基于格子Boltzmann方法的液压激振管道压力冲击的研究

为研究液压激振管道的压力冲击问题,引入一种基于介观粒子的格子Boltzmann方法,建立液压激振管道的多松弛格子演化模型,模拟阀门关闭引起的管道压力冲击;在不同阀门关闭时间、不同流速变化条件下,分析管道压力冲击的变化规律以及管道中速度场对压力的影响。仿真分析结果表明:关阀时间与管道压力波周期的关系是影响管道压力冲击的根本原因;通过与传统有限体积法的模拟结果进行对比,得出格子Boltzmann方法能较好地模拟液压激振中管道的压力冲击,与传统方法模拟结果有较好的一致性,且格子方法的运算效率更高;速度场的分析表明,速度瞬变是压力瞬变的根本原因。两种分析方法对比表明,格子Boltzmann方法方法具有易于编程实现、计算效率高等特点,可以应用于复杂液压激振系统的分析研究。     

高频交变压力下先导式溢流阀响应特性研究

为研究液压激振系统中高频交变压力下先导式溢流阀的响应特性,建立了先导式溢流阀数学模型和AMEsim仿真模型,仿真研究了高频交变压力下先导式溢流阀开启情况,并进行试验对比研究。仿真结果表明：交变压力下先导式溢流阀主阀口存在异常开启现象,增大了系统能量损失;主阀口异常开启量随交变压力幅值增大而增大;当交变压力频率达到200 Hz时,溢流阀主阀口未出现异常开启。试验结果与仿真结果基本吻合。研究结果对高频交变压力下先导式溢流阀的使用有重要的理论指导意义和实际工程意义。     

基于格子Boltzmann方法的起落架阻尼油孔参数研究

为了分析起落架缓冲器油孔阻尼特性，采用格子Boltzmann方法分析油孔几何参数和工作环境参数对油液流动特性的影响，基于单参数分析结果和最小二乘法，建立并验证了阻尼力回归方程。结果表明，格子Boltzmann方法可以准确分析油孔阻尼性能。油孔长度会改变流动最小收缩截面在油孔中的位置，油孔直径在有限区间内的变化对缩流系数影响很小，后端压力增大会改善油孔流动质量。回归方程在设计区间内可以可靠的预测阻尼力大小，该方法可以被用于一般性的起落架缓冲器油孔设计中。     

桥梁气动导数的格子Boltzmann大涡模拟仿真

为将格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method, LBM)用于桥梁气动导数的识别,该文将壁面自适应局部(Wall-Adapting Local Eddy, WALE)涡黏性模型引入到多松弛时间格式(Multiple Relaxation Time,MRT)的LBM中,构造了一种能够有效模拟桥梁结构高雷诺数绕流的LBM大涡模拟方法—MRT-LBM-WALE。采用MRT-LBM-WALE和动边界技术驱动主梁断面在流场中做正弦竖向或扭转振动,在虚拟风洞中实现了强迫振动法识别气动导数的LBM仿真。利用方柱非定常绕流问题验证MRT-LBM-WALE的可靠性后,对理想平板和Great Belt东桥的气动导数进行了计算。研究证明MRT-LBM-WALE能够得到近壁面上真实的亚格子涡黏性,可以准确地预测湍流流动的发展。同时,研究表明气动导数的MRT-LBM-WALE仿真值与理论解或试验值吻合较好。     

亚格子尺度湍流特性研究

采用大涡模拟方法模拟了雷诺数ReH=18,400的后台阶湍流流动,研究了亚格子尺度湍流动能和湍流耗散的特性。给出了后台阶湍流流动的流场结构以及亚格子湍动能和亚格子湍耗散的空间分布结果,比较了大涡模拟预报湍流粘性以及等效计算粘性。研究表明,亚格子尺度湍动能和亚格子湍耗散随着流动在空间的发展而呈现减弱趋势,回流区内亚格子湍动能和耗散较弱;在台阶截面(y/H=1处)亚格子湍动能和耗散最大。亚格子湍动能小于脉动动能统计量,亚格子粘性小于等效湍流模型粘性预报结果。     

新型负载敏感平衡阀设计与装机试验

介绍了一种带折叠臂架的机械用新型负载敏感平衡阀,对其工作原理及结构特点进行了详细阐述.平衡阀芯采用节流孔组合的节流形式,借助MATLAB对节流口过流面积特性曲线进行拟合,当负载压力改变时,通过控制平衡阀芯位移,调节过流面积,达到稳定流量的目的.上述设计使得该阀不仅具有多级调节功能,而且负载敏感性得到提升.为了测试该阀在实际应用环境下的性能,在混凝土泵车上进行了装机试验.结果表明:该阀控制压力低,降低了系统功耗,负载敏感特性表现良好;臂架运行平稳,稳定性得到提升.     

