基于网格数值耗散修正的圆湍射流模型

基于民用机舱内个性通风口,以圆湍射流作为研究对象,以标准κ-ε湍流模型较精细数值模拟与实验对比结果为出发点,通过对粗网格下数值结果的分析,针对网格尺度增大导致计算中数值耗散相应增大、射流速度沿轴向和径向衰减过快问题,从湍流耗散率方程出发,对影响湍流耗散的生成项和耗散项进行修正,平衡因网格尺度产生流动衰减过快的因素,进而提出了耗散率修正的κ-ε湍流模型.采用该修正模型验证了不同雷诺数和非等温条件下射流的适用性.应用修正的湍流模型可以避免机舱内大尺度空间流动对网格的苛刻要求,明显减少网格总数,同时达到对舱内复杂结构和边界条件下流场特征的正确模拟.     

机舱通风口冲击射流湍流特征分析及验证

以机舱个性化通风口为背景,对自由射流加壁面冲击射流,采用几种湍流模型数值分析了10倍冲击高度、雷诺数为9,000的气流遇到冲击板后湍流脉动、流动转折等流动特征.探讨了湍流模型对冲击射流关键位置平均速度、脉动速度以及雷诺应力等流动参数特征的模拟能力,通过与实验测量结果的对比,确定了湍流模型在冲击射流中的适用性和局限性.综合来看,Relizable k-ε模型可以得到与实验值较好的符合度,但在近壁面区域会略有偏差.分析结果认为将RANS和LES组合将是开展实际机舱内通风口射流研究的最佳策略.     

基于LS-DYNA 3D的聚能装药数值模拟规律验证与检验

针对当前广泛应用的商用数值模拟软件LS-DYNA 3D,开展了聚能装药射流成型与侵彻数值模拟结果可信度研究,对美国BRL-82基准弹进行数值模拟规律验证.结果表明：对轴对称聚能装药结构,药型罩壁厚网格数δ=4,对应装药、射流成型及侵彻通道的关键区域网格单元划分0.25 mm;射流成型采用多物质全Euler算法,侵彻采用多物质流固耦合算法,计算结果可信度较高.此外,铜药型罩材料本构模型选为Steinberg或Johnson-Cook时,对射流成型及侵彻计算结果可信度影响较小.设计了直径为56 mm的聚能装药,基于上述验证规律对其射流成型及侵彻进行数值模拟,通过脉冲X光和静破甲实验对该结果可信度进行了检验.     

合成射流数值模拟方法对比

为了得到最佳的合成射流模型用于合成射流主动流动控制的数值模拟研究,通过求解二维非定常RANS方程,在网格和边界条件等一致的情况下,对比研究了出口速度模型、单连通域模型和动边界模型等3种合成射流模拟方法的优缺点和适用范围,并与实验结果进行对比分析.结果表明:3种模型对射流的速度都有较好的捕捉能力,在考虑激励器振动膜运动的空间分布与时间分布因素的基础上,动边界模型包含对激励器腔体体积变化率建模,对合成射流漩涡空间分布和强度分布有准确的捕捉能力,是数值模拟应用的理想模型.     

大型客机座舱合理排数的数值模拟

由于计算资源的限制,设计座舱的气流组织采用全舱数值模拟的方法不够科学,确定合理的座舱环境模拟排数是获得气流组织真实信息的基础.为此,用经过验证的计算流体力学（CFD）方法对单通道座舱合理排数进行了数值模拟研究,包括空舱及满员两种情况;研究的座舱排数分别为1排、3排、5排、7排及9排,模拟工况为热天巡航,数值模型采用RNG k-ε模型.研究发现,对于空舱情况,由于复杂几何及边界条件对舱内气流的影响,至少需要5排座舱才能得到较合理的计算结果,7排及7排以上的座舱排数能得到准确的计算结果;满员情况下,由于人体热羽流对舱内气流流动起主导作用,故3排及以上的座舱排数能得到准确的计算结果.基于已确定的合理座舱排数,对半满员及满员两种情况下舱内的气流组织进行了对比分析.与满员情况下舱内气流组织呈对称分布不同,半满员情况下,每一排的气流都偏向人员多的一侧.     

不同尺度水平并列气泡运动特性三维数值研究

本文基于Open FOAM开源代码建立了能描述气泡运动的三维气液两相流数学模型,对单个气泡及不同尺度大小的并列气泡在静水中上升的运动过程进行模拟.通过数值模拟进一步了解气泡形变特征以及射流产生与发展的真实物理过程,同时探究新增气泡的尺度效应对原单气泡的影响.结果表明,本模型能较精确地模拟气泡在水中的运动变化过程,适应于具有大密度比的复杂界面流的三维数值研究;气泡周围的速度场与涡量场有效地揭示了气泡射流的动力结构特点;对于能贯穿气泡上表面的射流,其速度在穿透气泡之前与气泡上升速度同时达到最大值;在单气泡周围一定范围内布置新的气泡,新增气泡的尺度越大,对原气泡流场结构影响越大,新增气泡尺度增大导致气泡射流向两气泡所处位置连线的中轴线方向发展.     

