沟槽面管道湍流减阻的数值模拟研究

采用标准κ-ε模型,通过数值计算考察了两种沟槽面管道湍流减阻性能,包括不同的沟槽深度、沟槽间距以及零压梯度和逆压梯度的阻力性能,获得最大11％的减阻效果,并对其进行了实验验证;探讨了沟槽面的减阻机理,分析结果与沟槽面平板湍流减阻的结果较一致。     

V型沟槽尖峰形状对减阻效果及流场特性影响的数值分析

采用雷诺平均N-S方程和RNG k-ε湍流模型计算V型沟槽面的湍流边界层流动和黏性阻力,研究了V型沟槽尖峰形状对减阻效果、湍流边界层内的速度分布以及沟槽壁面切应力的影响.计算结果表明,沟槽尖峰处的圆角半径越小其减阻效果越好,最大减阻率可达6.6%;沟槽斜面中下部的壁面应力随着圆角半径的减小而降低,但尖峰处的局部壁面应力会随之而增大.沟槽尖峰处生成的二次涡是产生并影响减阻效果的根本原因.     

三鱼群游流动干扰及其减阻机理的数值研究

观察研究发现,在鱼类的群游中,鱼体可以有效利用相互之间有益的干扰,减少游动阻力,增强自己的推力和游动效率。文中作者基于以往建立的动态混合网格生成方法以及不可压缩流非定常计算方法,对三鱼呈“三角”阵型排列的群游进行了数值模拟,通过对不同横向间距、不同流向间距、不同相位差等游动状态下的流场结构、力学特性的比较,分析了鱼体之间的横向干扰和流向干扰,研究了流动干扰减阻的机理。     

仿生非光滑沟槽形状对减阻效果的影响

利用有限体积法对三角形、扇贝形和刀刃形三种仿生非光滑沟槽表面流场进行了数值计算.近壁面区采用B-L两层模型,远离壁面区采用雷诺应力模型.分析了三种沟槽非光滑表面的流场特性,对计算域中心 Z＝3mm平面的速度场和湍流统计量进行了研究,分析了不同沟槽形状对减阻效果的影响,为最佳减阻沟槽设计提供了理论依据.三种沟槽具有相同的特征尺寸,顶点间距 s＝0.1mm,沟槽尖顶到谷底高度 h=0.05mm,与光滑表面相比减阻效果分别为 3.2%、9.1%、9.7%,数值计算结果和风洞与油槽实验结果有较好的吻合.     

分层流体中冰脊拖曳力的数值模拟研究

冰脊在分层流体表面的漂移运动会在内界面激发出内波,内波又会对冰脊的运动、堆积产生重要影响。利用湍流模型对冰脊在分层流体中的运行过程进行了数值模拟研究,并与已有物理模型实验结果做了比较,冰脊拖曳力和内波界面的数值模拟结果与物理实验结果吻合良好。当流场属于跨临界区时,内波的产生使冰脊拖曳力随弗劳德数Fr先增大后减小,冰脊拖曳系数随Fr的变化规律类似。当流场属于超临界区时,拖曳力随Fr增大而增大,拖曳系数不再随弗劳德数变化。当内波波峰达到最高点的时候,冰脊拖曳力达到一个峰值。     

波纹板内流体流动特性的数值模拟

以室温下的水为介质，以涡量一流函数为理论基础，运用代数变换法生成适体坐标，通过有限差分对波纹板板内流场进行了数值模拟；并以Re=500为例，求出其板内流体的速度场和压力场，进而对同一周期内和不同周期的速度场和压力场进行分析，给出了速度和压力分布变化曲线图，得出了不同雷诺数下流动阻力损失变化曲线与阻力关联式，为波纹板的强化传热研究提供了有利的参考。     

