数值波浪水槽的造波及消波方法

为了提高海洋工程相关问题的研究效率,并为物理造波机的设计提供参考,应用FLUENT软件模拟了数值波浪水槽的造波及消波过程.在模拟中,利用用户自定义函数UDF设置摇板造波机的运动条件,利用动网格技术实现流体运动;通过设置多孔介质区域和添加粘性阻力动量源项的方法消除水槽末端壁面对波浪的反射;采用VOF方法模拟自由表面位置.模拟结果表明:摇板式造波法可以在数值水槽中制造出稳定的线性波,其周期误差较小,可以满足模拟实验的要求;多孔介质加粘性阻力动量源项的消波方法效果较好,基本可以消除水槽末端壁面反射波的影响.     

Reynolds应力模型在热分层流场中的应用及优化

对Reynolds应力模型(RSM)在数值模拟热分层流场方面进行了优化,即在Reynolds应力方程和湍动能耗散方程的基础上加入标量通量方程和温度扰动方程,使原来的7方程成为了11方程。优化后的模型可以通过精确计算湍流通量输运方程来求解加热湍流中重要的热浮力项。采用7方程RSM、11方程RSM,并用k-ε湍流模型作为参考,对平板间非稳定热分层流动和模拟池式快堆堆心上方的腔室内受迫对流和热分层之间的混合流动进行数值模拟和比较分析,并将计算结果与现有实验数据相比较。结论是:优化后的11方程RSM比其他的湍流模型更适合于计算各向异性的热分层流动。     

垂直矩形窄缝流道中混合对流换热的数值模拟

直接使用N－S方程，采用将重力项化为与温度和差压有关函数的处理方法，对垂直矩形窄缝流道中定热流密度下混合单相层流对流换热进行了数值模拟，发现了在整个流道靠近加热壁面区域存在强烈的“烟囱效应”，在层流流动时，由于该效应的存在，使近壁区域的工质扰动加强，从而提高局部对流换热系数，但将造成整个加热壁面换热系数分布不均匀，故该种对流方式只能用于较低热流密度的传热，若壁面的热流密度过高，将对整个流道的安全性造成很大威胁，所建立的浮力影响模型可以预测混合对流时的传热，经过正能用于计算湍流混合对流换热。     

纳米管内受限流体的微观静力学特性

利用分子动力学模拟方法对纳米圆形管内流体微观静力学特性进行了研究。采用修正的Lennard-Jones势能函数描述流体间及流体与固壁间原子的相互作用,并通过在势能函数中所引入的可调参数α改变流体与壁面间的浸润强度,最后借用密度分布、双体分布函数和轴向速度分布展现受限流体的微观特性。模拟结果表明,壁面对流体约束作用的强弱很大程度上影响着管内流体沿径向不同位置的微观分布,改变着流体在不同径向区域的微观表征相和原子的运动特征。     

电磁流动成像测井识别气-水层流的信号处理方法

针对大斜度或水平气井中最常见的气-水分层流动,研究利用电磁流动成像测井判别分层流和波状流的方法.首先,分析水平或微倾圆形管道内较常见的气-水两相流型在管道截面上的特征,建立流体分布模型;其次,模拟流体分布模型的电磁流动成像测井响应,分析仿真数据特点;再次,提取仿真数据中与流体分布相关的特征参数,该参数不仅用于判定流体分布模型,而且用于计算分层流模型中的水层高度,从而求取持水率;最后,研究水平气-水两相流型在流动截面上流体分布模型的变化规律,实现气-水层流判别.仿真数据研究结果表明,用这种方法可以实现气-水层流判别和持水率求取,避免了图像重建的过程,计算简单速度较快.     

