CIP法在模拟大变形自由表面流问题中的应用

为探索能够精确模拟大变形自由表面流(如波浪破碎)问题的数值模拟方法,采用CIP(constrained interpolation profile Scheme)法建立了自由表面流数值计算模型;并以干床面、湿床面上的溃坝溢流为例,研究了CIP法在模拟具有大自由界面变形的气-液二相流问题中的应用。研究结果表明,通过采用CIP法对Navier-Stokes流体运动方程中对流项进行离散求解;对溃坝溢流问题的自由表面形态及压力分布均能给出良好的模拟结果。证明CIP法在对波浪破碎等大自由表面问题的模拟中具有较好的应用前景。     

二维溃坝的数值模拟研究

为了研究溃坝问题中流体的运动和自由液面的演变,针对简化的块状水坍塌进行了数值模拟。其中,流体控制方程通过有限体积法进行离散,方程的对流项和扩散项分别采用了一阶迎风格式和中心差分格式;对压力与速度耦合的离散方程以IDEAL算法进行求解;以流体体积分数法和PLIC方法进行自由液面捕捉和重构;对两相流问题中的表面张力通过连续表面力(CSF)模型进行转化。基于上,分别对有限空间内的二维溃坝和带障碍物溃坝问题进行了数值模拟,对不同时刻的自由液面进行了捕捉并与实验结果进行了对比,证明了所采用方法的精确性。     

细长轴对称体的水弹性振动特性分析

以在水中做纵向平面内运动的细长轴对称体为研究对象.在建立描述流体-结构耦合振动系统的计算模型时,对固体采用位移（包括刚体运动位移和弹性Euler梁振动位移）,对流体采用压力作为基本变量,首先建立了考虑流体作用力的结构动力学方程,推导了考虑结构运动的流体压力表达式,分析了水动力载荷的特征：包括水动压力的来源、组成、分布形式与影响范围等.在此基础上给出了描述水中运动物体的位移（结构）-压力（流体）格式的流固耦合系统模型.然后利用有限元数值方法（FEM）对方程进行了求解,克服了解析解对研究对象外形的限制,同时避免了流固耦合直接数值模拟中CFD＋FEM的复杂性,对于典型的工程结构非常适用.最后,通过算例给出了水中运动物体的水弹性频率和模态,并将计算结果与试验结果进行了对比,证明了本文计算模型的有效性.     

WC-CMPS法对溃坝溢流问题的数值模拟

无网格粒子法(拉格朗日法)是计算流体力学领域最新一代的计算方法,由于不需要生成网格,无网格粒子法能够模拟任意形状的界面及其变形和碎裂,尤其适用于计算如溃坝溢流及波浪破碎等具有复杂自由表面运动的流体力学问题。其中,光滑粒子流体动力学方法(SPH)和移动粒子半隐式法(MPS)是无网格计算方法的典型代表。本文采用基于MPS法的修正弱可压缩移动粒子半隐式(Weakly Compressible Corrected Moving Particle Semi-implicit Method)法构建了用于求解自由表面流问题的数值计算模型,并用于模拟干床面与湿床面上的溃坝溢流问题。计算结果与实验结果的对比分析表明,采用基于WC-CMPS无网格法建立的数值计算模型对干、湿床面上溃坝溢流的溢流形态、水柱高度以及波前速度等均给出了良好的计算结果。     

弱可压缩移动粒子半隐式方法对溃坝溢流问题的数值模拟

无网格粒子法(拉格朗日法)是计算流体力学领域最新一代的计算方法。由于不需要生成网格,无网格粒子法能够模拟任意形状的界面及其变形和碎裂,尤其适用于计算如溃坝溢流及波浪破碎等具有复杂自由表面运动的流体力学问题。其中,光滑粒子流体动力学方法(SPH)和移动粒子半隐式法(MPS)是无网格计算方法的典型代表。采用基于MPS法的修正弱可压缩移动粒子半隐式法(weakly compressible corrected moving particle semi-implicit method)构建了用于求解自由表面流问题的数值计算模型,并用于模拟干床面与湿床面上的溃坝溢流问题。计算结果与实验结果的对比分析表明,采用基于WCCMPS无网格法建立的数值计算模型对干、湿床面上溃坝溢流的溢流形态、水柱高度以及波前速度等均给出了良好的计算结果。     

