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.     

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.     

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.     

超燃冲压发动机燃烧室内湍流燃烧流场的数值模拟研究

应用经显式可压缩修正的SST湍流模型,对超燃冲压发动机燃烧室流场进行了三维数值模拟,并与实验结果进行了对比.通过对燃烧室流场数值模拟结果的分析给出了湍流燃烧流场的特征.为了定量分析超声速流动条件下湍流燃烧的作用特点,基于湍流燃烧理论与湍流燃烧的数值模拟结果,通过对控制无量纲参数在流场中变化的研究发现：超声速燃烧发生的区域为充分发展的湍流区;在喷口附近湍流和燃烧的作用最强烈;超声速燃烧流动中,湍流引起的火焰非定常效应和局部火焰熄灭现象均可忽略,定常火焰面的近似假设是成立的.     

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.     

液-液旋流分离管中强旋湍流的Reynold应力输运方程数值模拟

应用湍流Reynold应力输运方程模型(DSM)对液－液旋流分离管中的强旋湍流进行了数值模拟,并与LDV测量结果进行了比较,结果表明DSM模型不仅较合理地预报出了切向速度的Rankine涡结构及其位置,而且揭示了液－液旋流管中切向速度所特有的双峰分布现象;对轴向速度预报给出了近壁下行流、近轴上行流以及介于两者之间的零速区等;湍流动能在旋流管中的变化为上游近壁大、中部近轴大和下游近似均布.旋流管中的静压则呈近轴小近壁大、上游小下游大的分布;除个别区域外,以上数值预报结果与相同条件下的激光Doppler诊断结果,无论在定性上还是定量上均吻合良好.     

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．     

液—液旋流分离管中强旋湍流的Reynold应力输运方程数值模拟

应用湍流Ｒｅｙｎｏｌｄ应力输运方程模型（ＤＳＭ）对液－液旋流分离管中的强旋湍流进行了数值模拟，并与ＬＤＶ测量结果进行了比较，结果表明：ＤＳＭ模型不仅较合理地预报出 切向速度的Ｒａｎｋｉｎｅ涡结构及其位置，而且提示了液－液旋流管中切向速度所特有的双峰分布现象；对轴向速度预报给出了近壁下行流，近轴上行流以及介于两者之间的零速区等；湍流动能在肇流管中的继上游近壁在、中部近轴大和下游近似均布，旋流管中的静     

稀相气粒两相流中亚网格尺度涡对颗粒扩散影响的LES／FDF模拟

本文基于颗粒扩散率这一参数,应用LES／FDF模型对稀相气粒两相流中亚网格尺度涡对颗粒湍流扩散的影响进行了数值模拟研究．通过将使用LES／FDF模型得到的模拟结果与不使用LES／FDF模型得出的结果进行对比后,得出：对于小颗粒（小Stokes数颗粒）,大涡结构是影响颗粒空间扩散的主要因素;但是对于中等粒径颗粒和大颗粒,亚网格尺度涡对于颗粒扩散率的影响与大涡处于同一数量级．亚网格尺度涡在大多数情况下会使颗粒扩散率增大,但有时也会降低颗粒扩散率．亚网格尺度下颗粒的扩散率不仅仅取决于亚网格尺度涡的强度和Stokes数,还与流场中的大尺度涡结构有关;对于各向同性湍流中的颗粒,在亚网格尺度涡的作用下,其扩散率随粒径增大而降低．     

深海热液羽流动力学特性的数值模拟研究:以卡尔斯伯格脊大糦热液区为例

建立了基于雷诺平均方法的计算流体动力学模型以模拟深海层化环境下高温热液羽流的上升、扩散和湍流混合过程,并应用于研究西北印度洋卡尔斯伯格脊大糦热液区羽流的特性.根据现场测量数据,分析了模型的参数敏感性,重点讨论了喷口流量、环境浮力频率等因素对羽流运动过程的影响.计算得到了层化海洋环境中热液羽流的三层流场结构形态以及最大上升高度、中性浮力高度等关键环境参数.结果表明,经典卷吸假设仅适用于0.6倍最大上升高度以下的羽干区域,而中性层水平输运和羽帽区循环等作用使得羽流上部具有复杂的结构;湍流动能和湍流耗散率均在热液口附近达到最大值,而湍流黏度的最大值却出现在羽帽区,说明羽帽区存在强烈的湍流混合.通过所建立的模型对大糦热液区所探测到的热液羽状流进行了定量模拟,其结果得到了现场观测数据的验证,并估计了高温热液喷口的热通量约为39.38 MW.研究结果对海底热液喷口的示踪、海洋物质能量循环过程研究和海底多金属硫化物资源勘查与环境评价具有支撑价值.     