采用不同湍流模型对半封闭狭缝湍流冲击射流的数值模拟

针对海洋石油工程中废弃平台切割技术的需要,采用充分发展的入口条件结合标准壁面函数,将标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型和雷诺应力模型应用于半封闭狭缝湍流冲击射流的数值模拟,采用减小网格尺寸和提高差分格式精度等措施来减小数值伪扩散对冲击射流流动的影响.结果表明:雷诺应力模型和Realizable k-ε湍流模型在湍流冲击射流的数值模拟中具有一定的优越性,Realizable k-ε模型的计算量较小;减小网格尺寸并不能降低数值黏性对计算结果的影响;提高差分格式的精度可以在一定程度上降低数值黏性对计算结果的影响,MUSCL格式并没有显著提高计算结果的精度.     

二维炉膛气液两相对冲流动数值模拟

以锅炉炉膛选择性非催化还原(SNCR)脱硝为应用背景,抽象出具有对称结构的二维两相流动模型,通过数值模拟,探讨气液两相对冲射流的流动和混合特性.模拟结果表明,由于炉内高速气流的扰动,液体射流并非在所有的雷诺数Re下都能穿透气体区域在模型中心线附近位置汇合.增大Re,液体穿透力增加,两侧对冲的液体射流逐渐可以在模型中汇合...     

射流角度对流体控制矢量喷管的影响

采用基于雷诺平均的三维N-S方程和RNGk-ε湍流模型对某型喷管射流注入时的全流场进行了数值模拟,计算结果和试验数据符合良好。为研究射流注入角度对喷管流场的影响,数值模拟了9组射流角下的喷管流场,计算结果表明:射流垂直壁面注入时产生的推力矢量角最大,逆流注入气流对喷管流场的改变要明显大于顺流注入气流的影响,但产生的损失也较大。     

基于STAR CCM+的拖拉机发动机舱三维仿真分析

因为拖拉机作业环境恶劣承受负荷大产热量高等问题,所以对拖拉机的外形,机舱内零部件布置,以及系统内单体性能都有着特殊而又严格要求,从而优化和解决拖拉机工作时所出现的上述问题,与此同时改善整机的动力性、经济性、和排放性等其他重要参数指标。本文利用star-ccm+软件建立某款拖拉机整车三维数值模型,通过计算获得舱内压力、速度、温度分布云图,进而分析得出拖拉机在工作时动力机舱内冷热流场分布情况。仿真结果表明：发动机舱内零部件布局合理,舱内气流平顺,无明显热流囤积,冷却系统各单体流场分布合理。     

带钢热镀锌数值模拟

利用计算流体力学的方法研究气刀冲击射流.应用FLUENT软件,采用可实现k-ε模型着重对气刀压力场进行数值模拟.数值计算结果揭示了气流刮锌过程中带钢面上的压力分布趋势,并与实验数据进行了比较,模拟结果与实验数据符合较好.这表明,用可实现k-ε模型来预测冲击射流是比较准确的.在此基础上,研究了影响镀锌层厚度的几个因素,发现一些规律,为带钢热镀锌机组设备的进一步研究和优化设计提供了参考和依据.     

超音速射流流场中湍流模型

为了确定适用于超音速射流流场数值模拟的湍流模型,首先从理论上分析常用的五种湍流模型之间的差异及其适用范围;其次,采用五种湍流模型,分别对不同马赫数下超音速射流流场进行数值模拟,将数值模拟结果与实测值和理论值进行对比分析.结果表明:剪切压力传输k--ω模型与其他模型相比,通过对输运方程的修正,保证其在计算射流流场时具有较高的准确性;在喷管内部和外部射流流场的模拟中,剪切压力传输k--ω模型的计算结果与理论值和实测值具有较高的吻合度,在五种湍流模型中最适合于超音速射流流场的数值模拟研究.     

鱼雷发射管跟随流体射流噪声的数值计算

为了定量分析鱼雷出管后形成的瞬态射流噪声在总的发射噪声中的贡献程度,采用计算流体力学和计算声学相结合的混合模拟方法对两种速度下的定常射流噪声进行了预报和分析.射流噪声模拟时考虑艇体壁面限定影响,湍流涡捕捉采用大涡模拟方法,声传播计算采用边界元数值声学方法.结果表明:射流束集中穿过艇体壁面上的防波板出口,仅有少数流体在发射水舱内折转涌动;艇体壁面存在破坏了发射水舱内射流束与周围流体之间剪切层的形成,艇体壁面外湍流涡结构与射流混合区理论形状一致;射流噪声主要贡献频带位于100Hz以内和300Hz~1kHz范围内,且以低频段为主;偏离射流轴向方向时,辐射噪声显著减小;电磁式鱼雷发射装置的声学优化空间显著.     