粘弹性流体平面收缩流动的数值模拟

在石油、化工、轻纺和材料等工业中，有大量粘弹性液体的流动问题。如原油升举过程和管道输送中的流动；聚合物溶液和纸浆的流动等。由于粘弹性具有复杂的流变性，实验模拟和解析求解都较困难，随着计算机和计算流体力学的发展，粘弹性流体流动的数值研究日益活跃，成为非牛顿流体研究的一个重要方向。粘弹性流体运动数值模拟的主要困难在于：当Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数和Ｗｅｉｓｓｅｎｂｅｒｇ数达到一定值以后，方程组在求解域内是混合型的，既有椭圆型区又有双曲型区［１］，已有数值计算方法只是得到小Ｒｅ数（Ｒｅ≤８）和小Ｗｅｉｓｓｅｎｂｅｒｓ数（Ｗｅ≤０．４）的结果［２］，因此，探讨这类问题的数值方法有重要的实用意义。本文在二维Ｍａｘｗｅｌｌ流体控制方程组类型分析基础上，采用类型相关格式求解原始变量方程，对粘弹性流体二维流动进行了数值模拟，得到收缩通道在Ｒｅ＝０～２０００和Ｗｅ＝０～０．８的流动结果。和已有算例比较，扩大了线性粘弹性流体的可计算范围，为进一步研究粘弹性流体三维流动的数值方法打下了基础。     

矩形容器内流体晃动的数值模拟

本文应用ＭＡＣ方法对矩形容器内一层和两层流体由水平激振所引发的晃动进行了数值模拟。计算取与容器固联的坐标系，视激振加速度为质量力，计算结果在流场的形态等方面与实验观测基本一致。     

壁面微结构流动控制技术的减阻机理研究

为了研究壁面微结构流动控制技术的减阻效应及其产生的原因,利用循环管路系统的方形管道进行了压降测定试验,并利用粒子成像测速仪测量了边界层内部结构和对应的参数。试验采用了沟槽和肋条两种不同类型的微结构壁面,每种形状的微结构各有3种不同的结构尺寸。试验研究结果表明:在一定的无量纲宽度s+范围内,6种不同的微结构壁面都具有减阻效果;减阻率随着s+的增大,呈现先增大后减小的趋势,其中沟槽壁面2的减阻效果最好,最大减阻率为9.90%;壁面微结构通过影响流场内部的涡结构、湍流脉动、雷诺切应力和平均流速等使得不同壁面微结构具有减阻效果。     

分层流体中尾流混合效应数值模拟

根据扰动源的不同,内波可分为体效应内波和尾流效应内波。体效应内波研究方面,有较为成熟的理论,尾流效应内波方面,因尾流中伴随有涡旋、湍流、剪切流以及各类不稳定性的随机现象,使得内波产生机制尚没有一致的结论。运动物体产生的尾流先后经历混合、塌陷以及振荡激发生成内波,该文针对尾流效应内波激发生成前的尾流混合过程,建立了Les-Mixture数值模型,对尾流混合进行分析并获得混合垂向区域随内弗劳德数变化的规律。     

添加网格对增强表面活性剂减阻流体传热性能的试验研究

本文应用热电偶测温系统和PIV（Particle Image Velocimetry）,激光测量系统对二维流道内添加网格后CTAC（Cetyltrimethyl Ammonium Chloride）表面活性剂减阻流体的传热性能和流动结构进行试验研究。研究表明：在完全减阻区内,减阻流体的传热性能大幅度降低;当雷诺数超过临界雷诺数后,传热性能呈指数级快速增长;网格的添加破坏了表面活性剂的胶束网状结构,在一定程度上恢复了流场的湍流强度,从而使传热效果显著增强。     

岸边溢洪道过流体形的数值模拟分析

以某大型水电站溢洪道中槽为研究对象,应用数值模拟对其体形进行分析.通过与1:40物理模型试验成果的对比表明,数值模拟能较好地对溢洪道泄流能力、分流墩后水面爬高现象、溢流堰压力特性、掺气坎空腔形态、挑流鼻坎压力特性等主要水力学参数进行模拟,且可信度较高,计算结果验证了溢流堰体形、掺气坎及挑流鼻坎体形基本可行.通过计算还表明,标准k-ε双方程紊流模型不能重现掺气设施空腔回水;VOF模型虽能对泄槽底板气相分布进行定性模拟,但不能对与掺气相关的水力参数(通气井风速、空腔负压等)进行定量计算,通气井尺寸设计需参照物理试验成果.     

