向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏流动特性研究

对微型燃气轮机向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏流动,在级环境下进行了全三维粘性数值模拟研究．结果表明,轮盖和叶轮叶片顶部之间的相对运动引起的刮削流以及叶轮顶部压力面和吸力面两侧的压差对间隙泄漏流动起主要控制作用,叶顶线速度越高,间隙尺寸越小,刮削作用越强;改变叶轮转速对叶轮中部和导风轮顶部间隙内的泄漏速度影响不大,但是叶轮转速能明显影响通道涡涡核与吸力面之间的距离;间隙泄漏量主要在导风轮顶部区域形成,如布置泄漏抑制结构,在轮盖子午弦长的中后部将是最有效的．     

叶轮内部流动分析及结构优化

借助计算流体流动和传热问题的三维流体计算软件FLUENT,对单级离心压缩机模型的叶轮内部流场进行了数值模拟,揭示了其内部流动规律;并找出计算模型结构设计中存在的问题,有针对性的进行结构优化。     

双吸离心泵空化特性的试验及数值模拟

试验测量了一台双吸离心泵的能量特性和空化特性.基于RNG k-ε湍流模型和质量输运空化模型,探讨了质量输运空化模型中凝结项经验系数对数值模拟结果的影响,结果发现凝结项经验系数主要影响叶轮内空泡长度.在此基础上,修正了双吸离心泵空化流动数值模拟中凝结项经验系数的取值,计算得到的双吸离心泵扬程随进口压力变化曲线与试验结果吻合较好,验证了数值计算模型和方法的准确性和可靠性.双吸离心泵空化流动数值模拟结果表明:随着泵进口压力的降低,空化首先在叶片吸力面进口附近的低压区发生,之后沿叶片吸力面往叶轮流道中部发展,并向叶片压力面扩散;受双吸离心泵蜗壳非对称结构的影响,叶轮内不同流道的空化区域分布不均匀.     

偏离设计工况时离心泵内部流场的数值模拟

通过高效数值模拟的方法分析通流部分的气动性能,对叶轮进行优化改进,扩容改造,从而提高效率,可靠性,安全性.主要采用FLUENT,在双参考坐标系下,利用有限体积法对雷诺时均Navier-Stokes方程进行数值离散,选用标准k-s湍流模型,SIM-PLEC方法求解,对原模型泵进行非设计工况下内部流场的叶轮和蜗壳的耦合数值模拟,主要是变转速和变流量调节.得出变转速调节下全流场的速度和压力分布均与原模型相似,但转速过低时则出现明显不同;变流量模拟时,无论是大流量还是小流量,在叶轮流道和蜗壳区均出现了较为严重的回流和漩涡区,并对这一现象进行了分析.最后对原模型蜗壳提出了一些改造意见,指出了偏心蜗壳在蜗舌处的回流情况较对称蜗壳好一些.     

燃气射流控制进气道调节原理及数值验证

为了提高固冲发动机＂变工况＂工作条件下进气道性能,将外部波系封口马赫数降低的设计方法与燃气射流进气道控制技术相结合,提出了燃气射流控制进气道设计方案;为分析设计方案的可行性,设计了三种进气道,并采用数值模拟方法三种进气道流场进行了模拟;通过对模拟结果的分析探索了调节方案的调节原理;通过对三种方案进气道性能的比较,初步验证了调节方案.研究表明：采用降低外部波系封口马赫数的设计方法可提高进气道低马赫数工作时的流量系数;燃气射流控制技术可均化进气道在高马赫数工作时的入口流场,减小有效喉道面积,提高总压恢复;射流控制可调进气道在一定工作范围内具有较好的性能.     

离子交换膜厚度对钒电池性能的影响

电解液穿过离子交换膜的传质现象会导致全钒液流电池性能和寿命降低.作为重要设计参数,膜厚度是影响膜内离子传输的主要因素.本文使用结合了Donnan效应的钒电池一维传质模型,通过数值模拟方法考察离子交换膜厚度对膜内传质控制作用的影响,并得到电池性能的变化规律.结果显示:电池库伦效率随膜厚度变化呈三个阶段.膜厚度较小时,库伦效率恶化严重;膜厚度适中时,库伦效率随膜厚度增加而明显提升;膜厚度较大时,库伦效率随膜厚度增加趋缓.研究发现,随电池运行膜两侧溶液电势差逐渐达到稳定状态,这一过程受初始膜两侧氢离子浓度差和膜厚度控制.此外,膜厚度越小,膜内钒离子流量越大,其作用机制转为扩散主导;随充放电进行,迁移作用受膜两侧浓差平衡电势差影响.     

