稀相气粒两相流的LES／FDF模型及其在平面尾迹两相流中的应用

推导了气粒两相流中颗粒所见流场速度的滤波密度函数（FDF，filtered density function）输运方程，建立稀相气粒多相流的LES／FDF模型并对气粒两相平面尾迹流动中颗粒的湍流扩散进行了数值模拟研究．将模拟的结果与实验数据及不使用FDF模型得出的结果进行对比，说明LES／FDF模型能够更好地描述颗粒的空间扩散．     

离散型两相流动的大涡模拟

大涡模拟(Large-eddy simulation,LES)的研究正在取得迅速进展.和雷诺平均模拟(Reynolds-averaged Navier-Stokes modeling,RANS modeling)相比,LES可以给出流动和火焰的瞬态结构,并且在不少情况下可以给出比雷诺平均模拟更准确的统计平均结果.本文作者及其同事从2002年开始,用大涡模拟研究了气泡-液体流动的瞬态结构.后来从2005年至今陆续研究了气体-颗粒两相流动的大涡模拟、气体绕过单个颗粒流动的大涡模拟、以及有蒸发和燃烧的油滴周围的流动的大涡模拟.本文对作者及其同事近期进行的上述离散型两相流动的大涡模拟研究给出了简要的综述,包括控制方程、亚网格模型、数值方法、主要的模拟结果及其实验验证.     

两相燃烧的大涡模拟

两相燃烧大涡模拟研究正在取得迅速进展.和雷诺平均模拟相比,大涡模拟可以给出流动和火焰的瞬态结构,并且很多情况下可以给出比雷诺平均模拟更准确的统计结果.湍流燃烧大涡模拟的一个关键问题是亚网格模型,特别是燃烧模型.不同研究者提出了或者应用了不同的燃烧模型,但是有的模拟结果缺乏仔细的实验验证,有的统计结果和实验不符合.提出了二阶矩(SOM)燃烧模型,分别成功地用于气体湍流燃烧和液雾燃烧的大涡模拟,显示其优于其他模型.并对近年来气体燃烧、液雾燃烧、煤粉燃烧和油滴燃烧大涡模拟的研究给出了简要的综述.     

两相燃烧的大涡模拟

两相燃烧大涡模拟研究正在取得迅速进展.和雷诺平均模拟相比,大涡模拟可以给出流动和火焰的瞬态结构,并且很多情况下可以给出比雷诺平均模拟更准确的统计结果.湍流燃烧大涡模拟的一个关键问题是亚网格模型,特别是燃烧模型.不同研究者提出了或者应用了不同的燃烧模型,但是有的模拟结果缺乏仔细的实验验证,有的统计结果和实验不符合.提出了二阶矩(SOM)燃烧模型,分别成功地用于气体湍流燃烧和液雾燃烧的大涡模拟,显示其优于其他模型.并对近年来气体燃烧、液雾燃烧、煤粉燃烧和油滴燃烧大涡模拟的研究给出了简要的综述.     

大涡模拟在超音速燃烧领域的应用研究

随着大涡模拟技术发展日臻成熟及目前计算机运算速度的提高,大涡模拟已经逐渐由理论研究阶段进入工程实用阶段.采用大涡模拟进行超音速燃烧数值模拟时,必须能够准确模拟小尺度上的燃料/空气湍流混合过程及化学反应动力学过程.本文回顾了大涡模拟中的主要亚网格模型及亚网格燃烧模型,总结了国内外采用大涡模拟在超音速燃烧研究领域的应用情况,为大涡模拟的进一步发展和应用提供参考.     