浅埋煤层开采突水溃砂的颗粒流模拟研究

为研究浅埋煤层开采下突水溃砂的覆松散层渗透破坏、水砂耦合流动及突涌规律,指导预防突水溃砂灾害的发生提供依据,采用二维颗粒流软件PFC2D分别对上覆松散层渗透变形破坏、水砂混合流运移过程进行数值模拟研究,建立了浅埋煤层开采突水溃砂的数值模拟模型。结果表明:上覆松散含水层的初始水压力与裂隙通道的宽度对松散层的渗透变形破坏过程有较大影响。当含水层初始水压力增加时,裂隙处流体的流速、颗粒间的接触应力均明显增加,且呈现出非线性增长趋势;水砂混合流的突出时间以及突出速度与裂隙通道的倾角、粗糙度相关。同时根据水砂混合流的Y方向突出速度大小的波动变化规律,预测了2种可能存在的水砂突出类型;含水层的初始水压力影响突水溃砂的发生及运移过程,由此提出了通过疏放松散层水来预防突水溃砂灾害发生的方法。     

基于双向流固耦合模型的溃坝水流数值模拟

弹性结构在运动流体的作用下会产生动力响应，对结构本身的安全性和耐久性都提出了更高的要求。使用开源计算流体力学软件OpenFOAM和开源计算固体力学软件CalculiX建立双向流固耦合模型，对溃坝水流冲击刚性结构和弹性结构的过程进行了数值模拟。首先对比了代数流体体积法和几何流体体积法在分析溃坝水流冲击刚性结构时的精度，结果表明几何流体体积法能够更为准确地模拟剧烈变化的自由液面。进一步采用几何流体体积法对溃坝水流冲击弹性结构的双向耦合问题进行了分析，弹性结构的动力响应和自由液面的分析结果与前人的数值结果吻合良好，表明目前的数值模型可以应用到实际工程的流固耦合分析中。     

天然气水合物非成岩出砂储层砂流数值模拟

天然气水合物(可燃冰)作为新兴洁净能源,受到全世界的重视,由中国地质调查局组织实施的中国海域天然气水合物第二轮试采取得成功,并超额完成目标任务.当前,中外天然气水合物模拟器开发和相关研究虽然有通过力学耦合描述"砂"的行为,但大部分都没有涉及"砂"的流动过程.针对天然气水合物分解后,储层多孔介质中"砂"流动过程的数值模拟,通过通用储层渗流模拟器GPSFLOW,实现水、气(甲烷)、砂三相三组分模拟,把砂当做一种非牛顿流体,即为一组分也是一个相态,按宾汉流体进行模拟,初步探讨砂流过程模拟的理论方法和模型实现方案,并通过理想模型进行验证.结果表明:相较于其他出砂数值模拟研究方法,提出的砂流模拟方法简单高效,能够有效地模拟砂流过程,后续通过耦合水合物开采渗流模型,有望实现对水合物开采过程中砂流的准确模拟.     

基于物质点法的水流运动三维数值仿真

在水流体运动问题的三维数值模拟中,结合拉格朗日法和欧拉法的物质点法具有计算精度和计算效率比较高的优势,应用物质点法和显式积分算法对水柱在固壁面上自由塌落、箱体内水流溃坝和水流绕过障碍流动的过程进行三维数值仿真。从数值仿真结果看,与实际水流的运动过程较为符合,表明物质点法在模拟水流体运动问题同样是一种有效的仿真方法。     

基于DEM-CFD耦合方法的水合物与砂颗粒运动分析

采用离散元素法(discrete element method,DEM)和计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的耦合方法,对海底水合物中砂颗粒和水合物颗粒运动进行了研究。利用球形颗粒沉降模拟实验验证了耦合方法的可行性,分别分析了单个砂颗粒和单个水合物颗粒运动过程中颗粒位置、速度、受力及角速度的变化规律。结果表明:砂颗粒向容器底部沉降,在到达底部时发生碰撞,同时颗粒发生旋转;水合物颗粒向上运动,颗粒没有发生旋转。最后对颗粒群进行了模拟仿真,结果表明,DEM-CFD耦合法能够模拟大量颗粒运动的复杂流动,并且能从微观尺度分析颗粒受力和运动情况,对水合物颗粒和砂颗粒运动的研究提供了一种可靠有效的方法。     

风沙流中基于宏观颗粒模型的沙粒浓度分布

风沙侵蚀是造成土地沙化和干旱区地貌的主要原因,其中沙粒的浓度分布是研究输沙量、颗粒碰撞、风沙流结构等特征的主要影响因素,也是了解颗粒碰撞过程和风沙两相流耦合过程的重要研究内容。为了考虑沙粒与气流的力平衡、阻力和扭矩的变化、碰撞及摩擦等影响,运用了一种新的宏观颗粒模型(macroscopic particle model, MPM)研究沙粒在气流中的运动。与前人研究结果进行比较后发现,宏观颗粒模型在不需要任何附加模型的前提下,能实现风沙两相耦合的准直接数值模拟,根据沙粒运动速度云图所示的风沙流运动状态的不同,沙粒浓度的垂向分布会出现结论不一致的现象。颗粒流系统的内在非线性是造成风沙流运动状态不均匀、不一致的主要因素。数值模拟结果表明,利用MPM模型中的离散颗粒追踪、颗粒速度和位置等信息能够研究多相流条件下的风沙运动机理。     

