风沙流中沙粒速度分布的实验研究

采用相位多普勒粒子分析仪（phase Doppler particle analyzer,PDPA）测量了风沙两相流动中沙床面上沙粒碰撞和起跳速度概率分布以及不同高度处沙粒速度概率分布．结果表明,沙床面上沙粒碰撞和起跳速度概率分布均可用对数正态分布函数描述,碰撞和起跳角度均可用指数分布函数描述．沙粒平均碰撞角度为28°-39°,平均起跳角度为30°～44°,平均起跳速度为平均碰撞速度的0．81～0．9倍,向后碰撞沙粒占总碰撞沙粒的比例为0．05～0．11,向后起跳沙粒占总起跳沙粒的比例为0．04—0．13．沙粒水平速度概率分布在4mm高度处表现为正偏斜类型,在20mm高度处沙粒水平速度的变化范围更加广泛,在80mm高度处沙粒水平速度变化范围小于20mm高度处的变化范围．沙粒垂直速度概率分布在不同高度处均可表示为正态分布函数．     

近床面风沙流的颗粒拟流体大涡模拟分析

通过气相大涡模拟与基于颗粒动理学理论的颗粒相湍流拟流体模型进行耦合,对近床面风沙气固两相三维运动进行了数值计算。相同来流风速下,对跃移层内沙相速度、沙相浓度及沙粒脉动均方根速度沿近床面高度变化进行了统计分析,对比了模拟参数结果与相关实验值之间的差异。结果表明:所建计算模型能较好地揭示近床面风沙流特性,低沙相浓度运动模拟中2种曵力系数模型计算得到的各个宏观参数统计量趋于一致;跃移层内沙相平均流向速度随近床面高度的增加呈递增趋势,沙相浓度随近床面高度的增加呈递减趋势,沙相流向脉动均方根速度在跃移底层呈现单一峰值状。模拟结果获得了与相关实验结论相类似的变化规律,得出准确选取沙粒碰撞弹性恢复系数是准确揭示沙相速度脉动强弱的关键。     

欧拉颗粒流模型下的近床面风沙跃移速度分布特征

风沙运动中沙粒速度是风沙物理学研究的重要内容,为反映风沙流运动中沙粒相浓度变化及沙粒的速度分布,从多相流的角度出发,运用二维欧拉颗粒两相流模型对风沙的流动过程进行模拟.通过对比实验中沙粒的体积浓度随高度的变化,验证了模型的准确性,并在此基础上对沙相的运动信息进行统计分析,得到近床面风沙流的沙相速度分布.统计结果表明:在风沙跃移过程中,沙粒体积分数随高度的变化呈指数衰减,并在近地面附近出现浓度饱和层,饱和层沙粒体积分数的数量级为10-7,且在饱和层上方浓度衰减加快.通过对体积分数大于等于10-7的沙粒速度信息进行统计,得到不同时刻沙相速度分布,并给出相应的速度分布概率密度函数.     

多维正态分布函数近似值的研究简

运用矩阵的Cholesky分解技巧和全概率公式给出了高维正态分布函数的近似计算公式.结果显示,高维正态分布函数可用低维正态分布函数的加权值来近似.该方法可推广到其它具有线性变换不变性的高维随机变量分布函数的计算.最后,给出了二维、三维和四维正态分布函数的计算实例,并和Cox的相关结果作了比较.     

多维正态分布函数近似值的研究

运用矩阵的Cholesky分解技巧和全概率公式给出了高维正态分布函数的近似计算公式.结果显示,高维正态分布函数可用低维正态分布函数的加权值来近似.该方法可推广到其它具有线性变换不变性的高维随机变量分布函数的计算.最后,给出了二维、三维和四维正态分布函数的计算实例,并和Cox的相关结果作了比较.     

