基于格子Boltzmann方法的空泡溃灭过程模拟

针对自由边界的三维空泡溃灭问题,以格子Boltzmann方法为流场核心求解器,结合伪势多相流模型与Carnahan-Starling(C-S)状态方程,开展了定压边界条件下,不同温度、初始溃灭半径的三维空泡溃灭过程的模拟研究．通过模拟给出了空泡溃灭过程中流场的两相界面图,并定量分析了三维空泡溃灭时间随着半径变化的关系．结果表明：在定压强边界下,空泡的初始半径与总溃灭时间呈线性相关,且不同温度、不同初始半径的空泡溃灭具有相似的过程;相同温度条件下,空泡溃灭速度随时间不断增加,空泡初始半径越大,空泡溃灭速率最大值出现的时间越晚;对于相同半径条件下,温度比越大,空泡溃灭最大速率出现的时间越晚．     

高压氢气储存系统泄漏的热力学模型

高压氢气储存系统泄漏的实验设计和模拟都需要了解泄漏过程中储罐内滞止参数随时间的变化以及泄漏出口处气流的物性。针对高压氢气从储罐泄漏的问题,本文建立了2种描述整个泄漏过程中滞止参数变化及出口流量变化的热力学模型:基于理想气体状态方程的理想气体模型和基于Abel-Noble状态方程的数值计算模型。这2种模型的计算结果基本一致。由于高压下气体的行为会偏离理想气体状态方程预测的结果,实际滞止温度和滞止压力的降低速度要大于理想气体假设下的降低速度。     

现代医学手段诱发空蚀的形成及其影响

空泡在随液体流动过程中，当周围压力增加时，空泡体积将急剧缩小或溃灭。由于空泡溃灭过程发生于瞬间，因而在局部将产生极高的瞬时压强，当空泡溃灭发生在固体表面附近时，不断溃灭的空泡所产生的极高压强的反复作用，将破坏固体表面。对生物医学工程中的空泡和空蚀现象的形成、发展和溃灭过程及其危害，空蚀破坏机理及其影响因素，空泡演化过程的数值模拟研究等进行了综合论述，提出了研究空损伤现象需要解决的几个重要问题，为进一步深入研究和应用空化空蚀现象打下基础。     

应用高速摄影技术研究空化现象

高速摄影技术是研究空化现象的有力工具。文中利用高速摄影技术研究了液体粘性、 含沙量及流速对电火花空泡溃灭过程的影响。主要结论有：液体粘性使空泡溃灭过程变 缓；含沙量的影响类似于液体粘性：流速使空泡膨胀过程变缓但使溃灭过程加速；近固壁 处空泡溃灭时微射应朝向壁画，而当壁面具有高弹性或在自由表面附近溃灭时则微射流将 背离壁面；空泡溃灭时将使泡周围的固体颗粒产生运动。文中附有典型高速摄影照片。     

脉冲磨料射流中球泡溃灭特性的理论

从理论上研究了脉冲磨料射流中球泡的溃灭特性，建立了脉冲磨料射流中空化球泡的动力方程，分析了磨料粒径和浓度对射流中空泡溃灭过程的影响规律。研究表明，在磨料粒度和密度较小时，粒径的变化对空泡溃灭影响不大，浓度的增加使得混合流体的粘性增大而且使渍灭空泡附近的磨粒动能增加，使得空泡溃灭过程减缓。在磨料粒度和密度较大时，粒径越小对空泡溃灭的阻滞作用越大，浓度的增加同样使得混合流体的粘性增大、溃灭空泡附近的磨粒动能增加，射流的空蚀强度减弱。     

均压气体对出筒空泡影响研究(英文)

采用数值方法对潜射弹道导弹带均压气体出筒非稳态空泡流进行了研究.基于连续性方程,动量方程,理想气体状态方程,均质平衡流空泡模型和Realizablek-ε湍流方程,并结合动网格技术,实现了潜射导弹带均压气体出筒过程数值求解.得到了出筒空泡的演化规律、形态特征和内部结构,分析了出筒加速度对空泡内部组的影响,提出了判定出筒空泡的稳定性依据,并与文献中的理论分析结果进行了对比验证.研究结果表明,出筒空泡组成是一个由以气相为主向以水蒸汽相为主的转变过程;出筒空泡的稳定性与气体的弹性系数β密切相关,当1≤β≤2.645时,空泡是稳定的,而当β≤2.645时,空泡将失稳.     

