基于两相流欧拉方法的中空纤维管血流动力学数值模拟

对人工肝中空纤维管内血液两相流动进行了三维数值模拟,研究了中空纤维管内血流速度分布、红细胞径向体积分数分布、黏度分布以及壁面条件对红细胞体积分数分布的影响.结果表明,红细胞在轴心附近处黏度高,在壁面处黏度低;红细胞流速略大于血浆流速;红细胞沿径向体积分数分布呈双峰状,随各截面与入口距离增加,邻近壁面处的红细胞体积分数逐渐减小,壁面处的红细胞体积分数逐渐增大;不同壁面条件下,壁面处的红细胞体积分数随所受升力减小而增大,远离壁面运动趋势减弱.     

反应器内温度梯度对Taylor涡胞结构的影响

采用CFD技术,数值模拟了化学反应器中温度梯度对Taylor涡胞结构的影响特征,研究了径向温度梯度对轴向Taylor涡胞结构、强度及其临界雷诺数Re的影响特点.研究结果表明,径向温度梯度能抑制中部Taylor涡胞形成,致使系统的临界Re增加;随着径向温度梯度的增加,涡量向温度降低的方向迁移,涡量分布的径向梯度也随之增加;端部的Taylor涡胞强度最大,其集中涡量主要分布于内壁面,且有助于促进流体的热传递效果,中部的Taylor涡胞强度较弱,其对促进流体热传递的效果并不明显.     

车载方舱手术室颗粒物质量浓度分布仿真与参数优化

 为有效降低车载方舱手术室的颗粒物质量浓度,提高室内空气洁净度,通过对某车载方舱手术室颗粒物扩散分布规律的仿真分析,以工作平面颗粒物质量浓度最小为目标,以工作平面平均风速为约束条件,建立优化模型,采用序列响应面法对送风速度和送风角度参数进行了优化求解研究。结果表明,手术室的回风口在长边壁面对称布置时,能有效促进室内空气的流动,有利于颗粒物质量浓度的降低;在顶部送风、两长边壁面下侧回风的非单向流手术室内,颗粒物质量浓度主要受气流的影响,主导颗粒物扩散的方向为下风向时,主流区的颗粒物质量浓度较小,医护人员周边及壁面的颗粒物质量浓度较大;优化后的送风速度和送风角度使手术室的颗粒物质量浓度降低78.19%,室内空气质量达到洁净标准。该优化方法可为野外环境下的洁净手术室通风系统设计提供依据。     

旋转带肋回转通道流动换热数值模拟

为进一步了解涡轮动叶旋转内冷通道的流动换热规律,选取动叶内通道的相似放大模型进行实验和数值模拟研究。通道进口雷诺数为17 000,3个出口的流量分配比为1∶2∶1,旋转半径与水力直径比为46.4,旋转数分别为0和0.09。静止实验测量了沿程静压系数和努赛尔数(Nu)分布,三维数值模拟了旋转通道内部涡结构对流动换热的影响。结果表明:旋转造成通道涡偏移,改变了速度场分布,使哥氏力指向的壁面附近流速增加;旋转离心力使径向出流沿程静压系数逐渐增加,径向入流沿程静压系数迅速降低;肋扰流涡使沿程展向平均Nu呈多波峰状分布;转弯回流涡使得转弯下游通道的Nu不对称分布;旋转促使内通道的流体偏向哥氏力指向的壁面,增加了径向出流压力面和径向入流吸力面的Nu。     

压力能驱动的自搅拌反应器流动特性数值模拟

提出了一种新型自搅拌管式反应器,并采用数值模拟方法对新型自搅拌溶出反应器内的流体流动特性进行了研究.在搅拌转速不变的情况下,研究了不同入口流速对反应器内部流体流动的影响.结果表明:不同流速下,反应器内部轴向流速整体分布均匀,但反应器入口和出口的流体,由于受到扰动作用速度偏大,且靠近出口的流速低于入口附近流速.径向靠近壁面处速度稍大,靠近搅拌轴处速度略小,说明搅拌桨叶端部对流体作用更大.入口流速为8.3 m/s时,更利于反应器内环流的形成.     