水平集方法在两相体系颗粒运动数值模拟中的应用

两相体系中颗粒或颗粒群的运动存在于许多工业过程中,建立了描述两个颗粒(液滴或气泡)在另一液相中运动和变形的三维模型,颗粒的界面用水平集方法捕获,耦合了水平集函数的Navier-Stokes方程用控制容积法和SIMPLEC算法进行求解. 用所建立的模型和算法研究了两种情形下的颗粒运动:两个空气气泡在玉米糖浆溶液中的运动和凝并过程,及两个煤油液滴在静止水相中的运动和变形过程,同时也做了两气泡运动的二维模拟. 两气泡运动的三维模拟结果与他人的实验结果比较一致,二维模拟结果与他人的二维数值模拟结果也比较一致,说明所建立的三维模型及算法能够描述两个气泡或液滴在另一液相中的运动和变形过程.     

考虑颗粒群阻力效应的跃移运动

考虑到风沙流中颗粒群阻力效应,采用修正后的单球模型阻力系数公式,计算了跃移运动达到稳定状态时的风速廓线、输沙量、沙粒相体积分数.结果表明:当跃移达到稳定状态时,考虑颗粒群阻力效应对阻力系数修正时计算所得的输沙量、沙粒相体积分数均大于不修正时的相应值.当摩阻风速增大时,输沙量及颗粒相体积分数也会随之增大,而以相同速度起跳的颗粒跃移长度随之增大,高度有所降低.     

不规则细砂的统计特性及二维/三维数值模拟

针对油气输送管道中的固体颗粒侵蚀问题,提出了一种更符合实际细砂形状的二维、三维细砂数值模拟方法.根据不规则天然石英砂微粒的扫描电子显微镜(SEM)检测结果,采用图像处理技术和数理统计方法,得到不规则细砂平面投影形状的统计分布类型及分布参数.试验结果表明:砂粒周长(p)、平面投影面积(A)、等效直径(D)、等效椭圆主轴长(Lmaj)和短轴长(Lmin)服从对数正态分布(Lognormal)或广义极值分布(GEV)分布,而纵横比(AR)则服从GEV分布.基于试验统计分析结果,考虑颗粒长短轴之间的比例关系以及面积、周长与长短轴之间的内在联系,提出了一种二维不规则细砂颗粒模拟的新方法.基于二维细砂模拟结果,考虑颗粒厚度分布,提出了三维随机细砂模型模拟方法.通过Matlab和Python编程,基于ABAQUS平台建立了二维和三维砂粒有限元模型.结果表明:该方法不仅可以考虑颗粒分布参数之间的内在联系,而且模拟精度较高,根据已有的砂粒形状分布参数即可构建合理的砂粒有限元模型.此外,该方法也可模拟几何形状更复杂的石英砂颗粒.通过自顶向下建模方法和圆角功能,可实现非尖锐颗粒的三维模拟,使得数值模型更贴近实际.本文试验结果及数值模拟方法可为油气输送管道颗粒侵蚀数值模拟和侵蚀机理研究提供依据.     

固体火箭发动机撞击点火数值模拟计算

装填高能复合推进剂的固体发动机,在跌落和撞击等情况下可能发生燃烧或爆炸. 为了对发动机低速撞击下的安全性进行评价,建立了发动机撞击靶板点火计算模型,采用热力耦合算法实现机械能和热能之间的转化,采用Arrhenius方程描述推进剂自热反应过程. 对直径为200 mm和480 mm发动机撞击靶板过程进行数值模拟计算,获得了与火箭橇实验结果一致的速度阈值范围. 结果表明计算模型能较好描述发动机撞击点火过程. 计算结果表明,装药量大的发动机撞击后更容易发生点火,发动机撞击点火速度阈值与装药量的对数成线性关系.     