混凝土流场的简易化拟流固两相模型

针对组成复杂的混凝土流固多相流体建模及求解的难题,提出简易化拟流固两相流场的数值模拟方法.即将混凝土中颗粒物(石子与沙砾)近似处理成拟流体相,在欧拉欧拉模型的基础上,两相拥有各自的动量方程和连续方程以求解,相间通过压力相、体积系数和液面交换系数耦合,实现了对组成复杂的混凝土多项流体的简易化拟流固两相流场数值模拟.将此模型用于混凝土搅拌运输车搅拌筒数字化设计过程中,为提高搅拌性能提供了定量化、可视化的设计模型.同时,通过实验结果,间接验证拟流固两相模型的正确性.     

液态金属充型过程流动与传热数值模拟

根据有限差分法原理,对液态金属充型过程中同时发生的流动与传热过程,用在微小时间段内独立的流动与传热过程近似表示.结合温场数值模拟与流场数值模拟技术,开发铸件成形过程流动场与温度场耦合的数值模拟软件,并利用该软件对标准实验铸件充型过程进行耦合分析.研究结果表明:该方法不需要求解用能量平衡法建立的,考虑了流动对传热影响的复杂方程,有利于提高流动与传热耦合数值模拟的计算速度;自主开发的金属液态成形工艺分析系统的"耦合"计算功能是有效的,且计算精度较高.     

圆管螺旋流的三维数值模拟

用数值计算方法研究圆管内带有局部起旋器的螺旋流运动,在流场计算中,利用有限差分法对柱坐系下的三维N－S方程组进行差分离散,建立了边界条件和初始条件下的三维计算模型,获得了计算区域内的流场信息,并将数值模拟的结果与实验数据进行了对比和分析,两者基本相符,为圆管螺旋流的研究提供了一条有效途径。     

应用离散单元法对二维流化床内流态进行数值模拟研究

采用基于颗粒轨道模型的欧拉-拉格朗日数值模拟方法,将广泛应用于岩土力学中的离散单元法DEM (Distinct Element Method)引入流体力学中以计算颗粒与颗粒之间的作用力,同时考虑颗粒与流体间的相互作用(双向耦合),对二维流化床进行数值模拟,结果与实验观察到的现象基本一致,预示着离散单元法在密相气固两相流数值模拟研究中具有广阔的前景.     

压力管道裂纹泄漏计算流体力学计算方法

针对压力管道裂纹泄漏的CFD（计算流体力学,Computational Fluid Dynamics）计算问题,提出了一种可考虑流体压降相变过程的CFD裂纹泄漏计算方法。在理论分析和数值模拟方法研究基础上,建立矩形窄缝裂纹模型,实现了裂纹泄漏过程的瞬态模拟,并进行了计算结果的验证和分析。结果表明,泄漏流体的流动特性符合相变泄漏过程的物理规律,计算结果与试验结果符合性良好,平均误差在15%以内;单位面积泄漏率随裂纹张开位移的增加而增加,随流体过冷度的增加呈现增幅趋缓的增加。所提出的计算方法和分析结果可为压力管道裂纹泄漏率研究提供直接的技术参考。     

水平井砾石充填可视化模拟及充填效果评价

水平井砾石充填过程是复杂条件下的固液两相变质量流动,存在携砂液向地层的滤失以及井筒环空、冲筛环空间的流体质量交换。根据井筒、冲筛环空两个独立流动系统的砂、液质量和动量守恒方程,以及各系统间的流动耦合方程,建立了描述α充填过程的时间相关数学模型。补充辅助方程后可数值求解,并提出了充填效果综合评价指标的计算方法。利用数值模型开发软件可对整个充填过程进行可视化模拟。结果表明,模型和软件对顺利充填和提前堵塞两种情况均可适用,并能预测是否堵塞、堵塞位置、充填率以及计算充填效果综合评价指标。分析了充填过程中的各动态参数的变化规律,在充填前沿位置,由于沉积砂床消失,系统间窜流最为明显,各动态参数在充填前沿前后均有剧烈变化。     

斜流式喷水推进器内部三维紊流流动的数值模拟与性能分析

应用数值模拟方法研究斜流式喷水推进器内部紊流流场,基于紊流流场计算分析了其特性.采用三维贴体坐标网格对计算区域进行剖分离散,选择k-ε双方程紊流模型,应用SIMPLEC数值方法计算内流场各流动参数,进而根据流场的计算结果预测了该推进器内部泵在不同工况下的性能.计算结果与实验结果进行了对比,二者有较好的一致性.