沿椭圆径向方向递减;球形面喷涂涂层厚度比平面薄,涂膜分布范围比平面小,涂料涂着率比平面低,但涂层均匀性比平面好;随着球形面直径增大,球形面喷涂涂膜覆盖范围逐渐扩大,涂层厚度增大,涂着率增大,涂层厚度均匀性增加.喷涂实验验证了球形面喷涂成膜特性.     

导流片对90°矩形弯管内粒子沉积的数值分析

采用数值模拟的方法研究分析了工程中常用的水平弯管在设置导流片与否的情况下,管内气流特征和粒子在其内壁面的沉积规律。结果表明,导流片的设置使管道流场更加均匀,不同风管尺寸和管内流速时,弯管内粒子沉积速度的空间分布相似。内侧内壁面粒子沉积速度与风管宽度、管内流速均呈正相关;外侧内壁面粒子沉积速度随风管宽度增加而减小,随管内流速增加而明显增大。利用模拟的64个工况数据,提出了4类弯管内、外侧内壁面平均粒子沉积速度预测公式,为预测弯管内壁面沉积量、确定风管清洗必要性提供了理论依据。