流致涡激振动压电发电风能采集技术模拟研究

为了实现风能驱动压电能量采集器振动发电,给野外生态环境检测传感器长期供能。研究流致涡激振动将层流风能转换为高频振动,提高压电发电效率。基于ANSYS软件流场分析的CFD数值仿真分析软件建立涡激振动尾流区域流场压电俘能发电模型。设置多个流场激振特性监测点,分析流经钝体产生的涡街脱落尾流区空气压强,模拟波动气压驱动压电振动发电输出特性。采用三种钝体结构分析不同风速作用下钝体尾流区域漩涡脱落特性,研究钝体尾流区压力变化情况,优化系统气流动态特性,获取最佳能量采集区域。将涡激振动引起的波动空气流场与聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)压电薄膜结构结合,分析流致涡激压电薄膜振动变形特性与和输出电能。结果表明：尾流区域各点振动强度存在较大差别;风速增加,涡激振动频率增显著加;三角形钝体尾流区涡激振动强度较高,压电发电输出能量提高。     

大涡模拟在旋流沉砂池中的应用研究

旋流沉砂池内高浓度砂石废水的大涡模拟研究,不仅可以揭示旋流沉砂池内复杂流态的瞬时演变,而且能够实现水电工程砂石系统生产废水的达标处理,具有重要的理论与环保意义。该文采用分子动理学方法,从颗粒间相互作用的微观特性角度出发,得到了合理描述高浓度下颗粒间碰撞项的耦合VOF(Volume of Fluid)法的LES-Lagrangian高浓度气-液-固多相流大涡数学模型,亚格子应力采用Smagorinsky亚格子模型封闭,并运用滑移网格技术实现旋流沉砂池内桨叶转动区域的模拟。对西南某水电工程砂石废水处理小试试验的二级旋流沉砂池内湍流场瞬时变化进行了精细模拟;实现了对旋流沉砂池的自由液面以及砂石颗粒运动轨迹的追踪;并讨论了搅拌桨转速对旋流沉砂池内水相、颗粒相的影响,得出旋流沉砂池的最佳桨叶转速为30r/min。同时,将大涡模拟与雷诺时均紊流模型进行了比较,表明大涡模拟可以揭示更为精细的湍流涡结构演变。     

Smagorinsky 常数对扁平箱梁气动特性大涡模拟的影响研究

作为大涡模拟（LES）的唯一模型参数,经验 Smagorinsky 常数（CS）与特定的流动条件有关。为研究扁平箱梁气动特性 LES 的合理 CS取值,开展了 CS值在 0.032~0.7 范围以及动态亚格子黏性模型的多工况 LES 模拟,通过与风洞试验结果的对比,分析了主梁气动特性随 CS值的变化。研究认为：CS值不同时主梁表面压力和气动力的平均值差别不明显,其结果也与风洞试验吻合良好;但 CS值的变化对主梁表面压力和气动力的均方根（RMS）值影响明显,结果也与风洞试验存在较大差异,CS值增大导致气动力脉动降低甚至无脉动;LES 采用动态亚格子黏性模型无法给出主梁涡脱和表面压力的合理估计。在 0.064≤CS≤0.27 区间,LES 均能给出与风洞试验一致的主梁涡脱单频和 St值估计;从捕捉流动的非定常特性考虑,建议 CS在上述范围内取小值。研究认为,CS增大导致亚格子湍流黏性增大,流动的耗散作用增强,降低了 LES 对非定常湍流特性的捕捉能力,导致模拟的气动力脉动量减小。     

基于MEMS技术的SU-8胶被动微阀片的设计与研制

为解决微流体在微流控芯片上的单向流动,进而实现生化反应的片上系统,采用微机电系统（MEMS）技术加工出SU-8胶微型阀片．SU-8胶阀片具有弹性模量和弹性常数低、开启压力小、反向泄漏小、易于加工等特点．从理论上分析了不同厚度（10μm,15μm,20μm,25μm）的微型阀片在不同压力作用下的挠度和应力分布,在相同尺寸和压力下,SU-8微阀片的挠度与传统的硅阀片的挠度相比要大10倍左右．讨论了有阻尼作用下的谐振频率以及过流特性。可知阀臂和阀座的尺寸是影响阀片性能的主要因素．给出了加工工艺,测试了阀片的正反向过流性能,以水作为工作物质,得到3种厚度阀片的过流曲线,其最大正向流速达到7000μL／min．     

