液体在润湿性微管中流动的边界负滑移特征

该文通过分子动力学模拟,研究了亲水性壁面不同通道宽度中滑移长度的特征.结果表明在小剪切率下壁面存在负滑移,流体在固壁边界受到黏附力作用.在相同润湿性下,通道宽度不影响滑移长度,滑移长度只随壁面附近流体剪切率的变化而变化,滑移长度的绝对值随剪切率的增大而减小,当剪切率增大到某一值后滑移长度趋于定值.随后对去离子水在直径为10μm的亲水性微管内的流动进行了实验研究,并与分子动力学模拟结果进行了比较.实验结果表明:在低速流动下(剪切率较小时),去离子水在微管内流动的流量与剪切率呈线性关系,且存在启动压力梯度,这是由于去离子水在微管内流动时的边界负滑移造成的,且滑移长度与剪切率呈非线性关系,随着剪切率的增大,实验值趋近于某一稳定值.这一实验结论与分子动力学模拟结果吻合的很好,表明了流体在润湿性微管内流动时,边界存在负滑移,固壁边界附近存在不流动的黏附层,这也是液体在低渗透多孔介质中渗流时存在启动压力梯度的原因.     

微尺度流动界面现象及其流动边界条件分析

水平微尺度毛管中低Reynolds数流体流动出现许多另人费解的现象,如流动前缘并未出现Poiseuille速度剖面,而似一种“段塞式”流动,固/液界面看似不符合无滑移边界条件. 该文针对这些易引起困惑的问题,利用可视化微管流动实验及岩石孔隙仿真光刻模型流动实验,考察了润湿性对微尺度毛管中流体流动的影响,探讨了微尺度毛管中表面流动现象产生的实质.结果表明,在微尺度流动中观察到的小分子液体“段塞流动现象”,以及看似壁面滑移流动等现象,其实质是液/固壁面仍为无滑移边界,三相接触点以尤如运动的“坦克的链轨”发展方式,沿壁面发展,从而产生“段塞式”流动.虽然仍在低速层流的条件下,但由于界面张力的作用,接近动界面处流动质点的运动已不再保持一维直线运动.     

液体壁面滑移的分子动力学研究

以平行板间液氩的Poiseuille流为例,用分子动力学模拟的方法,对壁面润湿性、外部驱动力以及通道宽度影响液体壁面滑移现象进行了研究.结果表明:在疏水性微通道中,液体的流动存在边界正滑移;在亲水性微通道中,在外力较小时,液体的流动存在边界负滑移,即有类似宏观的边界粘滞层存在,而当外力逐渐增大时,边界滑移从负滑移变为正的滑移.液体在不同宽度的微通道中流动时,绝对滑移长度均随外力的增大而变小,并趋向于定值.研究还发现在不同空间大小的通道中,壁面滑移速度随外力的增大而增大的变化存在拐点,在拐点两侧,界面作用的影响不同.     

致密油藏中一种基于微管流动特征的非线性渗流模型

随着常规油气资源的大量消耗,低渗透致密油藏逐渐成为开发的主要资源。由于致密储层主要发育大量的纳米级孔隙与裂缝,当流体通过时,流动规律偏离达西定律,渗流曲线不再是一条通过原点的直线。对于渗流过程中各因素之间的相互作用及对渗流规律的影响说法不一,至今没有一个满意的模型。为了正确认识致密油藏储层的非线性渗流规律,该文以边界层理论为基础,提出了低渗透致密油藏一种新的非线性渗流模型。通过流体在微纳米管中的流动实验分析,润湿性液体的边界黏附层厚度与驱替压力梯度呈指数关系,对流量模型进行了简化处理;进而利用毛管束模型得到了致密多孔介质中液体的渗流模型,并用天然致密岩心进行单相水流动实验给予验证。研究结果表明,所得非线性渗流模型是有效的,能够用来描述致密油藏的非线性特征。     

汽液黏滞系数对空化泡溃灭过程影响的数值模拟

利用格子玻尔兹曼方法(LBM)伪势模型模拟了近壁区空化泡溃灭过程,分析了不同汽相黏滞系数和液相黏滞系数对空化泡溃灭过程中的最大微射流流速、最大溃灭压力、最大溃灭时间的影响。结果表明,相同液相黏滞系数条件下,改变汽相黏滞系数,空化泡溃灭时产生的最大微射流流速、最大溃灭压力和最大溃灭时间不变;保持汽相黏滞系数不变,空化泡溃灭时最大溃灭压力、最大微射流流速均随着液相黏滞系数的增大而减小,但最大溃灭时间随着液相黏滞系数的增大而增大。     

圆管壁粗糙度对圆管内流态影响研究

基于尼古拉兹圆管实验思想,利用颗粒流程序中的流体计算模块,实现了对圆管壁粗糙度的模拟,进而分析了不同粗糙度对圆管断面流态分布的影响以及在不同压力差作用下平均流速与圆管壁粗糙度之间的关系。研究结果表明:圆管内流体流速受管壁的扰动影响,在横截面上呈U型分布,而非抛物线型分布;圆管壁对管内流体流态的影响范围随管壁粗糙度变化而变化,圆管管壁相对粗糙度越大,管内受扰动流体范围越大,即管内层流范围越小;在管壁粗糙度一定的情况下,圆管断面流量随上下端面压力差的增大而增大;在相同压力差作用下,圆管断面流量随管壁相对粗糙度增大而逐渐减小,颗粒的阻流作用明显;随着管壁粗糙度的增大,圆管上下端面受压力差作用的影响范围也随之增大,使管内流体流态变得更加复杂。     

