质子交换膜燃料电池的三维数值模拟

对一种质子交换膜燃料电池进行了整个单电池的三维数值模拟.计算中采用单相等温模型,数值求解用整场离散、整场求解的方法,同时采用已知电流通过Butler-Volmer方程修正过电位获得电池电压的方法模拟电化学动力学过程.数值结果与实验值的对比表明,所采用的单电池计算模型在大部分工况下获得的输出电压与实验值偏差均可控制在10%～20%以内.计算并分析了单电池局部电流密度分布,同时将单电池模型与典型单元模型的计算结果进行了对比,发现两者在电流密度、质量组分的分布上均存在明显的差异,其原因主要在于典型单元边界条件设置所致.该工作将有助于对质子交换膜燃料电池的流动、传质与电化学过程进行进一步的数值研究.     

采用 k-ε湍流模型的喷水推进器性能预报

采用结构化网格离散计算域,利用稳态多参考系法求解RANS方程,对喷水推进器内流动进行数值模拟．为评估不同湍流模型在喷水推进器性能预报中的适用性,计算时分别采用了标准k-ε模型、RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型．将计算值与厂商提供值进行对比,结果表明：3种湍流模型都可较好地预报喷水推进器的功率,最大误差小于3％,但在预报喷水推进器推力特性过程中差异较大．综合分析后认为其在喷水推进器性能预测中的表现优劣次序依次为RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型和标准k-ε模型．     

基于计算流体力学的熔融碳酸盐燃料电池输出性能数值模拟

对熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)的连续、动量、能量方程以及电压、电化学方程进行了数学描述，采用计算流体力学(CFD)方法，对MCFC的输出性能进行数值模拟，计算结果包括电池温度、电流密度以及功率密度分布等重要参数．并将理论模型的计算结果与kW级的MCFC温度分布实验数据进行比较，两者符合很好，证明所提数学模型具有较高的可靠性．     

管壳式换热器壳侧湍流流动的数值模拟及实验研究

采用全三维、交错网格、全隐格式的计算方法对管壳式换热器壳侧的流动进行了数值模拟。基于各向异性多孔介质与分布阻力的概念，采用修正的κ-ε模型和壁面函数法，着重分析了管壳式换热器壳侧的湍流流动特性。数值模拟结果和冷态实验数据的对比表明：换热器壳侧的压力分布及压降的实验数据和计算结果符合良好，计算值与实验值之间的最大偏差为20％左右。采用各向异性多孔介质模型比现有文献中采用的各向同性多孔介质模型更能有效地模拟管壳式换热器壳侧的流动特性。     

两类锂离子电池电化学机理模型的数值分析

在新能源锂离子电池领域，已有研究学者构造了若干种电池的电化学机理模型。为了分析相关物理化学过程，得到电池相关有效性质，基于DFN模型讨论电池的物理化学机制，使用了降阶简化后的单颗粒模型进行模拟研究。先采用不同的参数对单颗粒模型进行模拟，之后分析各个相关物理量，与DFN模型进行比较，得出精度控制良好一致性的范围，分析了模型预测的差异性。通过电池机理模型的研究，可获得电池的状态估计，这能够更好地认识电池。     

方柱绕流湍流数值模拟方法的对比分析

分别采用大涡模拟(LES)方法和两种雷诺平均N-S方程的模型,即标准k-ε模型和重整化数群k-ε模型(RNGk-ε模型),对方柱绕流进行了三维湍流数值模拟.使用有限元法离散控制方程,使用共轭梯度平方法(BI-CGSTAB)进行流速迭代计算,采用Vzawa法修正压强,以及迎风有限元技术修正有限元的权函数.计算获得了方柱下游回流区长度和速度场,并将它们与实验结果进行了比较.结果表明,大涡模拟方法计算结果最好,标准k-ε模型结果优于RNGk-ε模型计算结果.     