高速可压缩流动壁函数边界条件的改进与应用

为发展适用于高速流动的壁函数边界条件以降低摩阻和热流模拟时的网格相关性，针对Nichols等人提出的可压缩壁函数边界条件开展了改进研究．首先，通过数值试验修正了可压缩速度壁面律的参数取值·9其次，基于数值试验和理论分析，对温度壁面律的表达式进行了修正；最后，推导了近壁区的热传导项表达式，更准确地实现了壁函数边界条件与CFD程序的耦合．之后，对修正的可压缩壁函数边界条件开展了应用研究．对超声速平板湍流边界层的模拟结果表明：壁函数在壁面法向第1层网格y＋〈400时均能给出准确的壁面热流密度和摩擦系数值，且在稀网格下也可得到合理的边界层速度型、温度型以及湍流涡黏性系数分布；数值实验表明对原始壁函数的修正显著提高了热流密度和摩擦系数的模拟精度．对包含分离流动的超声速凹槽和高超声速轴对称压缩拐角算例的数值模拟发现：基于充分发展的附着湍流边界层理论建立的可压缩速度壁面律对分离区内部近壁区仍然近似适用，可保证分离区内部给出可靠的摩擦系数和热流密度；而对于分离／再附点附近，壁函数的模拟精度相对较差，其原因在于分离／再附点附近的真实速度型与壁函数中速度壁面律形式出现明显差别．     

颗粒惯性对气固两相各向同性湍流中温度统计特性的影响

颗粒运动轨迹上流体的温度统计特性对于理解非等温/反应气粒两相湍流的机理, 特别是对于检验非等温气粒两相湍流Lagrangian模型是十分重要的. 对带有平均标量梯度的气固两相各向同性湍流中颗粒及颗粒所见流体温度的统计行为进行了直接数值模拟研究, 讨论了颗粒惯性对于颗粒温度以及颗粒所见流体温度的Lagrangian统计特性的影响. 结果显示, 对于τ_p/τ_k<1的颗粒, 颗粒所见流体温度的脉动强度随τ_p/τ_k的增大而减小; 而对于τ_p/τ_k>1的颗粒, 其趋势相反. 小颗粒(τ_p/τ_k<5)温度的Lagrangian自相关系数R_p^T也随颗粒惯性(τ_p/τ_k)的增大而减小, 对于大颗粒这一趋势也相反. 颗粒运动轨迹上流体温度的自相关系数 都随颗粒惯性的增加而减弱, 而且随颗粒惯性的增加, 颗粒运动轨迹上流体温度的自相关比颗粒温度的自关联下降得快. 平均温度梯度的存在使得在沿平均温度梯度的方向上颗粒速度和温度有很强的关联性. 当τ_p/τ_k<1时, 其关联系数随颗粒惯性的增加而增大; 当τ_p/τ_k>1时, 这一系数的值与颗粒惯性无关.     

应用MDDES的飞行器气动／结构耦合抖振数值模拟

严重分离流动非定常效应是造成现代飞行器发生抖振的主要因素，因此，准确模拟飞行器分离流动是开展飞行器抖振研究的基础．本文在综合考虑现代计算机资源以及分离流流动模型可信度的基础上，建立了基于MDDES（Modified Delayed Detached Eddy Simulation）的分离流非定常数值模拟方法，通过对典型的战斗机大攻角分离流模拟计算，对计算方法进行了验证．在此基础上，综合利用RBF径向基函数技术与无限插值方法建立高效的、鲁棒性强的动网格技术，结合模态空间下结构动力学方程，建立了飞机气动／结构耦合抖振数值模拟平台，对某战斗机大攻角下边条涡干扰引起的垂尾抖振问题开展研究．数值结果显示：通过对流场中涡破裂位置的压力脉动的时域响应进行的频谱分析表明，不同尺度的涡结构脉动频率覆盖了垂尾的结构固有模态频率，相比较雷诺平均Navier-Stokes方程，MDDES方法能够分辨出更细致的、更高频率的小尺度涡结构；与颤振明显的区别，各阶模态位移加速度响应由自身模态所主导，一阶弯曲与一阶扭转模态存在强烈的耦合，使结构产生加速度，承受较大的惯性力载荷冲击，是引起结构疲劳的主要因素，验证了所采用数值手段和相应方法的有效性．     