考虑掺混程度的水气混合流体动力黏滞性模型

水气混合流体动力黏滞性是数值模拟水气混合流体流动的关键参数,其大小受掺气量、水气掺混程度和温度等因素的影响。然而,现有的水气混合流体黏滞性模型大多仅考虑了气体掺量的影响,导致不同模型之间的差异性较大,同一气体体积分数条件下,不同黏滞性模型得到的水气混合流体黏滞系数相差可达到两个量级。该文结合试验测试、理论推导以及数值模拟等手段,提出了一种水气混合流体黏滞性测试方法,利用纯水对该测试方法进行了验证,试验测试结果验证了该方法的正确性和可行性。在此基础上,通过定义表征气体掺混程度的参数,推导了一个能够同时考虑掺气量及掺混程度的水气混合流体黏滞性模型,并分析了水气混合流体黏滞性随掺气量及掺混程度的变化规律。     

壁面处湍流状况测试研究

讨论并采用电化学方法，测试矩形管壁面处速度梯度及湍流强度，分析并实验探讨了离子迁移方向对测试电极动态响应的影响，将测试结果与同样条件下激光测速仪在近壁处温度结果进行了分析比较，与其他在圆管流动测试中得出的结论不同，测试结果表明，矩形管壁面外流体相对湍动强度随流量增大而减小，在高雷诺数下趋近常数。     

基于转捩SST模型的钝尾缘水翼绕流数值计算与分析

边界层转捩是影响水翼绕流水动力学特性的关键因素之一。为了探究γ-Reθt转捩模型在低湍流度来流下水翼边界层转捩及尾涡脱落预测中的适用性,本文基于耦合γ-Reθt转捩模型和SST k-ω模型的转换SST模型,对0°攻角的NACA0009钝尾缘水翼绕流进行了数值计算。分析了转捩SST模型对网格尺度的敏感性,预测了边界层和尾迹区流场及不同雷诺数下水翼尾涡脱落特征,并与实验数据和SST k-ω模型计算结果进行了对比。结果表明:随近壁面第一层网格尺度y+的增大,水翼边界层转捩位置沿流向后移,最大y+值小于1时,预测的转捩位置趋于一致;与SST k-ω模型相比,转捩SST模型可以求解层流边界层,避免了在边界层和尾迹区对涡黏系数的过高预测,得到的边界层厚度和水翼尾迹区流动参数与实验结果更为接近;转捩SST模型可以较准确预测水翼尾涡脱落频率随雷诺数增大而增加的变化趋势,水翼尾涡脱落频率预测值与实验结果的最大相对误差为6.2%。     

考虑成层地基的黏弹性人工边界模型

为了将黏弹性人工边界条件用于成层地基模型的计算中,基于波动理论,推导了不同类型地震波的波幅比计算公式,采用延迟法考虑行波效应,完成了成层地基的自由场求解,得到了考虑地震波一次反射透射的等效荷载计算公式,最终建立了考虑成层地基的黏弹性人工边界模型。以SV波垂直入射为例,采用所建立的模型进行了重力坝的动力计算。结果表明,该模型满足工程抗震分析的精度要求,可以解决成层地基条件下,地震波垂直入射时考虑土-结构相互作用的结构动力分析问题。     

INVESTIGATION OF INFLUENCE OF WETTABILITY ON POISEUILLE FLOW VIA MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION

In this article, the influence of wettability on a liquid flow between two parallel plane walls were studied by using Non-Equilibrium Molecular Dynamics (NEMD) simulation. The wettability of the solid surfaces can be described as the contact angle. The liquid flow rate, the slip velocity and the slip length which are affected by the contact angle were investigated. The results show that the boundary condition at a microscopic level is different from a “no-slip” condition at a macroscopic level. There exits a slippage of a liquid flow for the hydrophobic boundary and an external force is needed to overcome threshold pressure for the hydrophilic boundary. And the orderly layered distributions of the liquid particles near the hydrophilic surface vary from a place near the hydrophobic surface. The study indicates that the surface wettability plays a significant role on possibilities of forming a viscous layer and the direct slip at the solid surface. The resistance of liquid flow can be decreased by changing the wettability of boundary surface.     