某深水开敞式码头船舶荷载现场试验研究

介绍对某港煤码头进行的深水开敞式码头船舶荷载现场试验的测试内容,方法和结果,以及对测试资料的概率统计分析结果,通过对船舶荷载的概率分布规律的研究,提出在可行度设计中,撞击能量可采用对数正态概率分布、系缆力最大值可极值Ｉ型概率分布作为荷载模型,靠船速度可采用极值Ｉ型概率分布作为靠船速率计算模型。按南京水利科学研究院建议公式计算的波浪作用下系泊船舶的撞击能量较按规范公式计算的撞击能量与现场试验结果更为     

风速脉动对跃移运动的影响

对风沙流中随机风场模型进行了描述，然后基于高斯概率分布，利用随机Fourier级数生成脉动风场，进而对混合粒径颗粒在湍流随机风场中的运动进行数值计算，给出了颗粒的垂直质量通量和水平质量通量以及沙粒粒径分布的变化情况。实例分析表明，所提出的算法在给定条件下，数值模拟结果与实际观测结果符合良好。     

方柱绕流的大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法对雷诺数为2.2×104的方柱绕流流场进行了数值模拟.使用非交错网格的有限差分法,分别对准三维物理模型和真实三维物理模型求解不可压N-S方程,将沿流向方向方柱水平中心线上的时均速度的计算结果与实验数据进行了比较,结果表明,三维模型的模拟结果优于准三维模型的模拟结果.比较升力系数和阻力系数发现,与二维模拟(RNG)方法相比, 三维模拟的结果更加接近实验测试数据.     

基于二维变形体入水的滑行艇水动力研究

为寻找准确便捷估算滑行艇水动力的方法,在二维半理论的简化模型下,通过CFD方法建立气液二相流VOF模型,数值模拟二维变形体入水砰击过程,对滑行艇稳定直航状态下的动升力进行研究.为验证数值模型精度,首先对二维楔形体入水进行数值模拟,并将得到的砰击参数与理论近似解结果进行比较,进而根据船模实验中的航行姿态,将三维船体稳定直航简化为二维变形横剖面入水过程并通过动网格技术进行数值模拟.将变形横剖面入水不同时刻的动升力沿船长方向对应的横剖面位置进行积分得到全艇的动升力.同时,对三维船体进行绕流计算,将得到的动升力与二维积分结果以及实验值进行对比.计算结果表明,二维和三维计算结果均与实验数据基本吻合,通过CFD方法计算基于二维变形体入水的高速滑行艇水动力问题具有可行性.     

基于蒙特卡罗模拟方法的疲劳强度概率分布推断

在采用应力-强度干涉理论进行可靠性分析时,需要根据材料的现有疲劳实验数据,获得任意指定寿命下的疲劳强度概率分布.文中提出了一种疲劳寿命服从对数正态分布的疲劳强度概率分布数值模拟方法.该方法在有限寿命阶段内,根据两条已知的疲劳特性(P-S-N)曲线,重构任意存活率下的P-S-N曲线,进而运用蒙特卡罗技术推断任意指定寿命下的疲劳强度概率分布.以20Cr2Ni4A为例进行相关分析,结果表明,P-S-N曲线重构精度高,疲劳强度概率分布接受正态分布假设,模拟结果符合等同性原理和疲劳强度衰减理论.这说明文中方法是有效的.     

有限空间风沙流动数值模拟及边界条件问题

采用Euler方法的双流体模型和颗粒动理学方法对二维风沙气固两相流动进行了数值模拟,研究不同边界条件下的气固两相速度与浓度分布以及进口条件下的风沙流动。结果表明,对边界为固体壁面的流动,沙粒边界条件对其浓度分布有严重的影响,必须计及能量平衡和沙粒速度滑移效应,体现为沙面上的沙粒起动和碰撞特性;进口效应的存在使得在较短的距离内不能获得合理的流动结构,要求根据实验给出准确的进口条件,或者计算域有足够的长度,使流动结构不受进口效应的影响。     