变径流化床反应器内的气固流动特性数值模拟

采用计算颗粒流体力学(CPFD)的数值模拟方法,对直径为160 mm、高度为273 3 mm的变径流化床反应器内的气固流动特性进行冷态模拟,研究不同气速及不同初始物料量对流化床反应器气固流动特性的影响,得到流化床内颗粒体积分数、颗粒速度以及颗粒停留时间的分布。结果表明,当气速不小于2.5 m/s时,流化床内颗粒体积分数轴向分布更为均匀,颗粒速度呈中间高、两边低的倒"U"形分布;壁面附近的颗粒停留时间长于中心处,使得壁面附近的颗粒趋于聚集;流化床的轴径向颗粒体积分数随着初始物料量的增加而增大。     

幂律流体同心环空内层流脉动流的数值分析

建立幂律流体环空内层流脉动流的数学模型,采用SIMPLE算法进行数值求解,得到幂律流体环空脉动层流的流动特性。结果表明:幂律流体环空脉动流的流动特性与稳态流动时差异较大;环空脉动流在距入口非常短的一段距离内就可达到充分发展,且不同时刻的入口段长度随时间而变化;低脉动频率下速度分布曲线类似于稳态时的抛物形分布,高频率下壁面附近的速度分布曲线发生扭曲,振荡速度的最大值出现在壁面附近;内、外壁面的摩擦系数和轴向压力梯度均近似满足正弦变化规律,脉动频率、振幅和流体流性指数的增加均会使壁面摩擦系数和轴向压力梯度及其变化幅度增大。     

环形中心钝体驻涡燃烧室后钝体进气位置研究

采用Fluent软件对驻涡腔不同后钝体进气位置时冷态条件下环形中心钝体驻涡燃烧室流场进行数值研究.详细分析了不同后钝体进气位置时,环形中心钝体驻涡燃烧室典型截面的压力与流线分布,并对不同后钝体进气位置时驻涡腔内的流线、平均速度、平均静压以及燃烧室总压损失系数的变化规律进行比较.结果表明:不同后钝体进气位置时,驻涡腔内均形成了4个旋涡,但驻涡腔内旋涡的大小、形状和位置略有不同;在各个后钝体进气位置时,驻涡腔内的平均速度随后钝体进气位置向驻涡腔外侧偏移逐渐减小,平均静压、平均湍流度逐渐增大;燃烧室出口总压损失在后钝体进气位置为1.5时出现最小值,在后钝体进气位置为0.75时其次,其值为0.0799;燃烧室出口总压和出口气流速度沿径向随后钝体进气位置改变变化不大.     

柱状旋流分离器旋转涡核边界分布特性

采用微分雷诺应力模型对柱状旋流分离器气体单相流场中的旋转涡核边界分布特性进行数值模拟,阐述涡核的衰减形态,考察升气管直径、入口面积以及筒体长度变化对旋转涡核边界分布的影响。结果表明:零轴速包络边界与旋转涡核边界分属不同面,二者分布于升气管投影面的两侧;旋转涡核在分离器中的自然终止形态是涡核尾端弯曲终止于壁面,并沿壁面做圆周运动;涡核边界宽度随升气管直径的减小、入口面积的增大而减小;当筒体较短时,在较大跨度的升气管直径分布内,涡核边界沿轴向近似成柱状分布。筒体长度增加会使切向速度沿轴向产生衰减,涡核边界在升气管入口区域向外扩张,沿轴向向下逐渐收缩。     

柴油机颗粒捕集器中流场的三维数值研究

柴油机颗粒捕集器是能够有效减少颗粒物排放的装置,而颗粒捕集效率很大程度取决于其内部的气流分布。基于体积平均法建立了捕集器内的三维流体模型,并对流场分布进行分析。在六种入口轴向速度下,研究了进排气通道的平均轴向速度以及多孔壁面的平均渗流速度特点。结果表明:进气通道的平均速度非线性减小,排气通道平均速度非线性增大,交叉点之后平均速度的变化明显加快;多孔壁面的平均渗流速度先减小后增大;进、排气通道平均轴向速度交叉点以及多孔壁面平均渗流速度的最小值出现在捕集器中心处之后。     

