偶极涡的Liapunov意义下非线性不稳定性及大气阻塞现象探讨

考察相当正压涡度方程的特解－偶极涡（或偶极子）在Ｌｉａｐｕｎｏｖ意义下的非线性不稳定性，从而指出前人利用偶极涡的稳定性解释中高纬度大气阻塞现象维持的动力机制缺乏理论依据，同时提出了偶极涡型的生命跨度这一概念用来刻划大气阻塞现象的持续时间。     

改进型PDC钻头在辽东油田群的探索与应用简

辽东湾海域分布着多个大型油田群,贡献突出,但特有的底砾岩层常导致PDC钻头过快损坏,严重制约了作业时效再提升.为攻克此难题,联合PDC钻头厂家,在分析已钻数据及岩石特性的基础上,对力平衡设计、结构稳定性、刀翼防涡设计、井底流场优化等方面进行针对性改进优化.改进型PDC钻头从根本上解决了PDC钻头钻砾岩层及毗邻砂泥岩复合层的难题,节省了大量作业时间,经济效益明显,具有重要的推广应用价值.     

槽道紊流中涡旋倾角的概率密度分布特征

以Del-Alamo等(2004)直接数值模拟的槽道紊流数据为基础,对比两种涡旋方向的计算方法(涡量矢量和速度梯度张量的实特征向量),并统计了涡旋与3个切面(XZ,XY及YZ)间倾角的概率密度分布.研究结果表明,在缓冲层内,涡量矢量与实特征向量存在较大的差异;涡旋以准流向涡为主,其与XZ面的倾角很小,但与YZ面的倾角很大.在缓冲层外,涡量矢量与实特征向量的夹角较小,且概率密度最大的夹角稳定在10°附近;涡旋以发夹涡为主,与XZ面主要呈±45°倾角,与XY及YZ面主要呈±55°倾角.涡旋与切面间倾角的概率密度分布特征可以由Ω状发夹涡模型来解释.     

活塞和圆盘涡环的运动学特征分析

采用数值模拟方法,使用流函数和拉格朗日相关结构对由2种生长机制所得涡环的典型物理特征进行分析.结果表明:由2种生长机制所得涡环均属于薄核涡环,其涡核的涡量分布满足高斯分布,并且具有统一的物理模型;但由于2种涡环生长过程中的环境差异而导致其运动学特征存在差异,主要表现在涡环的传输速度和无量纲涡核半径有所不同.     

谱元法应用于涡声传播问题的研究

为了满足计算气动声学对低色散、低耗散高精度数值离散格式的需求,将高精度谱元法结合声比拟理论应用于求解气动声学问题。以伪声压的时间二阶导数作为非齐次波动方程的声源项,空间离散采用谱元法,时间离散应用隐式Newmark法,并在外边界采用C-E-M吸收边界条件,求解了由两个相距为2r0的等环量点涡组成的同向旋转涡对的发声问题。旋转涡对的不可压缩流场通过复位势理论获得,声源由流场量计算得来,并将数值结果与应用多级匹配展开法得到的解析解进行比较,可得数值解与分析解吻合较好。研究结果表明:应用高精度谱元法进行空间离散时,每波长的网格数为11时可达到很高的精度;网格数一定的情况下,时间步长越小得到的数值解与分析解之间的误差就越小;另外,证明了将伪声压对时间的二阶导数作为声源项,能够高精度求解不可压缩流动引起的气动声学问题。     

中尺度涡冷暖特征的理论推导

为了从理论上解释中尺度涡旋冷暖性质与涡旋旋转方向的关系,分析了涡旋的几何特征,并依据这些特征做了如下假设:中尺度涡具有对称的几何形态,涡旋中海洋要素沿径向具有线性变化的特征。从原始方程组出发,利用柱坐标系和上述假设条件,略去耗散力,不考虑涡旋切向的变化,并且忽略径向的速度,推导了中尺度涡的冷暖特征,解释了气旋式中尺度涡对应冷涡以及反气旋式中尺度涡对应暖涡等涡旋的运动特点。结果表明,中心对称形式可以作为对中尺度涡的几何特征的一个理想形态近似,在考虑上述假设条件的理想环境下,柱坐标系在研究中尺度涡的几何性质上具有一定的优势。     