热分层湍流计算机模拟的数学模型研究

以湍流标准k－ε模型为基础,综合考虑代数应力模型（ASM）及湍流热流输运方程,建立了热分层流动的热浮力湍流修正数学模型。理论及在液纳空腔内的热分层湍流计算机模拟中的应用表明,该模型在一程度上反映了由于流动过程中温度不均而导致的各向异性特征,并为解决热分层流中温度随时间变化的计算机模拟难题提供了一个较为简单、稳定的模型。     

45°弯段明渠剪切分层流稳定性分析试验研究

通过物理模型试验,对45°弯段明渠剪切分层流的稳定性进行研究,同时进行了直道和45°弯段两种水槽的分层流试验,获得不同工况下的断面流速、温度、紊动动能、雷诺应力等物理量.选用初始密度弗汝德数作为稳定性判数,对直道和45°弯段水槽的分层流稳定性进行了分析,得出试验条件下两种水槽的稳定性判别标准并进行对比.结果表明,45°弯段分层流稳定分层的临界初始密度弗汝德数值约为直道分层流的0 7倍,说明弯段的存在加剧了分层流的垂向掺混.     

微纳尺度下Couette流动的分子动力学模拟

为了研究微纳尺度下流体密度、壁面剪切速度以及不同材料的壁面对流体流动特性的影响,采用分子动力学方法对流体在微纳尺度下的Couette流动进行模拟。研究结果表明:随着流体密度增加流体与壁面作用力增大,壁面对近壁流体的束缚也增强,近壁面处流体粒子自由运动减弱导致流体扩散能力下降,同时流体等效黏度随密度增加而增大,滑移量减小;壁面剪切速度增大,导致近壁面处流体粒子数减少,流体等效黏度降低,流体粒子在通道中更容易进行无规则自由运动使其扩散能力增强;通过改变壁面材料,发现金属壁面作用力强于非金属,在金属材料近壁面处更容易吸附较多流体粒子,导致金属壁面附近流体等效黏度较大,滑移量相对较小。     

光滑壁面明渠水流的三维格子玻耳兹曼模拟

明渠水流与泥沙运动、河床演变等问题密切相关,明渠水流特征的研究对于揭示明渠水流作用下的泥沙运动机理具有十分重要的意义.为此.应用新型数值模拟方法三维格子玻耳兹曼方法对明渠均匀流进行了研究.首先介绍了格子玻耳兹曼方法的理论基础、边界条件处理以及流动的驱动方式,接着分别模拟了明渠层流和光滑壁面紊流的近底水流运动.结果表明,得到的明渠层流流速和切应力分布与解析解吻合较好,同时较好地反映了光滑壁面明渠紊流的流速分区结构、紊动特性和阻力规律,从而说明格子玻耳兹曼方法在明渠水流模拟中具有较好的适用性,为进一步采用该方法研究明渠流近底泥沙颗粒运动机理奠定了基础.     

基于分子动力学模拟的流体剪切力学特性分析

考虑固体壁面对流体分子作用力的影响,建立了两平行壁面-流体系统的分子动力学模型,模拟了壁面切向运动对流体的剪切过程,分析了壁面速度对不同离壁距离流体层微观剪切力学特性的影响,研究了剪应变率、工作压力和温度对流体宏观剪切力学特性的作用规律.研究表明:受到分子无规则热运动的影响,不同离壁距离流体层的剪切应力呈现出波动变化状态,但随着流体剪切运动的增强,剪切应力的波动幅值逐渐减小;当壁面切向运动较大时,近壁层流体在运动速度上与壁面之间易出现较大的滑动,壁面-流体出现边界滑移;工作压力及温度影响着分子间距离,压力升高与温度降低都将减小分子间的距离,从而引起流体黏度与剪切应力的增大.      