微通道流体物性对流动与传热影响的数值模拟和实验研究

针对微矩形通道内单相层流流动和传热特性进行实验研究和三维数值模拟研究.微矩形通道宽为50μ m,高为200μ m,工质采用去离子水.讨论流体热物性随温度变化对流动传热特性的影响.并把实验数据、模拟结果和文献参考值比较.结果显示,恒热流边界条件下,由于热量加入导致流体温度沿流动方向升高,摩擦系数沿流动方向有递减趋鼢势.进口处的Nu数有最大值,在L*=0.2处降到最小值,之后又攀升到充分状态时的Nu数值.在充分发展段,Nu数保持不变.黏性耗散对热起始段的作用不能忽略.     

亚临界雷诺数下波浪型圆柱绕流的数值模拟及减阻研究

采用大涡模拟数值方法对亚临界雷诺数Re=3000下波浪型圆柱的绕流现象进行研究分析。研究结果表明,波浪型圆柱的三维尾迹涡结构能得到很好的控制,它在轴向方向呈现周期性正负涡的交替分布特性。随着幅值的增大,波浪型圆柱表面的自由剪切层得以延展,使得旋涡的脱落发生在波浪型圆柱下游较远处,从而达到减阻的目的。波浪型圆柱与普通直圆柱相比,其幅值对平均阻力系数及脉动升力系数的减少及尾迹控制有着更重要的影响,最大减阻可达16%。     

高分子聚合物减阻流的减阻机理及其紊动能谱

本文从粘弹性流体的Maxwell方程出发,并运用紊流随机理论,分析了高分子聚合物减阻流的减阻机理,导出了减阻流的脉动能潜分布公式。还给出了达到最佳减阻效果时所需的高分子聚合物浓度(最优减阻浓度)。     

表面活性剂减阻流体传热与阻力关系试验研究

针对在水中添加表面活性剂可以出现阻力系数减少而同时传热性能发生变化的现象,采用测压差装置和热电偶测温系统分别对二维流道内不同的减阻流体的减阻性能、传热性能进行了试验,研究了浓度、配比、雷诺数和热流密度对减阻流体传热与阻力系数之比值的影响。结果表明,表面活性剂减阻流体的传热系数考尔朋（Colburn）因子与阻力系数之比和水的情况有较大的差异;当减阻流体的减阻率稳定时,随着雷诺数的增大,考尔朋恩因子与阻力系数比值缓慢下降;达到临界雷诺数后,考尔朋因子与阻力系数之比值波动较大,并且比值迅速增大到接近没有添加减阻剂的水平。     

基于平板的气体润滑减阻数值计算研究

船舶行业的节能技术研究,是当今的一个热点,气体润滑减阻技术就是其中的一个分支。该文以平板模型为研究对象,以在空泡水筒完成的气体润滑减阻原理性验证试验为基础,展开数值计算中VOF模型和Mixture模型在此类问题中的适用性研究,分析喷气量对减阻率和气穴内空隙率分布的影响,建立了一种适用于气体润滑减阻问题的数值计算方法。     

再生混凝土疲劳损伤机理的数值模拟

基于再生混凝土内部细观结构的数字图像,建立了二维细观再生混凝土疲劳损伤有限元模型。首先,对弯折疲劳破坏后的再生混凝士弯折疲劳试件进行机械切割并对切割后的表面使用数码相机拍摄,获得截面数字图像。然后,对所获得的数字图像进行处理并对骨料和砂浆部分进行边缘检测,获得骨料和砂浆的边缘坐标,将其导入有限元分析软件,获得实体模型。最后,建立了二维细观再生混凝土疲劳损伤有限元模型,研究了再生混凝土在疲劳荷载作用下的损伤分布和应力分布的变化规律。     

高能级强夯加固机理的数值模拟

通过有限差分法,在不同土性参数、锤重、落距、底面半径等情况下进行能级为10 000 kN.m的强夯数值模拟,分析地基土土性参数、夯锤底面积、锤重等对加固效果的影响,对高能级强夯进行系统全面的加固机理研究。得出:以首击夯沉量为指标,土体参数对强夯加固效果的影响顺序为φ,ρ,ν,Es,c;在能级为10 000 kN.m时,随着夯击次数的增加,单击夯沉量逐渐减小;在能级一定的条件下,夯锤半径越小,单击和累计夯沉量越大;在第1击作用下,锤重越重,单击夯沉量越大,随着夯击次数的增加,不同锤重单击夯沉量的差别越来越小,而累计夯沉量之间的差别越来越大。