一种新型SPH固壁边界处理的排斥力模型

边界排斥力法是光滑粒子流体动力学(SPH)固壁边界处理的方法之一,但由于缺乏统一的排斥力模型而制约其广泛应用。考虑将近场动力学(Peridynamics,PD)中描述颗粒间接触作用的短程排斥力引入到固壁边界处理模型中,提出一种新型SPH方法边界排斥力模型。通过Couette流和溃坝2个算例验证了排斥力模型的有效性。排斥力表达式简单,参数易于给定,为SPH方法中固壁边界处理提供新思路。     

EXPERIMENTAL STUDIES AND NUMERICAL CALCULATION ON TURBULENT BOUNDARY LAYER OF WATER FLOW ALONG CURVED SURFACE

This paper will introduce experimental studies and numerical calculation onturbulent boundary layer of water flow along curved surface in our country in recent years.Onthe basis of the experimental studies,the effects of curvature and roughness on velocitydistribution and pressure distribution and the change of turbulent flow boundary layer onoverflow bucket concave surface is discussed.We proposed the empirical formula of velocity,pressure and the change of turbulent flow boundary layer on outlet bucket concave.According tothe momentum principle,we have deduced the momentum integral equation full water depthboundary layer and using the element as control unit inside the boundary layer on concavesurface of bucket.Combining with continuity equation,we have computed the boundary layerdevelopment on the bucket of a spillway.Compared with the field experimental data,thecalculation results are available.Under polar coordinates,a mathematical model for simulatingtime-averaged flow characteristics in concave surface of bucket is established.The turbulent flowfield on concave surface of bucket is calculated by SIMPLE method and this mathematicalmodel.The flow velocity field,pressure field,distribution of turbulent kinetic energy,distribution of turbulent energy dissipating rate and distribution of shear stress are available.Thecalculation value is consistent with measured test data.     

含植物明渠紊流流速分布无量纲化方法及流动分区

基于流速分布曲线的几何特点,提出一种新的无量纲化方法,结合水槽实验数据的回归分析,对含植物明渠紊流流速分布律及流动分区进行了研究。基于流速梯度变化率的特点,确定两个特征高度,采用特征高度、特征高度位置处的流速、水深、最大流速4个变量定义了新的无量纲流速和高度,对实验得到的流速数据进行无量纲化处理,进一步拟合得到流速分布律。结果表明,提出的无量纲流速在自由水面附近呈对数分布,对数分布律区域以下到床面的区域可用4段函数表示。根据分布律适用的区域明确流动分区边界,发现边界高度与特征高度并不重合,但和混合层的上下边界近似相等。与其他研究的对比表明,提出的无量纲化方法和流速分段函数分布律以及流动分区对速度描述有效,具有较好的适用性。     

两相泥石流龙头的非恒定运动过程及能量特征

两相泥石流通常会出现高陡的龙头,其集中了大量的粗大卵石和砾石,呈现间歇性或波动性的运动。两相泥石流的运动除了取决于流体本身的流变特征外,液相和固相之间的能量传递也起到了重要作用,利用能量分析方法来研究两相泥石流固相、液相和龙头之间的能量转化机理是研究两相泥石流非恒定运动的有效途径。通过野外两相泥石流原型和水槽实验,研究其非恒定运动过程,结果表明,两相泥石流的龙头在泥石流起动初始阶段逐渐增长,当运动到一段距离后,趋于稳定。龙头高度和速度都有波动特征,通过能量分析建立了物理方程,分析证明两相泥石流龙头运动的平均速度正比于沟道的坡降和激发泥石流的洪水流量,反比于龙头的体积。     

水平轴潮流能水轮机叶片变桨角度研究

利用Flow-3D软件建立了单桩型水平轴潮流能发电机的三维数值模型。采用该模型对不同叶片变桨角度时的水动力过程进行了模拟计算,并根据计算结果从叶轮转速、叶轮动能、叶轮受力、水位和流速变化的角度进行了分析和讨论。数值模拟结果表明：当叶片变桨角度增大时,来流方向的叶轮受力和叶轮动能也都随之增大;变桨角度对于与来流垂直的y和z方向的叶轮受力影响较小;叶片变桨角度越大、水轮机下游附近流速降低的越快,流速就越小,而在水轮机下游较远处,叶片变桨角度越大,尾流场恢复得越快,其流速也越大。     

BOUNDARY LAYER EFFECTS ON SOLID PARTICLE MOTION AND EROSIVE WEAR

ＢＯＵＮＤＡＲＹＬＡＹＥＲＥＦＦＥＣＴＳＯＮＳＯＬＩＤＰＡＲＴＩＣＬＥＭＯＴＩＯＮＡＮＤＥＲＯＳＩＶＥＷＥＡＲＬｉｕＸｉａｏ－ｂｉｎｇ（ＳｉｃｈｕａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１１７４４，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）Ｃｈｅｎ...     

二维造流水槽整流装置数值模拟

水槽盲沟整流装置因其结构的复杂性难以在数学模型中建模。本文基于Owen等的金属筛网整流理论,建立了应用于SPH(WCSPH)方法的数值整流区域。基于弱可压SPH方法,建立了二维波流水槽的数值模型。通过将流速边界条件与周期性边界条件相结合,实现了稳定的流场。经过粒子间距有效性分析和与物理模型实验结果的对比,验证了数值模型的合理性。通过有无数值整流区域时水槽内部流场的稳定性对比分析,论证了数值整流区域可以降低水槽出水口处流态的不均匀性,达到与实际盲沟整流网相近的效果。因此,本文中的数值整流段可以模拟实际的整流装置。