沉船舱内重油加热数值分析

采用专业的流体力学软件开展数值模拟工作,研究给定尺度油舱的重油在加热棒加热及热油注入的两种情况下,油舱重油的热扩散问题。采用加热棒加热重油和注入热油的方式进行数值模拟,分析油舱内重油的温度的平均热扩散和空间分布规律。从数值分析结果可以看出：采用加热棒加热油舱内的重油,油舱内温度随时间的变化是显著升高后达到稳定温度,分别经历了重油温度线性增加、升温速度随温度升高而略有减小和稳定段三个阶段,且温度达到稳定时在空间范围内变化不明显；注入热油情况时,油舱内重油温度随时间升高速度大于加热棒加热的温度升高速度,也呈现出明显的三个阶段：线性段温度升高较快、弯曲段升温速度明显变慢和稳定阶段,且注入的热油温度越高,油舱内的重油温度越高,重油温度沿油舱的展向变化也非常小。与加热棒加热重油相对比,注入热油后油舱内重油的温度状况得到明显的改善,采用注入热油的方式对增加油温和油的运动速度具有显著的优势。数值分析结果可为沉船重油回收加热棒布置提供参考,热油注入模拟可以解决油舱内重油流动缓慢、在抽油口难以抽出重油的难题。     

分层流体中尾迹时间序列结构的实验研究

在大型重力式分层流水槽中,采用多点组合探头阵列的动态测量方法,通过对线性密度分层盐水中拖曳球产生的扰动密度场的时间序列分析,研究了运动物体生成内波的运动学和动力学特性,实验获得了体积效应内波向尾迹内波转变的特征结构和体积效应内波传播的三维非对称结构,由此建立了体积效应内波的预测模型.研究表明：建立以实验为依据的理论预测模型是运动源致内波研究的有效途径.     

分层流体中螺旋桨效应激发内波的实验分析

为获取分层流体中螺旋桨尾迹的水动力学特性,在大型分层流水槽中采用多点组合探头阵列测量技术,对具有连续密度跃层流体中Suboff自航体模型螺旋桨产生的扰动特征进行了定量测量与分析。与拖曳体模型的尾迹特征比较,螺旋桨效应在分层流体中的水动力学尾迹具有特殊结构,其临界Froude数增大为Frs=4.4,波动中存在2种扰动波系,包含低频波动和非对称波形结构。相关结果不仅建立了对分层海洋中复杂螺旋桨效应的初步认识,也为分层海洋中螺旋桨水动力学尾迹建模及其应用提供了进一步的实验依据。     

存在热浮力的剪切湍流中颗粒近壁运动的大涡模拟

采用基于动力学亚格子模型和热通量模型的大涡模拟方法,结合Lagrange粒子追踪技术,数值研究了存在热浮力作用的剪切湍流中细颗粒群的输运特性.一方面探讨在槽道剪切湍流中不同热分层效应与粒子输运的动态关联性,以及不同Stokes数的细颗粒在同一分层湍流环境下的浓度分布;另一方面探讨动量和热量耦合作用下影响粒子迁移、扩散和沉积的不同因素.此外,基于一些典型计算结果,探讨了稳定和不稳定分层对颗粒运动各向异性程度的影响,研究了不同颗粒的平均速度、脉动强度的统计特征量以及与湍流流场之间的相关性,并对颗粒在槽道不同区域的体积浓度分布和局部积聚现象进行了分析.     

Numerical Simulation on Stratified Flow over an Isolated Mountain Ridge

The characteristics of stratified flow over an isolated mountain ridge have been investigated nu-merically. The two-dimensional model equations, based on the time-dependent Reynolds averaged Navier-Stokes equations, are solved numerically using an implicit time integration in a fitted body grid arrangement to simulate stratified flow over an isolated ideally bell-shaped mountain. The simulation results are in good agreement with the existing corresponding analytical and approximate solutions. It is shown that for atmos-pheric conditions where non-hydrostatic effects become dominant, the model is able to reproduce typical flow features. The dispersion characteristics of gaseous pollutants in the stratified flow have also been stud-ied. The dispersion patterns for two typical atmospheric conditions are compared. The results show that the presence of a gravity wave causes vertical stratification of the pollutant concentration and affects the diffu-sive characteristics of the pollutants.     