不同湍流模型比较模拟撞击流

构造了计算撞击流流场分布的数值简化模型,并用有限容积法对间距为H的两个对置平板喷嘴间的湍流作用区域进行数值模拟研究．数值模拟采用了三种湍流模型：标准的k-ε模型、RNG k-ε模型（renormalization group k-ε model）以及雷诺应力模型．数值模拟数据的有效性通过将模拟结果与由对环境温度下两对置喷嘴之间的撞击流试验的结果比较得到证实．通过与实验数据的比较发现,由于考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况,RNG k-ε模型在撞击流区域获得的结果要好于用标准k-ε模型和雷诺应力模型获得的结果．     

应用离散单元法对二维流化床内流态进行数值模拟研究

采用基于颗粒轨道模型的欧拉-拉格朗日数值模拟方法,将广泛应用于岩土力学中的离散单元法DEM (Distinct Element Method)引入流体力学中以计算颗粒与颗粒之间的作用力,同时考虑颗粒与流体间的相互作用(双向耦合),对二维流化床进行数值模拟,结果与实验观察到的现象基本一致,预示着离散单元法在密相气固两相流数值模拟研究中具有广阔的前景.     

一种用于NS-3仿真的电池模型及其数值解法

为了解决网络模拟器NS-3不能对无线传感器网络节点的电池信息做出准确仿真的问题,吸收LiIon电池模型和KiBaM电池模型各自的优点,采用LiIon电池模型的方法计算KiBaM电池模型中有效电荷井的输出电压,得到能够体现电池的速率容量效应和自恢复效应、能够反映输出电压随剩余电量降低而降低的KiBaM-LiIon电池模型,并对模型中无法获得解析解的微分方程组求解,基于隐式Runge-Kutta方法,提出了易于编程实现的数值解法。仿真和实验的结果表明,模型及其数值解法能够在NS-3中对电池使用过程中任何时刻的电压、剩余电量等作出准确预测,且具备计算复杂度低的优点。所提出的电池模型及其数值解法不仅适用于NS-3,同样也适用于其他网络模拟器,可为无线传感器网络和移动Ad-hoc网络的研发提供参考。     

基于有限体积法的离散裂缝模型两相流动模拟

正确认识裂缝性油藏流体流动规律是其高效开发的基础,离散裂缝模型因其对裂缝予以显式降维处理,能够大大提高计算效率而逐渐成为当前研究的热点。有限体积法在控制体单元上具有明确的物理意义,能够严格保证局部质量守恒,适用于流场性质不连续的情况。基于Delaunay三角网的对偶网格构建有限体积控制单元,推导了离散裂缝模型油水两相流动控制方程的有限体积数值计算格式,实现了离散裂缝模型油水两相数值模拟,通过算例验证了该方法的正确性与高效性。研究表明:该方法能够严格保证局部质量守恒,计算过程中收敛性较好,适用于离散裂缝油藏的数值模拟,与单孔隙介质模型计算结果具有很好的一致性,计算效率提高2.5～3.0倍。     

悬移质泥沙运动过程模拟分析

为了实现悬移质泥沙运动过程的模拟分析,应用联合k-ε紊流方程和悬沙输运方程的单流体模型,采用有限体积数值方法对其离散求解,分别对净冲刷和净淤积试验算例进行了计算模拟,计算结果与试验结果吻合良好,说明该模型是正确有效的,可以用来模拟悬移质泥沙的运动问题.分别对两个试验中泥沙上扬和沉降的运动过程进行数值模拟,结果表明:净冲刷和净淤积试验中泥沙开始上扬和沉降直至稳定状态分别运行24 s和35 s.采用单流体模型可以有效地对悬移质泥沙运动过程进行数值模拟,为河流海岸工程中的水沙研究提供可靠的参考和依据.     

射孔完井模型的数值模拟

用有限元方法建立了射孔完井的离散模型，进行了大量的数值模拟计算，并分析了孔深、污染程度、破碎带、孔眼半径、相位角等对产率比和表皮系数的影响。模拟结果表明，离散模型和数值方法的计算误差较小，且能节省大量的计算时间。     

碱性阴离子交换膜燃料电池实验及数值模拟

针对碱性阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)水管理开展了实验及数值模拟工作,使用Tokuyama A201膜制备并组装了实验室规模的AEMFC单电池,建立了一个基于质量守恒、组分守恒及电荷守恒的碱性阴离子交换膜燃料电池二维稳态等温模型,用于研究电池性能及内部水传输机理。通过模型计算分析电池性能及内部水传输和水分布情况,结果表明:计算预测得到的特定参数下的极化曲线趋势与单电池测试的数据吻合良好;电流密度增加会增大水从阳极到阴极的净通量,有利于阴极反应的进行;电池两极均需进气加湿,提高阳极进气湿度可以加快水从阳极到阴极的净迁移,在较高电流密度下阴极进气湿度过低对电池性能影响较大。     