基于蜂群算法的等压灌装阀阀口流道结构优化

目的为了改善等压灌装阀的灌装性能,分析阀口流道结构参数对液料流场的影响,求解流道内最大压力损失、最大液料流速和最大湍动能均最小化的约束多目标优化问题。方法基于正交试验设计和Fluent流场仿真软件对灌装阀阀口流道流场进行数值模拟,并通过回归分析建立以阀口流道结构参数为自变量的最大压力损失、最大液料流速和最大湍动能的经验方程,进而建立阀口流道结构参数约束多目标优化模型,采用约束多目标人工蜂群算法对优化模型进行求解。结果流道内最大压力损失最小化、最大液料流速最小化和最大湍动能最小化这3个目标之间存在冲突,无法同时达到最优,基于多目标人工蜂群算法获得了阀口流道结构参数的最优Pareto解集。结论约束多目标人工蜂群算法能有效用于等压灌装阀阀口流道结构参数的优化。     

稳涡器提升旋风分离器性能的流场分析

为了提高旋风分离器分离效率,采用实验和CFD模拟相结合的方法,研究稳涡器的轴向位置对旋风分离器气固两相流动特性和分离性能的影响,探讨稳涡器抑制颗粒返混逃逸机制的形成。结果表明:稳涡器的设置降低轴线附近气流的轴向速度,加深气流的滞流程度,抑制颗粒的返混和逃逸,强化返混颗粒的二次分离作用,提高颗粒的分离效率;稳涡器轴向位置较高时,排尘口截面的通流面积小,下行气流阻力大,运行压降大;当稳涡器顶部与排尘口等高时,轴线附近的轴向速度降幅最大,返混逃逸颗粒数量减少25%～50%,分离效率最高。     

三角分布的海洋立管涡激振动数值分析

基于格子Boltzmann粒子网格技术,采用XFlow求解器对三角分布的海洋立管进行涡激振动数值模拟。运用二阶范德波尔方程描述二维圆柱横向单自由度涡激振动,研究了三圆柱间距比及来流约化速度对圆柱涡激振动特性的影响,圆柱间距比取L/D=0.5、2.0、4.0,来流约化速度为U_(r )=1～9;分析了圆柱涡激振动的振幅、升阻力系数特性及圆柱尾流中旋涡脱落模式。结果表明:圆柱间距比为L/D=0.5、2.0、4.0时对应的上游圆柱涡激振动的锁振区间分别为U_(r )=3.5～7.0、3.5～7.5、3.5～6.0,最大振幅分别为Y_(rms)/D=0.372, 0.546, 0.470。间距比过大或过小时,其流体流动模式分别受接近效应和尾流效应的影响,中间间距比时,在非锁振区间内,其流体流动模式受两者组合效应的共同影响,在锁振区间,其流体流动模式同大间距比一样主要受尾流效应的影响;流体干涉效应的变化对圆柱升阻力系数的变化起着重要的作用,不同间距比,圆柱升阻力系数的变化趋势相似。     

基于FDS大涡模拟的工业建筑喷射火模拟分析

为探究工业建筑中储罐喷射火的影响,根据工业火灾燃烧特性,采用数值模拟的方法对开放环境的喷射火灾进行模拟。首先利用FDS大涡模拟验证喷射火经验模型。然后利用FDS大涡模拟不同风速下某企业储罐喷射火焰的发展过程以及对相邻建筑的影响。对比不同火灾场景下的模拟结果,分析喷射火焰的变化和对相邻建筑造成的热辐射、温度的变化。结果表明,FDS大涡模拟与喷射火经验模型吻合,热辐射强度相对误差随着离泄露口距离增大而减小。随着风速的增大,喷射火受到的扰动增强,喷射火对沿喷射方向建筑的影响逐渐减弱,企业要加强对极端天气的防范和建筑间的合理布局。     

