能否发展关于湍流动力学和颗粒材料运动学的综合理论?

自然界和工程应用中遇到的流动绝大部分是湍流问题.湍流流动中包含了不同尺度的旋涡,如何准确地定义湍流仍十分困难,湍流动力学的理论体系仍尚未完成.颗粒流是固相颗粒以气相或液相为载体的流动,缺乏普适的本构方程,处理颗粒运动时无法将微观的颗粒尺度与宏观的流场尺度分开.本文介绍了湍流和颗粒流的基本特性、研究的理论和方法,分析了湍流和颗粒流研究所面临的挑战.     

流体运动中的广义自相似性和标度不变性

大气和海洋等流体运动跨越很宽的尺度范围。例如,大气中大尺度的涡旋尺度为10~3km,小的涡旋尺度仅几毫米在大气近地面层研究湍流导惯性区的运动,其尺度一般地要跨     

湍流——流体力学的一个难题

湍流是自然界中存在的一种复杂的流体运动状态。最早,人们在圆管中作液体运动试验时发现了它。什么是湍流呢?按照德国流体力学家普朗特(Prandtl)的说法,湍流就是“不规则的涡旋运动”。有的流体力学书上还这样定义:无论对时间或对空间而言,都随     

旋涡——流体运动的肌腱

涡运动是自然界中可以普遍观察到的流体运动形态。著名空气动力学家屈西曼曾用“旋涡是流体运动的肌腱”这句话深刻地概括了涡在流体运动中的作用。《旋涡——流体运动的肌腱》一文的作者根据自己的研究心得对旋涡何以成为流体运动的肌腱作了详细的论述,并对涡动力学这门年轻的分支学科的主要内容和发展前景提出了自己的见解。     

旋涡的两重特征：场与物质性

旋涡是流体运动的一个基本属性,但对旋涡的研究,已远远超出了流体力学范畴.非线性科学的发展,为我们提供了新的思想与研究方法. 对旋涡的度量,定义了涡量Ω(旋度),式中ν为流体速度矢.又定义了环量Γ,     

应用耦合映象格子模型模拟Rayleigh-Bénard对流中的结构形态

应用耦合映象格子(CML)模型对Rayleigh-Bénard对流(RBC)的结构形态作了数值模拟. 在展高比较小(L/d=5)的情况下, 数值模拟再现了实验中观察到的流动由层流过渡到软湍流再过渡到硬湍流的主要特征以及水平截面内的胞状结构. 在展高比较大(L/d=30)的情况下, 数值模拟成功地再现了近年来在实验中发现的螺旋-缺陷混沌和靶标型结构. 同时证实, 对于Pr=1的流体, 在偏离平衡态的初始阶段的同一参数范围内, 大展高比RBC中的理想直涡卷和螺旋-缺陷混沌是相互竞争的两个吸引子, 而初始条件对于形成这两种结构形态中的哪一种起决定性作用. 对于Pr=4的流体, 大展高比RBC中的结构形态主要呈靶标形, 其尺度和分布形态亦显著地取决于初始条件.     

格子玻尔兹曼方法模拟大气边界层中的阵风结构

东亚北方冬春季常会出现寒潮冷锋天气,冷锋过后有明显的下沉气流,且伴随强阵风.观测数据分析表明,阵风结构具有相干性,是春季沙尘暴能够被输送到边界层上部,从而远距离传输的重要条件.格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)是一种基于Boltzmann分子输运方程的数值流体计算技术,自从出现以来,由于其在微观水平描述运动的特点,一直被用来研究湍流等复杂运动,本文在格子玻尔兹曼方法中引入大涡模式,使其能够应用到大气边界层湍流场,模拟阵风的产生及发展,得到了具有波动和涡旋相结合的相干结构,从而解释了阵风相干结构起沙扬尘的机理.     

聚式流态化向散式流态化过渡的离散粒子模拟

流态化系统广泛存在于自然界和工业过程中,但对其认识还很有限,主要原因是它的强非平衡性.颗粒与流体间复杂的相互作用导致系统常处于非线性非平衡状态下,形成多尺度的高度不均匀的耗散结构.这些耗散结构的尺度要比相应的单相系统中的流动结构小得多,而颗粒的尺度又要比流体分子大几个到十几个量级,因此很可能找不到满足宏观足够小而微观足够大的尺度.而该尺度的存在是目前流态化系统的主要模拟方法──拟流体模型和颗粒轨道模型(在经验地描述颗粒流体相互作用时)的基本前提.虽然这两种方法都得到了实际应用,但从机理研究的角度看,仍有很多局限.     