离心压缩机的扩压器内部流场分析及其结构优化

首先对等宽型无叶扩压器内部流动情况进行了较为详细的分析,在此分析基础上进行了两处改进：1）将等宽型无叶扩压器改为收缩型无叶扩压器;2）在原等宽无叶扩压器中加装导向叶片,并利用CFD软件（FLUENT）对改进后的扩压器内部流场进行数值模拟。从模拟结果上看：改进后的扩压器其内部流动不均匀情况得到明显改善,拥有了良好的气动性,从而有效地提高了压缩机整体性能。     

包层模块几何特征对MHD流动和流道插件力学行为的影响

在国际热核聚变反应堆中,液态包层是能量转换的关键部件,位于包层模块内的流道插件(FCI)的主要作用是绝缘和绝热,流道插件的几何尺寸对包层内MHD流动特性、传热性能和结构安全性有很大影响.本文应用相容守恒格式的有限体积法分析磁场作用下金属流体的流动行为和温度场特点,并采用顺序耦合的方式,用有限元方法分析流场和温度场对结构的应力应变产生的影响.详细研究了流道插件厚度和间隙区宽度对MHD流动传热的作用,并引入无量纲数定量分析包层的传热效率.研究结果表明,插件厚度和间隙区宽度非线性、非单调地影响着传热效率、MHD压降、第一壁温度和流道插件的热应力.通过对大量计算数据的分析,本文建立了MHD压降与间隙区宽度的关联式;综合热效率、压降、第一壁温度和结构热应力作用,推荐了包层结构设计方案.本文为包层模块的优化设计提供了理论基础.     

考虑心墙不同破坏模式的黏土心墙坝漫顶溃坝过程数学模型

基于黏土心墙坝的漫顶溃决机理,提出一个模拟其溃决过程的数学模型.该模型基于坝体形状和漫顶水流特征确定下游坡冲蚀时的初始冲坑位置,采用宽顶堰流量公式计算溃口流量,并利用溯源冲刷公式模拟坝壳料的冲蚀;通过力矩平衡法与力学平衡法分别模拟了心墙的倾倒破坏与剪切破坏;为了模拟实际溃坝情况,模型考虑了坝体的单侧冲蚀、两侧冲蚀及坝基的冲蚀;采用按时间步长迭代的数值计算方法模拟溃坝时的水土耦合过程.选择国内外10个具有实测资料的心墙坝漫顶溃坝案例对模型进行验证,通过比对峰值流量、溃口最终宽度及溃坝历时等参数发现,模型计算结果与实测值的相对误差可满足工程需求,验证了模型的合理性.     

新型三元催化器设计及其压力损失数值分析与试验

在传统三元催化器的基础上,设计了一种新型三元催化器,提高了气流均匀性,降低了系统流阻,提升了系统性能。建立了新型三元催化器数值计算模型,并考察了不同的扩张角、收缩角和来流速度对催化器流动特性的影响。此外,还搭建了三元催化器压力损失测试试验台,验证了数值模拟得出的催化器压力损失随流量的变化趋势与试验测试变化趋势的一致性。试验结果表明,新型三元催化器中的导流板和旁通孔可以减小压力损失,且在设计三元催化器需要考虑压力损失的影响时,FLUENT数值模拟仿真计算可以提供一定的帮助。     

多材料多尺度3D打印主动混合喷头的研究

多材料多尺度3D打印代表增材制造技术的前沿和未来发展方向,在功能驱动的"材料-结构-器件"的一体化制造,"创材"、"创物"和"创生"方面已经展示出巨大的潜能和广阔的应用前景.本文提出一种单喷头多材料多尺度3D打印新方法,针对核心功能部件——多材料主动混合喷头,开展了理论分析、数值模拟和实验验证的系统研究.提出一种多材料主动混合喷头,根据描述混合过程的物理方程(流体控制方程、湍流模型和稀物质扩散方程),阐述了叶轮直径、叶轮转速、流体黏度、体积力等因素对于混合效率和混合性能的影响及其规律;利用COMOSOL工程模拟软件,进一步揭示了叶轮直径、叶轮转速、流体黏度对于多材料混合的影响及其规律;最后,通过渐变色模型打印、变刚度模型打印和微尺度模型打印三个典型实验案例,验证了理论分析和数值模拟研究结果正确性和有效性.本研究为多材料多尺度3D打印奠定了理论基础,并为多材料多尺度3D打印装备的开发和工艺优化提供了重要理论支撑和方向性指导.     