圆管分层层流的流动规律

从流体力学中NOS 方程出发,建立了圆管两相分层层流流动的数学模型。通过两相分层层流的相互作用的流体力学分析,提出了两相流动界面的耦合条件,从而得到了一组完整描述两相圆管分层流的数学方程,再通过数值求解分层流的数学方程,得到了对工程实际应用有重要价值的流动规律。应用圆管两相分层层流的流动规律,可以实现高粘流体的高效率输送, ,其节能效果十分明显。     

The modeling analysis of microwave emission from stratified media of non-uniform lunar cratered terrain surface for Chinese Chang-E 1 observation

In China’s first lunar exploration project,Chang-E 1,the multi-channel (3.0,7.8,19.35,37 GHz) microwave radiometers were aboard the satellite,with the purpose of measuring microwave brightness temperature from lunar surface and surveying the global distribution of lunar regolith layer thickness,and global evaluation of 3He content.To analyze the modeling of microwave radiative transfer from three-layered media of lunar surface,some factors,such as the cratered lunar surface roughness,scattering of regolith particulate medium with temperature profile,are discussed.Based on the statistics of the lunar cratered terrain and using Monte Carlo (MC) method,the cratered lunar surfaces are numerically generated.The triangulated network is utilized to divide the undulated lunar surface into discrete triangle meshes with the size 10 m as a digital surface topography.The reflectivities of each plane mesh are calculated,and the average reflectivity for all MC-realized lunar surfaces is obtained.It is found that under the spatial resolution of 30 km×30 km of Chang-E 1 radiometer observation,the lunar surface can be well modeled as a flat surface.It makes the predominance of the parameters,such as the regolith layer thickness and stratified structures,to be studied.Using the radiative transfer equation of stratified media with dense scatterers,the scattering coefficient of the regolith particulate medium is found negligible,and the emission is mainly governed by the absorptive property of the medium.Brightness temperature of multi-layered media,i.e.lunar soil,regolith layer with temperature profile and underlying rock media,are derived and calculated,and relevant main factors to affect the modeling and emission simulation are analyzed.     

应用三维代数应力通量模型模拟分层流

根据分层流紊动扩散能力在水平与垂直方向存在明显差异的特征,建立了三维代数应力通量模型。模型以有限体积法离散,SIMPLEC方法求解速度、压力和温度耦合方程组。对某分层流试验数值模拟计算表明,计算结果与实测值吻合良好;对于各向异性的分层流,代数应力通量模型与双方程k-ε模型相比,更好地保留与模拟了其基本物理特征,所得结果更趋合理。     

侧入式搅拌槽中桨叶参数对流场及功率影响的数值模拟

运用计算流体力学(CFD)技术对不同桨叶参数的侧入式搅拌槽内流场进行了数值模拟。模拟结果表明：搅拌槽内流场产生分层现象,下层流场为内部围绕搅拌槽中心的环形上升流和外部沿搅拌槽壁面的低速下降流组成的高速循环流,上层流场为与下层流场方向相反的低速循环流;在相同搅拌功率输入下,增大桨叶直径能够增加搅拌槽底部流体的动能,但会抑制搅拌槽上部流体的动能;叶片倾角为45°时桨叶的轴流性能最好,叶片个数为4时桨叶的搅拌效率最高。     

波浪中载液船舶运动的时域模拟

基于势流理论,采用切片法和脉冲响应函数方法实现船体时域运动,同时采用黏性流理论模拟计算舱内液体的非线性晃荡,进而建立了波浪中载液船舶耦合运动方程. 该方法考虑了波浪、船体、液舱晃荡之间的耦合作用,并结合船体内外流场特点分别采用了势流和黏性流理论,具有较高的计算效率. 研究结果表明：通过数值模拟计算和模型实验,数值模拟计算能够清晰显现液舱晃荡对船体全局运动影响,船体运动响应曲线与模型实验结果吻合良好.