固壁面附近空泡溃灭研究

采用自行研制的基于光偏转原理的力学传感器及压电陶瓷探针式水听器PZT,对激光诱导的空泡在固壁面附近溃灭进行了实验研究.结果表明,在脉冲激光作用下,空泡渍灭将依次产生射流和声脉冲,且射流产生时刻早于空泡溃灭时刻;空泡溃灭过程中泡能转换为声能的比例随脉动次数增加而增大;比较实验所得的声脉冲信号和射流信号,得到了声脉冲是空泡第二次溃灭过程中主要衰减方式的结论.     

理想气体定义的讨论

理想气体的定义一直以来是一个有争议的问题,其争议的焦点是U=U(T)(即焦耳定律)是不是独立于理想气体状态方程.文章分析了理想气体状态方程与焦尔定律的关系,认为焦尔定律不是完全独立于理想气体状态方程的,焦尔定律与理想气体状态方程是不等价的.从而得出理想气体的科学定义:严格遵守理想气体状态方程PV=nRT的气体,就是理想气体.     

流体物性对空化气泡溃灭过程影响研究

文章采用VOF模型,模拟近壁面气泡在流场中的溃灭过程,研究了流体的不同物性(黏性和表面张力)对气泡溃灭过程的影响.结果表明:在近壁面,空泡将形成非对称溃灭;因水锤作用,引发高速射流在壁面产生高压而形成空蚀破坏;流体的黏度越大,气泡的溃灭周期越大,射流压强越小;空泡溃灭的周期随液体表面张力的增大而减小,射流压强随表面张力...     

含相变压力振荡改进算法及其验证

压力振荡制冷技术广泛应用在天然气等含湿气体冷凝分离系统中.当含湿气体含有水蒸气等极性物质时,热力学计算需要考虑介质真实气体效应.利用CPA气体状态方程对湿空气凝结蒸发模型进行改进,并搭建了实验平台进行验证.结果表明:经CPA气体状态方程改进后的数值模型相较于理想气体模型可以更为准确地描述水蒸气的凝结和蒸发行为,为含湿天然气制冷提供了理论基础.随着高压入口饱和湿空气压力从0.2 MPa升至0.4 MPa,两种模型计算得到的制冷效率差距逐渐增大;与实验数据相比,改进后的数值模型的计算结果相较于理想气体模型更为准确,变化趋势也更为符合.在此基础上,利用改进后的数值模型对水蒸气在压力振荡制冷过程中的液化率进行计算,为含湿天然气制冷后的气液分离过程提供了设计依据.     

理想量子气体高温条件上对论熵变

在理想量子气体和相对论概念的基础上,根据相对论的态密度和量子统计的粒子数密度、能量密度的结论,通过严格的理论推导,得出理想量子气体在高温条件下的相对论性的状态方程、热容量以及等压、等容、等温三种过程的熵变;并将经典理想气体、非相对论理想量子气体、相对论理想量子气体在高温条件下的熵变相比较,指出非相对论理想量子气体与经典理想气体的差异在于描述微观体系的波涵数的对称性,相对论理想量子气体与非相对论理想     

理想气体定义的讨论

理想气体的定义一直以来是一个有争议的问题，其争议的焦点是U=U（T）（即焦耳定律）是不是独立于理想气体状态方程，文章分析了理想气体状态方程与焦尔定律的关系，认为焦尔定律不是完全独立于理想气体状态方程的，焦尔定律与理想气体状态方程是不等价的．从而得出理想气体的科学定义：严格遵守理想气体状态方程PV=nRT的气体，就是理想气体。     

理想量子气体高温条件下的相对论熵变

在理想量子气体和相对论概念的基础上 ,根据相对论的态密度和量子统计的粒子数密度、能量密度的结论 ,通过严格的理论推导 ,得出理想量子气体在高温条件下的相对论性的状态方程、热容量以及等压、等容、等温三种过程的熵变 ;并将经典理想气体、非相对论理想量子气体、相对论理想量子气体在高温条件下的熵变相比较 ,指出非相对论理想量子气体与经典理想气体的差异在于描述微观体系的波涵数的对称性 ,相对论理想量子气体与非相对论理想量子气体的差异在于相应的态密度的不同 ;阐明高温条件下相对论理想量子气体的熵变在量子统计领域中的先进性以及对聚变核反应中高温电子气的应用前景     

空泡溃灭过程中力学损伤行为

在电脉冲空蚀实验装置上,设计加装了压电传感系统,成功地监测记录了空泡溃灭对金属表面的作用力,对气泡的溃灭过程进行了描述和解释,验证了气泡的二次溃灭理论.计算了两次溃灭过程中冲击能量变化情况.测量了气泡在距离金属表面不同距离时,空泡溃灭作用于金属表面压强和冲量的大小,两者的变化规律对比分析表明:脉冲放电产生的冲击压和冲量随距金属表面的不同距离而表现出的规律不一致.     