振荡冲击器工作性能理论分析及其结构优化

针对国内外近几年来主要使用振荡冲击器来提高机械钻速,对此类工具的工作性能进行了理论研究并提出了它在工程技术应用中的结构优化方法。在对振荡冲击器的结构及工作原理进行分析的基础上,首次将瞬变流理论引入并建立了水力脉冲波动压力模型,利用MATLAB软件进行了振荡冲击器水力脉冲数值模拟计算,进而分析了不同因素对振动冲击性能的影响。得出了关键零部件--盘阀的过流面积变化特性,以及盘阀偏心距e和过流孔半径r对振荡冲击器性能影响规律。建立了该工具产生振动冲击的目标函数,并给出了水力脉冲装置优化步骤。在此基础上,加工了工具的样机,并进行了室内试验。试验验证了振荡冲击器的设计合理性、理论分析的有效性和数值计算的准确性。研究结果为水力脉冲工具优化提供指导意义,并为振荡冲击器在钻井现场应用提供理论支撑。     

基于风洞试验和数值模拟的双矩形断面涡振气动干扰研究

采用节段模型风洞试验和CFD数值模拟对宽高比为5∶1的双幅矩形断面涡振气动干扰进行了研究。分析了不同水平间距对双矩形断面竖弯和扭转涡振响应的影响。在水平间距比为1.2时进行了动态压力测试,并分别对竖弯和扭转涡振风速下的脉动风压场进行POD分析。结果表明双矩形断面间存在显著的气动干扰,且一般而言下游断面的涡振响应大于上游断面。前两阶本征模态与双矩形断面涡振相关联,由前两阶本征模态可重构脉动风压场。CFD数值模拟的结果表明双矩形断面的涡振符合“撞击剪切层失稳机制”,且一个周期内上游断面下风向以及下游断面上风向区域的流动变化较为显著。CFD模拟与POD分析的结果相符合,两者相结合可用于分析双矩形断面的涡振现象。     

新型大流量三通压力补偿阀的设计与研究

针对定量泵液压系统LUDV多路阀内压力补偿阀流量小的问题,采用单通道双溢流的方法,设计出一种新型大流量三通压力补偿阀;经理论计算,设计了该补偿阀的关键结构参数。通过AMESim仿真和实验研究证明了该阀在大流量工况下具有较好的压力卸荷特性及压力补偿特性,其流量可达到400L/min,卸荷压力降到3MPa以下,满足工程机械定量泵液压系统大流量的使用要求。     

高压喷嘴空化初生的大涡模拟

考虑瞬时压力脉动对空化初生的影响,采用动态亚格子应力模型对某高压柴油喷嘴内部瞬时流动进行大涡模拟。计算结果表明:喷孔入口分离形成的局部低压区内时均湍流脉动压力可达时均静压的2倍,两相流场时均空泡位置及形态与实验结果十分吻合,并与基于时均静压及湍流脉动压力预测的空化初生区域基本一致。分离剪切层失稳形成柱状涡并激发了转捩过程,在分离转捩区域柱状涡发生扭曲变形并产生强烈的瞬时压力脉动,从而导致了空化。喷孔入口倒角处理使得分离减弱,对分离转捩过程和空化初生具有抑制作用。     

模拟海深条件下提升阀流动特性的实验研究

水压传动技术应用于深海环境可以直接从海洋中吸水加压，高压水作功之后可以直接排入海洋，不需要水箱和回水管道，大大简化了系统，具有独特的优势。然而，在深海作业时，液压元件的工况同陆地相比有较大的差异，海深压力相当于在元件出口加了一个背压。文中用背压来模拟海水压力，对以水作介质时背压对提升阀口流量特性的影响进行了实验研究。研究结果表明，背压使得流量饱和更容易发生；有背压时的流量系数比没有背压时的流量系数大；当阀芯和阀座有叠合时，背压对阀口流量特性的影响比阀芯和阀座没有叠合时的影响大。     

混流式水轮机小开度下导水机构内湍流特性和叶道涡结构研究

为准确捕捉小开度流动的瞬态湍流特性,充分了解流场结构,采用滑移网格技术以及基于Vreman亚格子模型的全局动态大涡模拟方法,不仅得到混流式水轮机全流道内速度、压力以及涡量的分布,同时捕捉到了活动导叶周围独特的流动形式和叶道涡的时空演化。计算结果表明:当高转速、小开度工况时,流道内流体的圆周速度占有绝对优势,加强了导叶后尾迹涡的相互影响,致使流道中发生更为剧烈和复杂的漩涡、脱流等各种水力不稳定现象。从蜗壳到转轮室的压力脉动均以低频为主,主要的频率能量成分基本相同,说明小开度低频异常振动与压力波的传递有关。叶道涡是致使叶片疲劳破坏的主要因素。