双拉格朗日模型模拟气固两相双圆柱绕流

以湍流剪切层中大尺度旋涡结构与颗粒群的相互作用及运动规律为研究对象,提出了一种基于离散涡方法与颗粒碰撞模型相耦合的双拉格朗日气固两相流模型.用次循环调整颗粒运动计算的时间步长,将两相计算耦合在一起,从而解决了离散涡方法求解单相流场与颗粒运动方程的时间相容性问题.首先用颗粒在兰金涡中的运动验证了所提的算法,随后将该方法应用于高雷诺数湍流旋涡结构中的颗粒水平输运过程研究,模拟了圆柱尾迹中颗粒的沉降过程及其被旋涡卷吸、扬起和团聚的过程,说明在有大尺度旋涡存在的流场中颗粒更容易被流体向下游榆运.当来流速度与重力方向一致时,颗粒分布特性受颗粒Stokes数(St)影响.当St小于1时,颗粒响应流场变化的时间短,随St增加颗粒对流场变化的响应变得迟钝,重力所起的作用更加明显;当St远远大于1时,颗粒的分布几乎不受旋涡的影响,而与自由沉降的分布十分接近.     

一种仿生鱼体自主游动的水动力学特性分析

针对金枪鱼结构和自主游动现象建立了仿生鱼体几何模型及鱼体摆动计算模型,采用计算流体动力学Fluent软件结合动网格技术,编写了控制鱼体摆动的UDF程序,对仿生鱼慢速自主巡游状态和C形快速起动状态进行了数值模拟,研究了鱼体摆动频率和摆动方式对仿生鱼周围压力、速度、涡量分布以及鱼体受力状态的影响,揭示了仿生鱼自主游动过程的水动力学特性。研究结果表明:在自主巡游阶段,仿生鱼通过摆动鱼体,在鱼体两侧流场产生高压和低压区,依靠流体的正压梯度获得前进的推动力;在C形快速起动阶段,仿生鱼通过快速大幅度的回摆获得加速度,从而实现快速起动。鱼体自主游动水动力学特性的研究将为仿生水下推进器的概念设计和性能优化提供重要的参考。     

钢筋石笼起动流速试验与流场结构数模分析

介绍了钢筋石笼起动流速的研究现状,针对其不足,用石笼实际边长代替化引直径,经过理论推导,提出了以拖拽力系数为主要待定参数的钢筋石笼起动流速简化公式,并在此基础上进行了a×a×c形石笼的起动流速水槽试验.通过试验,分析了扁度与稳定性的关系,得到了不同扁度所对应的拖拽力系数值并讨论了底部摩擦力系数f给钢筋石笼稳定性所带来的重要影响.此外,为更好地了解钢筋石笼周围流场的特性,构建了一个透水性绕流数值模型,并以大涡模拟为计算手段,对透水性绕流场进行了三维数值模拟.通过将模拟结果与非透水性绕流场从流场结构、涡体脱落、静压强分布以及拖拽力系数等方面进行定性、定量的对比分析,得到了透水性对流场的具体影响结果.     

非对称勾形磁场的三维优化设计与实现

根据坩埚内熔体对流的类型和分布区域,分析控制对流对勾形(cusp)磁场磁感应强度和磁场位形分布的要求,提出了磁场优化设计目标。采用有限元三维(3D)建模法对cusp磁场进行了建模,利用所建立的模型对比了对称结构和非对称结构对磁场位形分布的影响,分析了在非对称cusp磁场线圈横向层数一定的情况下磁场纵向层数、屏蔽体厚度、上下线圈间距对磁感应强度、磁场位形、磁场功率的影响,优化了磁场结构;根据优化的结构参数制造了磁场并进行了实验测试,结果表明非对称cusp磁场的位形分布与设计结果一致,从而验证了3D优化建模方法的有效性。     