换气量对地板送风房间可吸入颗粒物浓度的影响

可吸入颗粒物浓度是影响室内空气品质的重要因素.为了研究地板送风空调系统室内空气品质,分析了室内可吸入颗粒物浓度影响因素,建立了关于颗粒物浓度的模型,求出其分析解,并提出"颗粒物浓度准稳定时间"因子作为反映房间颗粒物浓度衰减速度的参数.基于该模型的解析结果,发现换气量是通风时对房间颗粒浓度最重要的影响因素.在一间地板送风全比例模型房间内进行了实验,实验验证了所建立的模型能正确有效地预测可吸入颗粒物浓度的变化.结果表明:加大换气量可以使地板送风空调系统室内可吸入颗粒物浓度降低且颗粒物浓度准稳定时间缩短.     

基于径向基函数的结冰收集率计算的两级插值方法

为提高飞机结冰数值模拟中粒子轨迹计算的效率,基于拉格朗日方法,提出了两级插值方法。第一级插值为收集率插值,根据水滴轨迹在壁面撞击位置的收集率,采用径向基函数插值计算所有网格的收集率;第二级插值为轨迹插值,把水滴从远场运动撞击到壁面过程分为两个部分,在距机翼较远位置计算少量水滴轨迹,在壁面附近位置加密计算大量水滴轨迹。采用收集率插值时,由于结冰累积,线性插值或者高阶样条插值方法在遮蔽区内插值不准确,引入径向基函数插值来解决该问题。给出的算例表明,两级插值方法能够极大的提高拉格朗日法计算收集率的效率,径向基函数插值能够避免遮蔽区内插值不准确的问题。     

凹壁不稳定性流动的数值计算

凹壁结构在工业应用的多个领域中都是很常见的,由于离心力不稳定性,流体流过凹壁面附近时可能会产生G?rtler涡。为了研究这些涡的特性及对流场产生的影响,采用CFD技术对曲率半径为2 m的弯曲渠道的流动过程进行数值模拟。用有限体积法对模型进行空间离散,采用大涡模拟中Smagorinsky-Lilly模型进行计算。通过与实验结果进行对比发现,计算结果能较准确的反应G?rtler涡随流动的发展过程。在此基础上进行的分析表明:在速度3 m/s,湍流度0.35%的进口条件下,沿流向流过一段距离后,在靠近凹壁的边界层中产生了G?rtler涡;涡轴平行于流动方向并且相邻涡轴之间的距离保持不变;随着涡在展向和法向空间的增长,速度等值线出现"蘑菇状"结构;靠近出口位置"蘑菇状"结构破裂,流动发生转捩。     

逆压梯度边界层壁面局部微振动诱导大涡结构

以边界层流动的Falkner - Skan解为基本流场,利用直接数值模拟方法求解三维不可压缩N-S方程,研究了单个周期壁面局部微振动诱导有压梯度边界层内大涡结构的演化过程.结果表明:无论是零压梯度或者逆压梯度边界层中,大涡结构初始扰动速度分布面积与幅值是相似的,但随着时间的推移,不同逆压梯度边界层中的大涡结构扰动速度幅...     

矿用对旋式轴流通风机气动噪声及三维流场数值模拟与分析

以矿用对旋式轴流通风机为研究对象,应用计算流体力学软件FLUENT对通风机气动噪声及三维流场进行数值模拟与分析,研究矿用对旋式轴流通风机气动噪声产生机理及通风机内部三维流场的流动状况;在三维非定常流动条件下,采用大涡模拟湍流模型(LES)进行求解,选取二阶隐式时间推进法来提高计算精度,结果表明:受前后两级叶轮之间所形成的流道不均影响,在同一轴向截面上靠近叶轮壁面位置的噪声值小于叶轮流道中部位置的噪声值,而叶轮流道中部位置的噪声值又小于靠近轮毂壁面位置的噪声值.离通风机气动噪声源(前后两级叶轮)越近,受到的气流压力脉动的影响就越大,则该区域气流的振动也越大,其对应的噪声值就越高;反之,越远离噪声源的区域受到的气流压力脉动的影响就越小,使得该区域的气流的振动越小,其对应的噪声值越低.同时,高压旋转的气流在扩散器区域的分布不再均匀,靠近叶轮壁面及轮毂的动压较低,而通风机流道中部附近的动压较高.研究结果对矿用对旋式轴流通风机的优化设计具有一定的指导意义.     