考虑参数相关性的蒙特卡洛模拟方法在储量计算中的应用

针对使用容积法计算储量时参数选取存在的不确定性和多解性,以及参数之间的相关性问题,介绍了利用蒙特卡洛方法计算储量的数学原理与相关性理论,以昌吉油田吉17、吉37井区块芦草沟组为例,借助水晶球软件,建立了储量计算参数的数学模型,以含油面积为均匀分布、油层厚度为正态分布、孔隙度为对数正态分布、含油饱和度为极小值分布计算出了储量的概率分布曲线以及累积概率分布曲线。考虑了孔隙度与含油饱和度的相关性,计算两者之间的相关系数为0.633,在水晶球软件中设置相关系数重新进行了储量模拟,计算结果显示,储量概率分布曲线符合对数正态分布,储量均值约为2 830万吨。与未考虑相关性计算的储量进行了对比,两者总体趋势一致但有差别,考虑相关性计算的储量更符合客观实际,更具可靠性。     

平头弹撞击钢筋混凝土板的三维细观力学模拟

研究钢筋混凝土板在弹丸撞击作用下的响应和破坏对防护工程（核电厂安全壳）的安全计算和安全评估具有十分重要的意义.利用三维细观力学模型研究了平头弹以不同速度撞击钢筋混凝土板的开裂模式.假定混凝土是由砂浆基体、粗骨料和界面过渡层（ITZ）三相组成的复合材料,提出了三维三相细观力学模型的建模方法,并通过单元重构技术克服了ITZ层太薄而难以模拟的问题,从而大大提高了计算效率.结果表明：数值模拟再现了平头弹撞击钢筋混凝土板厚度方向的开裂破坏情况,模拟结果与实验观察具有良好的一致性.     

沙粒的跃移与悬移

通过考虑沙粒在大气边界层中的湍流随机运动,分析了影响沙粒运动轨迹的各种因素．由于存在湍流脉动速度,因此在相同粒径、起跳初速度和摩阻风速情况下,沙粒运动轨迹会出现较大差异．沙粒的垂直波动速度可以作为一个反映其运动性质的参数,不仅与粒径、起跳初速度,而且与摩阻风速有关．利用其作为判断沙粒运动形式的判据,计算了给定沙粒粒径和摩阻风速条件下沙粒进入跃移和悬移的临界起跳初速度及相应运动形式的组分,并与考虑风沙耦合作用与不考虑风沙耦合作用的轨迹统计结果进行了比较．     

壁面滑移系数对多维度矩形喷动床气固流场影响的数值计算

基于计算流体力学(CFD)的方法,在欧拉-欧拉双流体模型框架下结合颗粒动理学理论,使用不同的颗粒壁面滑移系数对二维、准二维和三维不同维度的喷动床进行了数值计算。为了节约计算资源均采用轴(面)对称网格进行模拟,得到了不同维度喷动床的喷动过程云图、在不同滑移系数下颗粒体积分数云图、颗粒轴向速度轴向分布图。结果表明:相同边界条件下不同维度的喷动床喷动过程气泡生长速率有所差异。随着壁面滑移系数增大即颗粒壁面摩擦力增大,导致3个维度喷动床在中心处喷泉区的高度降低,同时颗粒轴向速度的轴向分布均也呈减小趋势;准二维床层较薄,导致颗粒在轴心处的运动还处于颗粒流体在壁面的速度边界层内,相对于二维和三维床层对壁面滑移系数更敏感。     

三维高升力机翼水滴撞击特性数值模拟研究

基于分区多块结构网格体系,采用欧拉方法建立过冷水滴控制方程,通过有限体积方法对方程进行求解,发展了适合三维复杂外形飞机的水滴撞击特性计算方法和计算程序.通过二维单段翼型、多段翼型等算例对该方法的验证计算表明,在常规尺寸水滴算例中,水滴撞击特性计算结果与国外标准模型试验数据吻合良好.在此基础上,开展了三维高升力机翼水滴撞击特性数值模拟研究,分析表明计算结果可用于飞机防/除冰系统设计.