密度分层流中的浮射流模拟

以垂向密度变化的环境流体为背景,采用k ε紊流模型,建立了垂向二维浮射流的数值模型.模型的求解采用有限体积法和SIMPLE算法.针对密度分层流中的浮射流实验,对垂向密度呈线性变化的垂直浮力射流进行了数值模拟,得到射流的密度场、射流轨迹、稀释度和射流宽度等的分布规律.通过数值模拟和实验结果的对比分析表明,两者吻合较好,所建立的垂向二维浮射流紊流模型能够比较精确的模拟分层环境中浮射流的水流状况和射流进入环境流体的混合状况.     

合成射流流动与传热特征的数值模拟

采用RNGκ-ε模型和PISO算法,通过求解三维N-S方程,对腔体右侧振动膜片运动的二维合成射流流动与传热特征进行了数值模拟.模拟结果显示由于激励器在右侧振动膜片的作用下,合成射流产生的喷射气流在喷口中心右边速度稍大于左边速度,形成不对称射流流场;射流冲击壁面的速度峰值出现在中心区两侧,使得射流冲击换热的Nu数形成相应的峰值;随着合成射流冲击距离Z/do的增大,其对流换热系数出现先增大后减小的变化规律,当冲击距Z/do=20~30 mm时冷却效果较佳.     

高温气流平面射流扩散过程分析

在工业生产中经常会出现高温烟尘气的排放与扩散现象,研究高温烟尘气的射流扩散过程对于烟尘治理和集尘通风系统设计有重要意义。通过数值模型分析与试验分析结合的方法,对高温气流扩散过程进行分析与研究。结果表明：在高温气流水平浮力射流扩散过程中,射流温度显著改变了射流扩散轨迹和速度分布,随着气流温度的升高,气流密度降低,使射流在水平方向速度衰减加速,而低密度气流的热浮力效应增强,在垂直方向速度值增加加剧,形成了更靠近射流壁面的上浮扩散轨迹;在高温气流射流扩散分析中,在理想气体的浮力模型中添加了密度随温度的变化,因此它比布辛涅斯克近似的浮力模型获得的射流轴线速度与射流扩散轨迹结果更准确,可知改模型适合分析高温气体的浮力扩散特征;两种模型获得的射流速度分布的结果误差相反,使两种模型能够适用于不同类型的工程需求     

裙板格栅方向对高速列车设备舱通风性能影响研究

为研究不同方向格栅对高速列车车下设备舱通风性能的影响,以一段某型高速列车实车所用设备舱为试验对象开展了风洞试验,同时基于Realizable k-ε湍流模型构建了风洞试验的数值计算模型.通过风洞试验结果验证了数值模型的准确性,并获得了一套适用于设备舱裙板格栅区域的网格划分参数.基于经风洞试验验证的数值模型和网格划分参数,建立了头车包含设备舱的三车编组数值计算模型.以不同方向格栅（竖向和横向）为研究对象,分析了300 km/h速度等级下设备舱格栅通风口的通风量及设备舱内部的速度分布情况.结果表明：装配两种格栅时,设备舱的总进风质量流率基本一致,其中,装配竖向格栅时,其两侧的进风质量流率基本一致,但装配横向格栅时,其两侧的进风质量流率有所差异,相较于前者,其y-侧的质量流率减少了6.59%,y+侧的增加了6.79%.装配竖向格栅时,气流均匀地从整个格栅区域进入,其进入方向与列车运行方向相同,且速度较小;装配横向格栅时,气流集中从格栅右侧区域进入,其进入方向与列车运行方向相反,且速度较大.通过综合对比质量流率及设备舱空间气流速度,发现装配横向格栅时的通风性能较优.     

二冲程内燃机扫气流场的数值模拟

用分块结构化网格对二冲程内燃机的扫气流场进行了三维数值模拟，在缺内代数方法生成贴体网格，用ＡＬＥ法求解控制方程组，提高了离心力源项的计算精度。通过在一个两气口气缸模型上进行的大量数值实验，探讨了数值计算中出现的问题及解决方法，模拟了两种二冲程发动机的扫气过程，其结果与实验对比是令人满意的。     

基于涂层显微组织图片的拉伸实验有限元数值模拟

针对热障涂层,利用数字图像处理技术与有限元网格模型生成原理相结合的方法,生成与实际ZrO2陶瓷层显微组织图片一致的介观尺度的有限元网格模型.利用LS-DYNA有限元方法进行ZrO2陶瓷层在不同拉应力作用下的裂纹扩展模拟.数值模拟结果表明:在考虑了ZrO2陶瓷层所包含的孔洞、微裂纹等缺陷的基础上,裂纹从已有缺陷处开始迅速扩展,并最终导致ZrO2陶瓷层断裂失效.数值模拟结果与实验结果吻合良好.     

多尺度有限元法在分层网格上的边界层数值模拟

针对二维奇异摄动问题的对流扩散方程,应用多尺度有限元法在分层网格上数值求解边界层现象.利用多尺度有限元的基函数承载微观摄动性态,在宏观尺度下仅用少量计算资源通过分层网格自适应地逼近边界层.数值模拟结果表明,该方法是有效的且能得到不依赖于摄动系数大小与稳定收敛的高精度结果.