乙醇燃料改质对HCCI燃烧特性的影响

为研究乙醇经过改质后，改质气浓度和改质气进入气缸相位对乙醇HCCI燃烧特性的影响，以一台改造的实验发动机上为模型，用CHEMKIN4．0软件进行模拟。模拟结果表明，乙醇经过改质后，改质气的主要组分为H2、CO、H2O和OH基；随着改质气浓度的增加，缸内压力升高，燃烧始点提前，缸内最高压力升高；随着改质气进入气缸相位逐渐接近上止点，HCCI燃烧始点逐渐推后，缸内的最高压力出现变化，改质气在上止点前14°CA进入气缸，缸内最高压力减小，改质气在上止点前12°CA进入气缸，缸内压力达到最大，随着改质气进入气缸相位逐渐减小，缸内最高压力逐渐减小。因此，在上止点前12°CA进入气缸是较优的相位。     

大型液体运载火箭POGO动力学模型研究

本文基于键合图理论的建模思想提出新的液体火箭跷振（POGO）稳定性分析状态变量模型,该模型的系数矩阵线性且非奇异,与以往模型相比更有利于实现模块化建模和时域仿真分析.在此基础上通过模型研究给出补燃发动机燃气系统的动力学模型,使该分析模型可以对采用补燃循环发动机的火箭进行POGO稳定性分析,是对目前POGO理论分析模型的一个重要完善.     

含氧有机物结构与毒性(log1/C)关系研究

为探寻含氧有机物结构与毒性(logl/C)的关系,应用分子顶点及顶点相互作用值对部分含氧有机物进行了结构表征.采用多元线性回归及逐步回归建立了2个定量结构-毒性关系模型.经过比较,发现模型(M2)具有最佳模拟结果,此时模型的复相关系数(R)为0.952,标准偏差(SD)为0.325.采用Jackknife法对模型进行了稳健性检验,结果表明,回归模型具有可接受的总体稳健性及良好的预测能力;另外,采用留一法(leave-one-out)对模型进行交互检验,复相关系数(RCV)为0.927,标准偏差(SDCV)为0.396,这也说明所建模型的稳定性与预测能力均较为理想.     

基于混沌的公开可验证FPGA知识产权核水印检测方案

现有的FPGA知识产权核(intellectual property,IP)水印技术在公开验证时可能会泄漏敏感信息,使得恶意的验证者或者第三方很容易将水印从IP中移除然后重新出售.零知识FPGA IP水印检测虽能有效的解决敏感信息泄露问题,但易遭受嵌入攻击,使得公开验证时无法防止非诚实IP购买者(验证者)抵赖侵权.本文提出一种新的基于混沌的公开可验证IP水印检测方案,不仅能防止敏感信息泄漏,而且能抵抗嵌入攻击,防止证明者、验证者或者可信第三方的欺骗.传统的FPGA IP水印技术,水印隐藏在未使用的Slice中,因此资源开销与水印嵌入数量成正比.而本文提出的方案中,水印隐藏在已经使用的Slice的未用的查找表(lookup table,LUT)中,资源和时延开销为0;此外,混沌系统具有良好的随机统计特性且对初值敏感、易于产生数量众多的互相关性极低的伪随机数序列,混沌系统的这些优点刚好满足方案中对FPGA位流文件的LUT随机位置置换的特殊要求,使得位置置换具有极高鲁棒性;最后,引入时间戳机制来抵抗嵌入攻击以防止非诚实的IP购买者抵赖.实验结果和分析表明本文提出的方案在水印开销和位置置换鲁棒性方面均明显优于现有的方案.     