树冠对室外颗粒物浓度分布及干沉积速度的影响

采用流体力学软件中的拉格朗日模型对单棵树冠上的颗粒物沉积行为进行微观尺度的模拟分析,获得颗粒物在树冠内部及周围的浓度分布,分析了树冠结构参数即叶面积指数、颗粒物直径及入口风速对树冠上颗粒物干沉积速度的影响。模拟结果表明,树冠对颗粒物捕集的干沉积速度,随叶面积指数、入口风速的增大而逐渐增大,随颗粒物直径的增大呈先减小后增大的趋势,并在颗粒物直径为1μm时达到最小值。树冠对颗粒物的干沉积速度模拟值与文献基本吻合。     

不同周期壁面局部微振动诱导边界层大涡结构

以平板边界层流动的Blasius解作为基本流场,利用直接数值模拟方法求解三维不可压缩N-S方程,研究了边界层中单个周期壁面局部微振动诱导大涡结构的过程.计算结果表明:壁面扰动完成时,周期为7.5,10和12.5诱导大涡结构的初始扰动速度与空间分布稍有差异.若周期为12.5,随着时间的增加,诱导形成的大涡结构扰动速度幅值不断增加,高低速条纹结构面积不断扩大;边界层近壁流向速度剖面存在较大拐点,雷诺应力明显大于周期为7.5和10的大涡结构.周期为7.5和10的诱导大涡结构较弱.壁面局部微振动可诱导边界层形成大涡结构,演化特性与局部微振动周期密切相关,周期越长,大涡结构强度也越大.     

分支结构血管中血液的对流换热分析

用有限元方法数值模拟了血管分支结构内血液流动的三维速度场和温度场,得到了分支血管壁面3个典型径向角度的局部努塞尔数和血管截面平均努塞尔数沿管长的变化曲线.结果表明:分支血管入口处的速度场和温度场分布与单管的分布明显不同;不同径向角度的局部努塞尔数相差很大;分支血管入口处截面平均努塞尔数大于单个直管内截面平均努塞尔数,且出现一个极大值Numax.计算了不同分支角度和分支半径比时的截面平均努塞尔数,结果表明:分支角度和半径比对Numax的大小和位置有一定影响;半径比越小,分支血管内截面平均努塞尔数趋于稳定值的速度越快.     

矩形管道内驻波声流的数值模拟

基于边界层理论,建立边界速度数学模型研究矩形管道中Rayleigh声流现象.此数学模型采用3阶的谱元方法求解,驻波声场对流体流动的影响采用壁面处的声边界速度来表达,同时引入雷诺数来分析非线性项和黏性项的重要性.数值结果表明:在2维和3维情况下,声边界速度模型均与近似解相符.声边界速度模型和近似解的差异来源于对非线性项的处理.与近似解相比,声边界速度模型的优势在于能考虑流体流动的非线性效应且仅要求矩形管道的特征尺寸的2倍小于波长.在2维情况下,回流区的涡心位于管道高度的1/4;而在3维情况下,回流区的涡心则靠近壁面.在壁面附近,非线性项的影响不能忽略;而在上下2个涡心的中间位置,非线性项比黏性项更加重要.     

钢包底喷粉元件狭缝粗糙壁面对粉气流输送行为影响

针对钢包底喷粉精炼新工艺,研究了底喷粉元件狭缝粗糙壁面对粉气流输送行为影响规律.通过分析颗粒-粗糙壁面的碰撞过程,提出了壁面粗糙角概率分布函数,建立了颗粒历史影响模型,基于欧拉-拉格朗日法,模拟研究了钢包底喷粉元件缝隙内粉气流输送行为,考察了壁面粗糙度对颗粒运动轨迹、颗粒速度分布及颗粒质量浓度分布的影响,预测了近壁面附近颗粒的运动轨迹.结果表明:粗糙壁面增加了颗粒壁面碰撞的频率,导致颗粒输送动能降低,脉动速度增加,并促使粉剂颗粒在底喷粉元件缝隙内均匀分布.