科学家在石墨烯中发现奇异的量子流体

<正>在适当的条件下,电子在石墨烯中可以像流体一样流动。流水无形,能绕过障碍物,并且在流动中施加力。然而,像水这样的传统液体只是很多流体的一种。几十年前,科学家就假定存在一种电子流动形成的量子流体,但直到最近科学家才观察到:这种量子流体来源于导电材料中的电子彼此之间的强相互作用,使得电子可以在比人类头发丝细100倍的尺度上像水一样流动。贝尔迪尤金(Berdyugin)等人和加拉格尔(Gallagher)等人分别在石墨烯(由厚度只有一个原     

湍流运动的非随机场封闭数学模型

本文把湍流场定义为存在离散涡的流场。并定义涡旋特征尺度λ→∞时的流动状态为层流或湍流场的基态。由于湍流场存在拟序结     

随机模型对大风边界层中阵风尺度及反常扩散

<正>大气边界层具有很高的Reynolds数,其中的运动非常复杂,包含有各种尺度的结构.湍流运动是主要的表现形式,具有随机性,同时还存在一些可以辨识的、准周期的间歇结构,它的起始时刻和位置不确定,一经触发,就以某种确定的次序发展为特定的运动状态.而分析冷锋过后的沙尘天气资料发现,其后会出现大风和叠加其上的阵风,其尺度大于湍流,且阵风风速波峰期伴随着下沉气流,波谷期伴随着上升气流.     

北大别两期混合岩化作用:SHRIMP锆石U-Pb年龄证据

对北大别漫水河和凤凰关2个地区混合岩中的锆石进行了CL显微结构分析和SHRIMP法U-Pb定年. 漫水河混合岩中的锆石具有明显的核边结构, 核部锆石具有扇形分带或弱分带特征, 低的Th/U比值(0.01~0.17), 为变质流体中生长锆石, U-Pb年龄为(137±2) Ma; 边部锆石具有显示面状分带或云雾状分带特征, 高的Th/U比值(0.35~0.69), 为变质熔体中生长锆石, U-Pb年龄为(124±2) Ma. 凤凰关混合岩中的锆石同样具有核边结构, 核部锆石具有弱的岩浆环带或无分带特征, Th/U比值较高(0.21~3.03), 年龄为(768±12) Ma, 为经历不同程度重结晶作用的原岩岩浆锆石; 边部锆石则没有明显的分带特征, Th/U比值很低(0.01~0.09), 为变质流体中生长锆石, U-Pb年龄为(137±4) Ma. 这些结果表明, 大别山存在两期混合岩化变质事件, 早期(137±2) Ma事件以变质脱水为主, 而晚期(124±2) Ma事件出现部分熔融. 部分混合岩的原岩为新元古代中期, 与大别-苏鲁造山带超高压变质火成岩原岩年龄一致. 因此, 大别碰撞造山带山构造从挤压到伸展构造体制转换的最小时间为(137±2) Ma, 北大别混合岩化与同时期花岗岩和麻粒岩之间存在着成因联系, 它们都是俯冲加厚的扬子地壳部分熔融的产物.     

车内空气传播的流体动力学

当你读到这句话时,你已经吸入了曾经通过我们之前每个人肺部的空气.这一事实提醒我们,空气等流体具有惊人的传播和扩散其携带颗粒的能力.在新冠肺炎肆虐全球期间,我们都知道疾病可能会通过空气传播.但即便如此,如果处于空气充分混合的户外环境,我们在社交互动中交换的悬浮颗粒(或称气溶胶颗粒)的数量相对较少.     

湍流之谜

湍流经常发生,它是一种颠簸气流。当飞机划破寂静的天空,一缕香烟急剧旋转上升时即会产生。巨大的猎户座星云(Orion nebula)就是湍流在宇宙中的旋转。在大气层内,湍流使得气侯变幻莫测。人们都熟悉湍流的一种或多种形式,但直至最近才发现湍流的原因。湍流变化无常,自行其事。清彻的溪流撞击岩石时,水急剧旋转,飞沫四溅,毫无规律可循。     

中性大气边界层中风力机的湍流演化及叶根载荷分析

针对一台外场试验风电机组,采用大涡模拟(large eddy simulation, LES)耦合致动线模型的方法,构建了中性大气边界层和风力机风轮的气动耦合求解模型,模拟风力机在中性大气边界层中的流场.通过连续小波分析、频谱分析和相关性分析,研究了中性大气边界层中风力机前、后的湍流演化过程及其与叶根载荷的相关性.研究发现,自然来流从风轮前1D(D为风轮直径)处运动到后1D处时,大气中的湍流强度逐渐增大;在风轮平面处出现了较强的小尺度湍流结构,这些小尺度的湍流结构在向下游运动过程中不断耗散,并在风轮后1D处能量基本耗散殆尽;叶尖位置处的高频湍流出现频率约为1.82 Hz,此频率正好与叶片通过频率相对应.风力机的叶根挥舞载荷对大气中的湍流结构响应明显,低频湍流结构对叶根挥舞载荷的低频段影响显著,高频湍流结构对叶根挥舞载荷的高频段影响明显;叶尖高频湍流结构相对于叶根高频湍流结构,频率更高,能量更大,其对叶根挥舞载荷高频段的影响更为明显;同时,叶尖高频湍流与叶根挥舞载荷的高频部分表现出了一致的周期性变化规律.     