倾斜角度和动载对管内流动影响

本文实验研究了动载作用下不同倾斜角度的管内单相流、气液混合两相流以及沸腾汽液两相流的压力变化特性。通过对实验数据的处理与分析,考察了动载和倾斜角度对实验管段进出口压力的影响,获得了试验管内流体的压力变化特性。     

ISAF重构算法密度函数快速计算模型

球坐标系下的ISAF算法是一种新的20面体分子三维重构方法,该方法精度优于传统柱坐标系下的Fourier-Beseel算法,但其执行速度远低于Fourier-Bessel算法,严重制约了ISAF算法的实际应用.分析发现,在ISAF算法中密度函数计算是影响重构速度的主要瓶颈之一.针对上述问题,文中提出一种密度函数快速计算模型,该模型包括三个组成部分:球坐标系网格点密度函数快速计算方法、"球坐标系—直角坐标系"网格点密度函数转换方法、基于两阶段映射法的快速对称映射方法.该模型可以将密度函数计算阶段的时间复杂度由O[(LM)8]降低到O[(LM)7].采用Psv-F病毒数据进行实验,结果表明,在保证精度的前提下,该模型可以将密度函数的计算速度提高2个数量级,将三维重构整体速度提高30倍左右,并且随着数据规模的增大、重构精度的提高,该模型带来的加速比将进一步增大.     

POLSAR图像杂波L分布建模及其参数估计

基于乘积模型的杂波统计建模是进行高分辨极化合成孔径雷达(POLSAR)图像非均匀区域杂波统计特性分析的有效方法,其核心在于纹理分量随机分布的类型选择.广义伽马分布(GΓD)是一种普适性很强的分布类型,Weibull分布、伽马分布、逆伽马分布等都是GΓD分布的特例,因此基于GΓD分布的图像乘性杂波建模既满足杂波建模的高精度要求,同时成为各种雷达杂波辨识的有效工具.本文首先推导了服从GΓD分布的随机变量的高阶矩特征及其对数累积量(MLC),利用纹理分量服从GΓD分布情形构建了乘积相干斑模型,得到了适用于POLSAR图像处理的L分布杂波多视处理的协方差矩阵的概率分布函数,同时推导了其高阶矩特征及其对数累积量,提出了基于对数累积量的L分布参数估计新方法.针对样本数较少的情况下对数累积量参数估计失效问题提出了基于混合矩(MME)的参数估计方法来解决.然后给出了不同分布的高阶矩和对数累积量,通过二三阶对数累积量关系图辨析了常用分布与L分布的内在关系,得到了L分布是目前乘积模型中适用范围较为广泛的统计分布的结论.最后用仿真数据验证了理论推导的正确性,并将基于对数累积量的参数估计方法与已有方法进行了比较,结果证明新参数估计方法具有更高的估计精度和运算效率;另外,还用实测数据进行了统计模型检验,其结果验证了理论推导的正确性.极化SAR中多视图像L分布杂波的统计建模及其参数估计方法为极化SAR目标检测和识别等领域的新技术研究提供了新手段.     

风雪流灾害数值模拟研究进展

风雪流为空气挟带着雪粒子运行的非典型的气一固两相流。通过国内外学者六十多年的研究,在风雪流的运动特性、垂直分布规律以及输运规律、雪粒子的物理性质等方面取得了一系列研究成果,基础理论研究日趋成熟,提出了湍流扩散理论。在风雪流数值模拟方面,提出了FLOW-3D、CFD（Fluent）、IAP94、SNOWPACK等一些模型和软件。由于数值模拟工作开展较晚,建立的模型和开发的相关软件还不够完善。气一固两相流理论模拟没有考虑雪的物理性质随时问和环境的变化,模型总体比较简单,难以直接用来分析复杂地区风雪流灾害的规律。今后气-固两相流理论和多场耦合理论应该是风雪流研究的重难点,进一步开发适应复杂地区的、精度更高的专业软件,加强灾害评价方法的研究与应用。     

运载火箭全箭动特性三维建模技术

目前国内运载火箭动力学特性建模以梁模型为主,但梁模型是对运载火箭三维结构的一种简化,存在若干弊端.采用三维建模方法可以克服这些弊端.总结了作者近几年开展的运载火箭三维建模的研究工作,提出了运载火箭三维建模方法,包括硬壳与半硬壳结构建模方法、夹芯结构建模方法、发动机架及发动机建模方法、燃料液体建模方法、非结构质量建模方法以及连接建模方法.尤其针对液体建模,提出了燃料液体杆单元建模方法,使液体建模工作大为简化.通过工程实例应用以及和试验的对比,证明了建模方法的适用性.同时也提出了运载火箭建模当中的不确定因素.