顶部送风方腔内混合对流换热的数值研究

采用非稳态数学模型对具有对称和非对称结构的顶部送风二维方腔内混合对流流场与温度场进行了数值求解.数值计算中控制参数Ra取为固定值106,Re在1 000~3 000范围内变化.数值结果显示,随Re的增大,具有对称结构问题的数值解会分别出现定常解、周期性振荡解和非周期性振荡解;而对于非对称结构问题,数值解的最大网格Pe虽然大于对称结构问题的最大网格Pe,数值解是定常的,并未发生解的振荡.因此,判明具有对称结构的顶部送风二维方腔内混合对流问题数值解的振荡是客观存在的物理振荡,而非数值方法不稳定所引起的数值振荡.     

基于修正湍流冻结假设桥梁断面旋涡脱落分析

结构所受气动力的规律性变化在流场中表现为规律的旋涡脱落现象,而结构尾流中的规律性脱落的旋涡无论是否可以直接被观察到,都可以采用快照正交特征分解方法加以识别.结合了快照正交特征分解方法和小涡分解方法,并通过引入冻结湍流假设的部分假定,可以根据单个时刻的速度场数据获得结构旋涡规律性脱落的频率,并可根据相邻旋涡的距离获得结构的斯脱罗哈数.方柱绕流和某分离双箱桥梁断面尾迹流场的数值模拟验证结果表明,通过此方法计算得到斯脱罗哈数与采样升力系数幅值谱得到的斯脱罗哈数误差较小,因而此方法有较强的实用性.     

非零开口的阀控非对称缸系统不变性补偿控制

针对比例控非对称缸正反方向运动响应不一致的问题,建立了非零开口的阀控非对称缸系统的线性负载流量模型,根据数学模型分析了系统的负载流量特性,定义了非对称系统的基本状态,并将其设为非对称系统的不变结构.提出了融合负载、结构、非对称叠合量等影响因素的不变性补偿控制方法,将系统的任意非对称状态通过不变性补偿控制等价于基本状态,使得非对称系统得到对称的负载流量特性.实验结果表明:通过不变性补偿控制,比例阀控非对称缸系统在阀线性区域,非对称系统负载压力不超过泵压的1/2时,负载流量与基本状态时的负载流量误差不超过11%;非对称系统在基于不变性补偿的基础上,采用统一的比例-积分-微分(PID)控制器,使得正反向运动响应能达到基本一致.     

孔板通气气液两相流动特性研究

采用实验与数值模拟相结合的方法研究了孔板通气气液两相流动特性和气层形成机理.应用高速录像观察了通气气液两相流流动形态,采用Level Set方法和RNG k-ε湍流模型对通气平板流场进行了数值计算.结果表明气层覆盖区域压力是判定气层形成的重要参数:泡间高压消失表明当地的气泡开始形成气层,当气层基本形成时,壁面压力趋于一致.旋涡结构在气层形成不同阶段具有明显的特征,在气层初始形成位置前后,肾形涡由于气泡接触相互作用而逐渐消失;在气层完全形成位置前后,旋涡结构重新生成.随着孔间距的增加,气层形成位置由于横向距离增加而向下游移动,但相互作用区域变化不大.      

着火物在火焰旋涡流场中运动规律研究

在森林火灾中,各种旋涡大量存在,着火物在旋转流场作用下运动导致火灾蔓延．本文采用二相流单颗粒模型,研究了着火物在火焰旋涡流场中的运动,给出了环境气流分别以Ｂｕｒｇｅｒｓ涡和Ｓｕｌｉｖａｎ涡作旋转运动时,着火物的运动规律．结果表明,着火物将在火焰旋涡流场作用下,被加速带到高空,并飞离流场,形成飞火传播．     

体育馆形态非对称性对运动场地自然通风及热舒适性的影响

为提升湿热地区体育馆在自然通风调节下的室内换气次数,改善运动场地舒适度,以广州地区为例,利用Fluent等软件对对称形态、非对称形态及非对称挑檐形态的体育馆模型进行模拟计算.结果表明:设定相同外部条件时,非对称形态及非对称挑檐形态相比于对称形态可提升场地风速和馆内整体换气次数,且非对称挑檐形态时的提升幅度最大.基于非对称挑檐形态进一步提出了体育馆适应赛时使用的开窗通风策略,探讨了不同形态及不同使用模式下自然通风对运动场地热舒适性的影响.     