共轨柴油机燃用生物柴油的排气颗粒粒径分布及核态纳米颗粒生成机理研究

在新一代轿车用共轨柴油机上对生物柴油及柴油燃烧排放的颗粒粒径分布和纳米颗粒的生成机理进行了研究．试验结果表明，柴油机的颗粒粒径分布为双态分布：核态和聚集态，基本以50nm为分界线．在2000r／min，50N．m工况下，颗粒粒径分布为单一的聚集态分布，当转矩超过100N．m后，颗粒粒径分布从单态转化为双态分布．对于本试验中的生物柴油混合燃料，当燃料混合比小于60％，发动机高负荷下其粒径分布也为双态，相同条件纯生物柴油的颗粒粒径分布仅为单一聚集态．低负荷时，对比所有燃料的颗粒粒径分布都为单一聚集态．生物柴油混合燃料可以明显降低柴油机的聚集态颗粒数量浓度．而颗粒中核态纳米颗粒的形成可解释为随着负荷的增大，燃料的耗油量和排气温度的上升，燃烧生成的SO2被氧化催化器转化为SO3，其水化物硫酸的形成促成了核态纳米颗粒的形成．所以生物柴油混合燃料的硫含量决定带有氧化催化器的轻型柴油机的纳米颗粒的形成和数量．     

适用于超声速湍流扩散燃烧流动的火焰面模型

为了建立适用于超声速流动的湍流扩散燃烧模型,本文首先分析了火焰面模型应用于超声速流动的物理基础,然后数值模拟了轴对称超声速射流形成的氢气/空气扩散燃烧流场,利用实验数据校正了火焰面模型中重要物理量标量耗散率的模型系数.计算结果与实验数据的对比表明,本文修正后的火焰面模型对超声速湍流扩散燃烧流动的模拟能力是令人满意的.基于火焰面模型理论以及数值模拟结果,本文首次研究了湍流脉动对平均状态方程以及化学反应源项的影响机理,得到以下结论：组分浓度和温度脉动相关项对平均状态方程影响很小;温度脉动会降低水的生成速率,但其影响较小;组分浓度脉动在接近于氧化剂一侧区域增加水的生成速率,而在另外的大部分区域会降低水的生成速率;组分浓度与温度的脉动相关作用会很大程度上降低水的生成速率.     

直接解N-S方程模拟高雷诺数过跌坎水流

首次在较粗网格下成功地由N-S方程直接数值求解了高雷诺数过跌坎水流.跌坎水流是典型的由大涡控制的紊流运动,作为一种近似可忽略小涡影响,网格尺度易满足描述大涡特征分辨率的要求,从而可在较粗网格实现直接数值求解N-S方程获得紊流流场.文中采用基于剖开算子法的欧拉-拉格朗日相结合的有限单元方法,对雷诺数Re=44000的二维跌坎水流进行了数值模拟.用16669个节点组成的三角形网格离散流场,在个人电脑上仅用150min即完成全部计算,不但给出了流场的时均特征,而且给出了它的紊动瞬时特征.数值试验表明,主要计算成果和试验甚吻合,由N-S方程直接数值求解工程中高雷诺数复杂紊流问题将成为现实.     

二维垂向射流沙质河床冲刷的数值模拟

基于紊流理论和射流冲刷机理，本文提出了二维垂向射流冲刷的数学模型．以拖曳力为主要参变数，导出了基于希尔兹数的推移质泥沙输运模型，将临界希尔兹数作为泥沙颗粒起动的判别标准，模型中没有考虑悬移质的运动，推移质运动所引起的河床形态变化用动网格技术来描述，从而形成了基于动边界的二维射流冲刷数学模型．针对二维垂向射流清水冲刷进行了试验研究，得出了射流流态及冲刷坑的几何特征等资料．选用实验室物理模型参数对二维射流冲刷进行了数值计算，试验和数值模拟均展现了射流冲刷摆动的发展过程，两者给出的射流摆动现象的良好吻合验证了模型和算法的有效性，进而在计算和试验研究基础上给出了射流冲刷平衡时冲刷坑特征长度的半经验公式．     