超临界态煤油流动与对流传热特性数值研究

本文采用湍流模拟方法结合煤油的10组分替代模型对国产RP-3航空煤油在水平圆管中的超临界态流动及对流传热特性进行了研究.湍流模拟采用RNGk-两方程模型以及增强壁面处理方法,煤油热物性和输运参数的确定基于10组分替代模型,并采用广义状态对应法则（ECS）结合考虑真实气体效应的Benedict-Webb-Rubin方程计算.同时,通过网格无关性研究以及与煤油加热圆管实验数据的比较验证了数值方法的可靠性.在本文研究的流动条件下,对于壁面热流为1.2和0.8MW/m2的算例,当管壁温度略超过煤油的拟临界温度时将发生传热恶化现象,并且恶化程度随着热流密度的降低而减小;而在壁面热流为0.5MW/m2时则不再出现传热恶化.通过分析传热恶化前后近壁区湍流强度可知,传热发生恶化以及传热性能的再次恢复与近壁湍流强度的变化有关.经典的传热公式如Sieder-Tate公式、Gnielinski公式可以基本反映亚临界区煤油的传热关系,但不能预测煤油的传热恶化现象.而考虑超临界特性的Bae-Kim修正公式可以描述煤油的传热恶化.另外,研究发现：当煤油进入超临界态时,管道摩擦阻力将显著增加.     

无间隙原子钢高压扭转过程中塑性变形的滞后性研究

采用DEFORM-3D有限元分析软件,对无间隙原子钢(IF钢)在高压扭转(HPT)中的扭转阶段大塑性变形(SPD)过程进行模拟仿真,通过分析试样的等效应变分布,得到了IF钢在不同剖面的变形滞后性特征.结果表明,在扭转的前期阶段(不大于2周),IF钢试样表现出大塑性变形的滞后性:试样边缘的等效应变值明显高于心部,且沿径向由边缘到心部数值逐渐变小;与试样的上表面相比,下表面的等效应变明显较高,边缘大塑性变形区域较大,并且随着旋转角度、距心部距离的增加,上表面大塑性变形的滞后性越来越明显.这说明在扭转的前期阶段,试样的中心部及上表面的塑性变形相对滞后,并对其原因进行了初步分析,这与其下模旋转及表面摩擦密切相关,理论分析、显微组织及硬度检测结果均验证了该模拟结果的可靠性.     

中主应力对岩石材料影响的机理及理论模型研究

利用颗粒离散元法分析了中主应力对岩石在真三轴条件下峰值应力、微裂纹数目变化、颗粒摩擦耗散能、破坏方式、微裂纹分布的影响.数值模拟再现了随中主应力增大,岩石材料强度先增大后减小的变化规律.细观层面,中主应力增大使得微裂纹在加载平面上投影由均匀变得不均匀.中主应力比b大于0.5,岩样在屈服阶段产生微裂纹显著增多,颗粒摩擦耗能增大非常明显.中主应力一方面抑制了法向沿中主应力方向(或存在该方向分量)的微裂纹的扩展,这将导致岩样强度的增加.另一方面,法向沿小主应力(或存在该方向分量)的微裂纹的扩展得到了促进,这导致岩样强度的减小.这种对不同方向微裂纹扩展的抑制或者促进作用导致岩样宏观强度呈现先增大后减小的变化规律.基于Weibull统计理论,建立了能反映岩石强度中主应力效应的概率统计强度模型.采用剪应力来表示计算强度,推导出一个新的能反映中主应力和材料不均匀性综合影响的强度准则.该准则可以视为Mohr-Coulomb准则的修正,当材料绝对均匀时该准则可以退化为Mohr-Coulomb准则.通过和真三轴压缩试验结果、数值模拟结果以及常用强度准则对比发现本文强度准则能很好地反映中主应力对岩石强度的影响规律.     

黄河下游洪水输沙效率及其调控

针对黄河下游洪水输沙的复杂性,根据1980～1998年实测洪水资料,以花园口-高村河段为例,建立了洪水输沙用水的人工神经网络模型.在此基础上,以提高洪水输沙用水效率为目标,根据控制原理对洪水输沙过程调控进行了模拟与仿真.根据洪水输沙的实际情况,系统设计中采用了开环控制和反馈控制两种不同的控制结构.开环控制系统中,对不同含沙量条件下洪水平均流量对输沙用水量的控制过程做了数值模拟;结果表明该河段流量对输沙用水量的调控作用明显受到含沙量的影响,当含沙量小于20kg/m3时,流量对输沙用水量减小有很好的调控作用.反馈控制系统中,对给定控制目标下河段入口断面含沙量和流量对输沙用水量的调节过程分别进行了仿真;结果表明如果设定合理的控制目标,花园口-高村河段洪水输沙过程可通过入口断面的含沙量和流量进行调控.最后,根据上述方法,对黄河下游其他河段洪水输沙进行了模拟与仿真.根据综合分析,黄河下游花园口以下河段水流含沙量为20 kg/m3时,适宜的调控流量范围是2390～2900 m3/s.     