Measurements and analysis of force and moment of caudal fin model in C-start

The unsteady hydrodynamic forces and moments acting on caudal-fin models of fish with different shapes and different swing durations were experimentally measured to simulate the fish C-starts. The motion of models was characterized by rotating the model to a maximum deflection angle in an excursion time T_u and back to the initial position in a return time T_d around its root-axis. Studies show that the caudal-fin plays an important role in fish C-starts and the caudal-fins with different shapes and different swing durations generate different forces and moments. In addition, the hydrodynamic forces and moments acting on the models with different shapes can be normalized by the 2nd and 3rd moments of area, respectively. The forces and moments acting on the models with different swing durations, but the same ratio of T_u to Td can also be scaled.     

Biomechanics: hydrodynamic function of the shark's tail

The tail of most sharks has an elongated upper lobe that differs from the externally symmetrical tail structure common among bony fishes, but the hydrodynamic purpose of this asymmetric tail shape is unclear. Here we quantify water flow patterns in the wakes of freely swimming dogfish sharks and find that they have a ring-within-a-ring vortex structure, in contrast to the single rings shed by symmetrical fish tails. The branched-ring vortex is generated by the inclined angle of the tail's trailing edge and by its motion at an angle to the horizontal body axis; the vortex directs water backwards and downwards, which may increase the shark's vertical manoeuvrability.     

基于深度强化学习与流固耦合技术的鱼类自主游动行为模拟

鱼类自主游动的模拟问题一直是仿生学、鱼类行为学以及生态水力学等诸多学科共同关注的重要难题。作者建立了一种基于流固耦合数值模拟技术与深度强化学习算法的智慧鱼体自主行为决策平台，可以实现鱼体在不同周围环境条件下以最优决策方案完成游泳任务。该平台采用深度强化学习算法实现鱼脑功能，模拟其不断学习和最终决策；通过浸没边界-Lattice Boltzmann方法对流场及鱼体运动进行实时模拟，可为鱼体提供丰富的训练样本并执行鱼脑决策。基于该平台对鱼类典型捕食运动以及卡门游动进行训练并分析其训练效果。仿真结果表明，在捕食游动问题中，具有不同初始位置偏角的鱼体均能以最优轨迹到达目标点；在卡门游动问题中，鱼体能自主调节尾拍频率，使之接近涡街脱落频率，进而从卡门涡场中吸收能量，以稳定步态在涡街中运动。在鱼类自主游动问题的研究方面，该决策平台较传统物理实验具有更强大的复杂流场适应性，并可为水利工程、生态环境工程等领域的数字孪生提供技术支持。     

无缆微型仿鱼泳动机器人的设计与运动分析

根据鱼类的游动推进原理,提出一种基于螺线管线圈结构的外磁场驱动微型仿鱼机器人的设计方案,构建了其实验控制系统,分析了机器人在液体中的推进力和动力学模型,以及尾鳍对其推进性能的影响。实验结果表明,不同的尾鳍摆动频率和尾鳍长度对推进速度有很大影响,其运动速度随驱动频率的增大而逐步增大,但当驱动频率大于7 Hz时运动速度减慢。实验结果与理论分析相一致。     

车尾水平收缩气动减阻的规律及机理

以MIRA两厢车为对象,采用风洞实验和数值仿真方法,对气动阻力受车尾水平收缩的影响规律进行研究,表明车尾水平收缩提高尾部表面压力水平,有效降低气动阻力;基于可靠性被验证的数值仿真结果,对尾流结构变化规律进行研究,表明车尾水平收缩为尾部死水区提供额外动能,抑制拖曳涡对的形成和发展,减小尾迹区流动能量损失,降低气动阻力.     