体育场馆火灾烟气运动数值模拟中发现的2个典型现象

通过求解流体Navier-Stokes方程对一综合体育馆火灾场景进行了数值模拟. 模拟湍流采用Smagorinsky大涡模拟方法, 模拟燃烧采用混合比例燃烧模型, 对火灾工况下的流体流动做了低马赫数假设. 通过对数值计算结果揭示的流场速度、温度、组分浓度等物理量的的分析, 发现在火灾发生后, 利用自然通风或机械通风排烟过程中, 存在门效应和烟气堵塞两种不利于烟气控制的重要现象. 在这两种效应的作用下, 不合理的通风口位置, 甚至机械通风的引入都可能导致排烟效果的恶化. 分析了两种效应的产生原因和作用机理, 最后对消除这两种现象提出了参考性体育场馆火灾通风设计.     

过渡流搅拌槽内固-液悬浮的直接数值模拟

采用格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method),研究了过渡流搅拌槽内颗粒悬浮过程的流体力学特征.模拟中搅拌槽为平底方槽,搅拌桨采用下压式45°四斜叶桨,搅拌雷诺数Re=1334,属于过渡流;颗粒体积分率最高达到8%.本模拟解析了包括颗粒周围和颗粒间流动的搅拌槽内整个流场,从而实现了在颗粒尺度上对颗粒-流体相互作用的研究.同时,本文也研究了体积分率、相位角对液相平均速度、液相湍流动能等流体力学特征值的影响规律.结果表明,随着搅拌槽内颗粒体积固含率的增加,液相平均速度和液相湍流动能均衰减.     

现代油气渗流力学体系及其发展趋势

油气渗流是油气藏开采的科学核心问题,以连续介质假设和达西方程为基础的传统渗流力学在常规油气资源开发中发挥了重要作用.近年来,非常规油气藏成为油气行业勘探开发的主要阵地,其开发理论和技术尤其是渗流问题也成为学术界研究的热点问题.非常规油气藏其岩石多孔介质具有明显的多尺度特征,尺度差异达到6个数量级之多,而且采用大规模的水平井分段压裂开发模式,储层应力强烈作用.因此,传统的油气渗流理论已无法准确描述非常规油气藏的流动特征.实质上,非常规油气资源的开发过程是一个典型的多场作用下的多流动模式的多相流体(油气水)在多尺度多孔介质的流动过程.为此,本文提出了"多场作用下的多流动模式的多相流体在多尺度多孔介质中流动动力学体系"的现代渗流力学体系的概念,并从纳微尺度油气流动模拟、流动模拟的多尺度升级、非常规油气藏的宏观流动模拟、大尺度缝洞碳酸盐岩油藏的流动模拟以及油气渗流物理模拟等方面系统阐述了其研究现状及发展趋势.     

湍流的相干结构

对湍流问题的研究在经历了一个多世纪之后,进步是有目共睹的,从完全随机到多尺度再到相干结构,这一主线基本上囊括了百年来对湍流问题的研究,特别是湍流模式在解决工程实际问题中所发挥的巨大作用.但是我们也应该认识到,至今湍流问题在理论上并没有得到完全解决.结构的概念在湍流问题中的提出大大推动和加深了研究者们对湍流的认识.     

湍流换热的场物理量协同与传热强化分析

在层流换热场物理量协同原理的基础上, 针对湍流零方程模型和k-ε 两方程模型, 建立了湍流换热的能量和动量协同方程, 揭示了湍流换热流场中热流、质量流与流体流动驱动力之间的协同关系及其所反映的强化传热机理, 将强化传热的场物理量协同原理由层流延展到湍流. 通过圆管内置旋扭式螺旋片的强化传热计算分析, 证明了湍流换热场物理量协同原理具有普遍性. 因此, 根据湍流换热流场的物理量协同关系, 可对各种不同的管内强化传热元件和表面的换热性能和流动阻力进行分析比较, 从而为提高传热单元或换热器的综合性能提供理论和设计依据.