PEMFC中液态水沿程分布的机理研究

通过分析流道和扩散层中的压力损失,并根据理想气体状态方程,得出了沿流道方向气体总压力以及水蒸气分压力沿程分布的表达式.根据液滴生成的机理分析,得出了PEMFC阴、阳两极扩散层中液态水沿程分布的表达式.结果表明:阳极中一般很难有水生成;阴极中加湿度越大,进口压力越大,过量系数越小,液体出现的位置离进口越近,且同一位置液态水的生成速率越大,当阴极气体完全加湿时,液态水的生成速率仅与其到进口的距离、电流密度、膜中水传输系数以及流道的宽度有关,而受流道的高度、过量系数、进口压力以及温度等影响较小.     

满足p=2U／3V的系统的态函数形式

给出了压强ｐ，内能Ｕ和体积Ｖ满足ｐ＝２Ｕ／３Ｖ的系统的态函数形式，并据此讨论了理想玻色气体，理想费密气体和通常的理想气体的状态方程不同的热力学原因。     

双空泡溃灭及空化噪声的建模

空泡溃灭时会产生很大的瞬时压强,造成流体机械装置的空蚀破坏并产生噪声和剧烈振动。为研究双空泡溃灭及溃灭时声辐射的规律,忽略流体的压缩性,建立了双空泡的运动方程。在L igh th ill方程基础上建立了双空泡溃灭时流体中的声辐射模型,并进行了数值计算。计算结果表明:随着空泡间距的减小,空泡溃灭的最小半径减小,溃灭时间延长,空泡辐射声压增大,说明空泡间的相互作用使空泡的溃灭过程变缓并使空泡辐射的噪声增强。     

超声速细长锥型射弹超空泡流动数值计算方法

基于超声速细长体运动理论,采用理想可压缩流体无旋定常流动以及超空泡尾部Riabushinsky闭合方式假定,建立了描述水下超声速条件下细长锥型射弹超空泡流动的非线性积分-微分方程.针对超声速流动特点,发展了该方程数值离散和迭代求解的新方法,采用一阶近似解作为超空泡流动数值计算的初始解,优化了初始迭代条件,提高了计算速度和精度.通过与超空泡细长比渐近解结果进行比较,验证了理论模型和计算方法的正确性及有效性.在超声速条件下,分析了流体压缩性效应以及不同马赫数对细长锥型射弹超空泡形态、表面压力系数和压差阻力系数的影响,为超空泡射弹的弹型优化和水中弹道预报提供了理论基础.     

量子简并对斯特林制冷循环制冷系数的影响

本文利用修正的理想气体状态方程推导出理想费米气体^3He为工作物质的量子斯特林制冷循环的制冷系数和输入功的一般表达式，讨论在高温和低温两种极限条件下循环的制冷系数，分析了量子简并对循环制冷系数的影响。所得结论可为低温气体制冷机的研究提供理论依据。     

格子Boltzmann方法模拟空化泡溃灭和微气泡的初生

空化泡溃灭对近壁面的冲蚀是流体力学研究中的重点,新兴的格子Boltzmann方法能很好的从底层描述多相流问题.基于格子Boltzmann Shan-Chen模型,耦合了Carnahan-Starling状态方程和可精确得出外力项的精确差分法,利用无滑移反弹边界处理格式和压力边界条件,完整可视化的模拟了二维流场下单气泡在90°刚性壁面拐角处的溃灭泡形演化,并分析了流场内气泡的动力学行为.发现在特定的入口差压和气泡初始半径条件下,在大气泡的压缩过程中90°刚性壁面拐角处可诱导生成新微气泡,生成的新微气泡伴随着大气泡的进一步压缩而溃灭,溃灭释放的反弹压力冲蚀壁面.刚性壁面的阻滞作用对气泡的变形及溃灭影响很大,会减缓气泡的溃灭时间,抑制气泡振动,而且刚性壁面的阻滞效应整体上也是气泡初始半径R0、气泡泡心到刚性壁面的距离b和入口压力差ΔP等共同作用的结果.微气泡的生成表明刚性壁面夹角处的气泡溃灭会产生复杂的涡旋结构,涡旋可促进其他空化泡的形成.流场内涡旋流动特性应是研究空化效应的又一亮点.