基于谐波合成法的大涡模拟脉动风场生成方法研究

为准确模拟大涡模拟入口处的脉动信息,在充分考虑脉动风场的功率谱、相关性、风剖面等参数前提下,运用谐波合成方法生成了满足目标风场湍流特性的随机序列数,通过对FLUENT软件平台进行二次开发,将生成的随机序列数赋给大涡模拟的入口边界,从而实现了大涡模拟的脉动输入.基于风洞试验数据,分别建立了两种模拟脉动风场的数值模型,一为没有任何障碍物的空风洞,运用谐波合成方法生成的随机序列数作为入口边界来生成脉动信息;二为与真实风洞一致的尖劈粗糙元风洞,采用平均风作为入口边界,利用尖劈粗糙元对风场的扰动来产生脉动信息.通过对比两种数值模型发现:基于谐波合成方法生成的脉动风场可作为大涡模拟的入口边界,可为大涡模拟脉动入口研究提供参考.     

凹陷涡发生器形状对湍流流动与传热性能的影响

利用数值计算方法研究了分别具有球形、椭球形、倾斜椭球形以及泪滴形凹陷涡发生器阵列表面的湍流传热与流阻性能.采用湍流模型Relizable k-ε、SST(Shear Stress Transportation)和Standard k-ω模拟凹陷涡发生器表面的湍流传热与流阻性能,并与其实验结果进行对比,确定了Standard k-ω是研究凹陷传热和流动的最精确湍流模型.同时,通过数值计算分析了4种凹陷结构在雷诺数为8 500~60 000下的传热、流阻和流动特性,利用Matlab软件对数值计算结果进行后处理.结果表明:与充分发展的光滑通道内湍流流动相比,球形凹陷通道的传热性能提高了约40%,摩擦因子增加了约70%;椭球形凹陷通道的传热性能提高了约30%,摩擦因子增加了60%左右;倾斜椭球形凹陷通道的传热性能提高了约40%,摩擦因子增加了60%左右;泪滴形凹陷通道的传热性能提高了约70%,摩擦因子增加了约1倍,即泪滴形凹陷通道的传热性能和综合热性能最佳.     

LNG船舶球形货舱风阻力的数值模拟

为获得LNG船舶更准确的风压分布和更多的风场细节,只对LNG船舶的货舱风阻进行数值分析,忽略船体以及其他上层建筑部分.选用RNG k-ε湍流模型和大涡模拟方法对均匀风场中的LNG船舶球形货舱绕流进行数值模拟.为验证数值方法和网格划分的合理性,对均匀风场中的半球体绕流进行数值模拟,计算结果与风洞试验的数据吻合很好.对LNG船舶球形货舱的绕流场和风压分布分析发现,大涡模拟方法对漩涡流动的模拟有较好的效果.     

声激励对圆射流流场结构控制的大涡模拟

为研究声激励对圆射流流场结构的控制作用,采用大涡模拟方法计算相锁定全局声激励下的圆射流(Re=2 020)流场.计算得出的未加激励时射流的优势频率与实验符合得很好.从多角度描述声激励对射流速度场和涡量场的影响,分析流场对声激励响应的频率选择特性.通过速度场的平均值、均方根值,概率密度函数,偏度,峰度,以及动量厚度的分布,显示声激励引起速度场和混合特性的改变.涡量和Q准则揭示流场拟序结构的演化,发现激励控制流场的主导涡结构是希尔球涡.研究表明,声激励是流场控制非常准确和有效的手段,当激励频率在优势频率附近时影响尤其明显,很小的能量输入便可以引起流场结构的显著改变.