新型矩阵式微射流热沉性能分析

设计一种带有回流结构的矩阵式微射流热沉,采用实验和数值模拟方法对热沉性能进行了研究.在稳态条件下,获得了不同运行和结构参数时被冷却表面的温度分布、流体的速度场以及系统压损.结果表明:冲击距离对热沉性能影响较大,其值越小,平均努赛尔数越大,被冷却表面的平均温度越低,换热均匀性越好;被冷却表面平均温度与气体体积流量成反比;系统压损随着射流雷诺数的增大不断增大,雷诺数大于5500以后,压损急剧增加;换热均匀性与气体体积流量成反比,气体体积流量越大,换热均匀性越好.     

高温下钢筋混凝土梁抗冲击性能的细观数值分析

结合混凝土细观结构特征,考虑高温下钢筋和混凝土细观组分力学性能退化行为及材料的应变率效应,建立了钢筋混凝土梁细观数值分析模型,研究了高温经历时间和落锤冲击能量对钢筋混凝土梁抗冲击性能的影响.主要分析了高温下钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下的破坏过程、冲击力时程、支座反力时程和跨中位移反应.研究结果表明:细观数值模型由于考虑了细观组分的非均质性,获得了较为合理的温度场分布;随着加热时间的增加,混凝土梁在冲击荷载作用下破坏更加严重,冲击力持续时间和跨中最大位移增大,但是冲击力峰值减小;随着冲击能量的增大,钢筋混凝土梁的剪切破坏更加严重,冲击力峰值增大,跨中最大位移随冲击能量增大而线性增加.     

高混凝土坝气幕隔震控制的模拟分析理论与试验验证

针对高坝动力灾变过程控制这一核心科学问题,首次提出高坝气幕隔震控制的液-气-固三相耦合建模理论和数值实现方法,给出三相强耦合-热力学状态-材料-接触/非接触双重非线性的复杂动力学问题的理论描述和气幕隔震高坝工程的动力灾变关键效应的全过程数值模拟;给出刚性坝-平面波简化情况的解析解.完成了高305m锦屏拱坝的地震灾变过程控制与非控制的对比模拟,结果与振动台实验相互印证,基本相符.提出整体式气室和变厚度优化气幕,发展了高坝控制优化方法.首次完成大型振动台拱坝隔震的模型实验并满足基本动力相似准则,实验数据合理可信,并与模型坝的动力模拟结果基本符合,为模拟理论方法提供了实验验证.数值模型与物理模型相结合的试验表明,动水压力削减可达70%以上,坝体第一/第三主应力峰值降低20%～30%以上,有效地提高了高坝工程的整体抗震能力,表明气幕减震是高混凝土坝防震控制的优先发展方向.     

STPV系统中辐射吸收器热分析及优化

对太阳能热光伏系统中的能量吸收装置进行了数值模拟,研究了太阳光不平行度对其聚光性能的影响,对不同入口条件下辐射器空腔内的流场分布及壁面温度进行了对比,发现在开口系统中,空气自然对流对辐射器壁温有很大影响,从开口处泄漏的空气会带走壁面及辐射器空腔中的热量,使得壁面温度降低,从而减小了电池的输出功率．最后提出在辐射器开口处布置一种优化设计的选择性薄膜,可减少辐射损失,有效提高辐射器温度及系统输出电功率．     

头部厚度分布对飞翼布局失速特性影响研究

跨音速条件下,大后掠飞翼布局翼身厚度分布影响激波/前缘涡干扰,进一步影响全机的失速特性.本文采用数值模拟方法,研究了跨音速时头部翼身厚度分布对小展弦比飞翼布局失速特性的影响规律及其对失速迎角附近激波/前缘涡干扰特性的影响.研究结果表明,减小机身头部厚度,将使机身背风侧第一道激波位置后移,激波/前缘涡干扰减弱,涡破裂点位置后移.将座舱位置后移10%机身长度,可使背风侧第一道激波位置后移到后缘附近,前缘涡破裂迎角增大4°左右,使全机失速迎角和可用升力系数增大,显著改善失速特性和俯仰力矩上仰特性.同时,将机头座舱位置后移,有利于减小全机的航向静不稳定裕度,提高航向静稳定性.该研究为大后掠飞翼布局气动布局设计和流动机理分析提供基础.