一种厢式货车被动减阻技术研究

针对货车气动阻力较高问题,研究了尾部上翘角对货车减阻效果的影响.货车采用简化的Ahmed模型,运用SSTk-ω湍流模型进行CFD模拟,针对不同尾部上翘角对货车外流场的影响因素进行了研究,包括气动阻力系数、表面压力系数及尾部涡结构等.研究结果表明,通过采用尾部上翘角能够减小货车尾部分离区强度,从而降低阻力.尾部上翘角在10°时阻力系数达到最小,减小阻力系数约6%.     

仿生机器鱼巡游性能分析与实验

以鱼体运动行波方程为动力学基础,参照鱼体尾部运动函数方程设计了"BLRF--I"系列仿鲹科机器鱼.在该系列机器鱼中,采用模块化设计结构,可以方便地更改尾部驱动舵机的数量,形成仅有驱动舵机数量不同、其他机制完全相同的单关节、两关节和三关节仿生机器鱼.对"BLRF--I"系列机器鱼的巡游速度与最小转弯半径进行实验分析.结果表明,"BLRF--I"系列机器鱼尾部驱动舵机数量的增加可以有效地提高巡游速度,最小转弯半径在舵机数量为2时达到最小.进而论证了仿生机器鱼关节数目对机器鱼游动性能的影响,并提出了仿生机器鱼关节数目和巡游速度的关系方程.     

基于正交试验法的厢式货车气动减阻优化

为了优化某厢式货车的气动阻力系数,设计了驾驶室前部仿生减阻结构、顶部和侧部涡流发生器、底部涡流发生器等3种气动减阻装置。研究了3种单一气动减阻装置主要相关参数对气动阻力的影响,分别从货车外流场的速度轨迹、压力分布和湍动能分布等3方面详细分析了各单一气动减阻装置的减阻效果。在此基础上采用正交试验法对3种气动减阻装置的主要参数进行优化,获得最优减阻货车模型。研究表明:驾驶室前部突出部分的长度对货车整车气动阻力系数的影响比倾角更大;最优货车头部形状的倾角和长度分别为135°和300 mm,该模型的气动阻力系数为0.721 4,相对于货车原始模型的减阻率为8.93%;涡流发生器的高度和位置对货车的减阻效果均有较大的影响;涡流发生器可以增加货车尾部分离区流场的能量,使得尾涡区减小,气动压差阻力减小;3种气动减阻装置对货车气动阻力系数的影响大小依次为:底部涡流发生器、货车前部仿生减阻结构、顶部和侧部涡流发生器,其最优厢式货车模型的空气阻力系数为0.683 3,其复合减阻装置的最佳减阻率为13.8%。     

鱼类游动的N—S方程数值模拟

通过求解二维守恒型非定常流动N-S方程，对鱼类运动时鱼体周围二维非定常流场进行数值模拟，数值计算空间采用有限体积离散，时间推进格式采用Jameson的双时间法。描述了各状态鱼体模型、计算网格的生成方法和数值计算方法。结合计算结果对鱼类游动时反卡门涡街的形成和鱼体推力的产生机理进行了分析，并对不同斯特哈尔数对推力的影响进行了研究。结果表明：非定常N-S方程数值方法能够正确模拟鱼体运动时的流场和反卡门涡街的形成；产生明显推力的St数的范围是0．23～0．53，而且在0．35处推力达到最大。     

莱州南部地区黄金资源遥感勘探

用陆地卫星ＴＭ数据制作遥感影像图，在遥感影像图上识别旋扭构造，建立旋扭构造的数学模型，用已知金矿矿脉、岩脉、断裂、河流为控制点，用旋扭构造的数学模型绘制旋扭构造的旋回面（断裂破碎带），即预测的金矿矿脉，再用地质资料的钾化、绢英岩化，黄铁矿化等金矿围岩蚀现象和地面调查资料验证，为化探，槽探、钻探作准备。