弯曲河床中底沙运动和河床变形的三维k-ε-kp两相湍流模型

建立了曲线坐标系下的三维k-ε-k_p固液两相双流体湍流模型, 模拟了弯曲河道内的底沙运动和河床变形. 计算了实验室120°弯道内水沙两相流的时均流速、泥沙运动以及床面变形, 数值结果较好地再现了实验规律. 同时, 比较了单流体模型和k-ε-k_p模型的数值结果. k-ε-k_p模型能够求解悬沙的三维速度场, 并采用零梯度边界条件获得底沙的运动信息. 计算结果表明在弯道内泥沙运动轨迹的变化比水流运动轨迹的变化平缓, 泥沙轨迹从弯道入口开始逐步偏离水体轨迹, 其偏离程度随泥沙粒径增大而增大. 通过采用底沙的运动强度和方向来求解推移质运动方程以及床面变形, k-ε-k_p模型能够比单流体模型更好地模拟弯道内的床面演变.     

超声速湍流燃烧火焰面模型理论分析

火焰面模型由于具有物理直观、计算效率高等优点，受到了学术界的高度重视，并逐渐被用于超声速燃烧的数值模拟中．但是，火焰面模型是从低速流中发展起来的，超声速流中火焰面模型假设是否成立，火焰面模型能否用于描述超声速燃烧，亟需澄清和证实．基于此，本文从理论上对超声速燃烧流场中是否存在火焰面模式进行判别．首先讨论了湍流脉动与火焰面之间的相互作用，给出了不同作用程度下所呈现的燃烧机制；然后对超燃冲压发动机燃烧室内部湍流流动与燃烧的特征尺度进行计算和比较，用于判定超声速流中火焰面模型假设是否成立，结果发现对预混燃烧，考虑实际低速回流区／剪切层中脉动速度较低，所有飞行马赫数下超声速燃烧流场均满足火焰面模型假设；对于非预混燃烧，除高飞行马赫数下极小部分燃烧流场位于慢化学反应区外，其余也均满足火焰面模型假设；最后以德国宇航研究中心的支板喷氢超声速燃烧流场为例进行数值计算，以便从定量上对燃烧模式进行细致判别，结果发现超声速燃烧发生的区域为充分发展的湍流区，且整个流场中火焰面模型假设成立．     

TCVI工艺制备C／C复合材料的多物理场耦合模拟

采用2D轴对称瞬态模型对热梯度化学气相渗积（TCVI）22艺制备高性能C／C复合材料过程进行模拟．模型包括对流、热传导、扩散、沉积反应和孔隙演变等物理化学过程．采用有限元方法实现了多物理场迭代耦合计算，得到了各时刻流场、温度场和密度分布规律，研究表明对流对温度场分布具有重要影响．对于采用TCVI工艺致密化100h的C／C复合材料，对比实验测得的预制体平均密度径向分布，计算结果与实验结果符合一致规律，验证了模型的可靠性和模拟计算的预测能力．     

多材料多尺度3D打印主动混合喷头的研究

多材料多尺度3D打印代表增材制造技术的前沿和未来发展方向,在功能驱动的"材料-结构-器件"的一体化制造,"创材"、"创物"和"创生"方面已经展示出巨大的潜能和广阔的应用前景.本文提出一种单喷头多材料多尺度3D打印新方法,针对核心功能部件——多材料主动混合喷头,开展了理论分析、数值模拟和实验验证的系统研究.提出一种多材料主动混合喷头,根据描述混合过程的物理方程(流体控制方程、湍流模型和稀物质扩散方程),阐述了叶轮直径、叶轮转速、流体黏度、体积力等因素对于混合效率和混合性能的影响及其规律;利用COMOSOL工程模拟软件,进一步揭示了叶轮直径、叶轮转速、流体黏度对于多材料混合的影响及其规律;最后,通过渐变色模型打印、变刚度模型打印和微尺度模型打印三个典型实验案例,验证了理论分析和数值模拟研究结果正确性和有效性.本研究为多材料多尺度3D打印奠定了理论基础,并为多材料多尺度3D打印装备的开发和工艺优化提供了重要理论支撑和方向性指导.     