射孔完井模型的数值模拟

用有限元方法建立了射孔完井的离散模型，进行了大量的数值模拟计算，并分析了孔深、污染程度，破碎带、孔眼半径、相位角等对产率比和表皮系数的影响．模拟结果表明，离散模型和数值方法的计算误差较小，且能节省大量的计算时间．     

基于模拟有限差分法的离散裂缝模型两相流动模拟

模拟有限差分作为一种新型数值计算方法,因其良好的局部守恒性和对复杂网格系统的适用性,在计算流体力学和油藏数值模拟中得到应用。将模拟有限差分方法进一步应用于离散裂缝流动模拟中,对模拟有限差分法的基本原理进行详细阐述,建立相应的离散裂缝数值计算格式,并采用IMPES方法对其两相流问题进行求解,并与实验结果对比。对比结果验证了新方法和程序的正确性,通过复杂离散裂缝算例进一步验证了方法的正确性和程序的鲁棒性。     

水火弯板数值模拟中热源模型参数研究

水火弯板热源热流密度模型的选取和定义,是水火弯板数值模拟中一个关键问题．采用高斯分布热流密度模型对水火弯板中的气体火焰热源展开了研究,利用实验和数值模拟相结合的方法,通过在一定范围内调整热流密度模型中的热源半径r和热效率η等参数．使数值计算的温度场分布趋近于实验测量的温度场分布,确定了水火弯板热源热流密度模型．在一定丙烯流量范围内,分析了热源半径和热效率的插值偏差对计算结果的影响,结果表明该模型能够满足水火弯板数值计算的精度要求．算例验证了该热源模型在有限元计算中的可靠性．     

基于分层Boussinesq类模型的孤立波爬坡模拟

 波浪爬坡是自然界中普遍存在的现象,是近岸防波堤等结构物设计需要考虑的因素。本文采用分层Boussinesq类方程对近海岸波浪爬坡开展数值模拟研究,采用有限差分方法数值离散二层Boussinesq类方程,建立数值波浪模型。根据Synolakis 1986年的物理实验,数值模拟孤立波在梯形水道上的爬坡,验证了分层Boussinesq方程波浪模型在该研究中具有很好的适用性和较高的精度。模型较好地预报了波浪爬高的变化趋势。预报的波浪爬坡高度大于实验测量值,主要原因是实际的底摩擦大于模型中的底摩擦。     

波形刃铣刀铣削力的预报数值模型

为优化波形刃铣刀的设计和正确应用 ,建立一个离散的数值模型来预报铣削力的大小。根据已有的单位铣削力模型和它与切屑厚度的关系 ,获得局部铣削力的大小。将铣刀沿轴线方向划分成小的铣刀片 ,把作用在铣刀片上的局部铣削力叠加到一起 ,从而建立起离散的数值切削模型。提供了计算铣削力和参数标定的算法。通过几组实验 ,验证了数值模型的有效性     

空调房间气流组织的模拟研究

以中间侧送风、不回风的流场作为数值计算及实验研究的模型，在对数学模型及物理模型进行理论分析的基础上，对常规下的K－ε模型进行了修正，并运用K－ε紊流模型计算了空调房间的气流组织，用离散方法对边界条件进行了处理，并把数值计算结果与实验结果进行了比较，实验结果运用K－ε紊流模型计算空调房间的气流组织是可行的，并把数值计算结果与实验结果进行了比较，实验结果证明运用K－ε紊流模型计算空调房间的气流组织是可行的，计算结果丰富并弥补了实验研究的不足。     

空调列车室内气流组织的三维数值模拟

用传统的模型试验或通过经验公式求解射流的方法，所获得的列车车内气流组织的结果是不太精确的，利用数值模拟的方法计算空调列车室内气流组织已被广泛应用，但通常计算时没有考虑太阳辐射引起室内负荷的再分配的问题，从而使计算结果具有较大的局限性。本文首先由Monte-Carlo和Gebhart方法计算出了太阳辐射室内负荷的再分配，并以此为基础建立了空调列车气流组织数值模型的边界条件。采用k-ε双方程模型作为控制方程进行了数值求解，与实验结果对照表明，数值计算所建的物理和数学模型及简化措施是合理的。