EGR和点火时刻对缸内直喷汽油机排放的影响

在一台气流引导喷雾的GDI发动机上，进行了EGR对发动机排放影响的研究，研究了中小负荷下，EGR和点火时刻对发动机燃烧、排放的影响．试验结果表明，点火时刻对GDI发动机排放有明显影响，推迟点火时刻，可以显著降低NOx排放，高EGR水平条件下，NOx排放减少幅度更大．较高的EGR率会小幅降低CO排放，点火时刻对CO排放影响较小．低EGR率有利于获得较低的HC排放．在2500r／min下，适当的EGR率可以降低CO排放．提高EGR率和提前点火，会明显降低排气温度，转速2500r／min下的排气温度会明显高于1850r／min下的排气温度．中小EGR率下，核态颗粒排放物浓度明显升高，随着EGR率的增加，聚集态颗粒物浓度小幅降低，核态颗粒物粒径范围10～25nm．     

多尺度非均质多孔介质模拟及参数灵敏度分析

针对多孔介质非均质固有的多尺度性和单一观测资料的局限性, 提出了将确定性和随机性方法相结合以模拟非均质体, 并以海岸平原沉积环境为例, 来说明并检验. 首先, 依据转移概率矩阵, 判断和划分非平稳不整合面, 并综合水文地层学分析, 建立了区域(大)尺度确定性层序模型. 其次, 利用岩心记录剖面和CPT资料, 确定了水文沉积相的水平平均长度, 建立了各沉积系统的Markov模型, 得到了局部(中等)尺度随机水文相模型. 最后, 层序模型和相模型相结合, 生成了融合定量与定性观测资料,兼具确定性与随机性的多尺度非均质模型. 此外, 为进一步研究模型参数的不确定性对溶质运移的影响, 重建了代表两类非均质模型的多个虚拟体, 并分别用来模拟地下水流和污染物运移的过程. 灵敏度分析表明, 水文相水平平均长度的拉长, 一般会导致污染物弥散云的第1, 2阶空间矩趋于增大.     

炭／炭复合材料微观孔隙结构演化的分形特征

提出了一种用分形理论研究炭／炭（C／C）复合材料制备过程中孔隙演化特征的新方法．基于压汞测试数据，根据海绵分形模型及热力学关系模型导出的多孔介质分形维数计算公式，计算了致密化各阶段C／C复合材料孔隙的分形维数，并研究了分形维数随孔隙演化过程的变化规律．结果表明C／C复合材料属于多孔分形介质，孔隙分形维数随孔隙率的减小而增大，但同时受到热解炭织构形态的影响，从各向同性到高织构热解炭，分形维数减小．分形维数综合反映了C／C复合材料内部孔隙的复杂程度和热解炭的形貌特征，是监控C／C复合材料致密化过程中孔隙演化的一个有效参数．     

页岩纳米孔吸附气表面扩散机理和数学模型

页岩富含纳米孔,且吸附气占总气量可高达85%,因此页岩气表面扩散对气体传输具有重要的作用.页岩气藏压力高,页岩表面能量非均质性强,吸附气非等温解吸附等,均加剧了吸附气表面扩散模拟的复杂性.基于低压条件下推导的Hwang模型,考虑高压条件下吸附气覆盖度的影响,建立了页岩吸附气表面扩散模型.同时,该模型还考虑了页岩表面能量非均质性、等量吸附热和非等温解吸附对表面扩散的影响.研究表明:1)表面扩散系数随压力的增大而增大,随温度的升高而增大,随表面活化能的减小而增大,随气体分子量的减小而增大;2)黏性流动、努森扩散和表面扩散对气体传输的贡献是此消彼长的,主要受孔隙尺度和压力的控制;3)表面扩散在微孔(半径2 nm)中,对气体传输贡献大,可高达92.95%;在宏孔(半径50 nm)中,贡献低于4.39%,可忽略;在介孔(2半径50 nm)中,表面扩散的贡献介于微孔和宏孔之间.