猴子岩水库色玉滑坡涌浪灾害链CFD-DEM耦合数值模拟

滑坡涌浪是一种常见的地质灾害现象,由于滑坡体与水体之间存在复杂的流固耦合作用,使得传统的单一介质模型无法进行准确求解。为此,介绍一种基于计算流体力学方法（CFD）与离散单元法（DEM）的流固耦合模型CFD–DEM,采用计算流体力学方法（CFD）求解水体流动,采用离散单元法（DEM）模拟散粒体滑坡运动,充分利用不同计算模型的优势,对滑坡及涌浪演进过程进行数值模拟分析。首先,利用该耦合模型对Robbe–Saule开展的颗粒堆积体坍塌–涌浪试验进行了相同工况下的数值计算,从颗粒坍塌运动过程、涌浪高度演化过程等方面进行对比,结果表明模拟结果与试验结果吻合很好,验证了CFD–DEM流固耦合模型的有效性。然后,将该方法应用于四川省猴子岩水库色玉滑坡–涌浪灾害的演进过程分析,重现了该事件滑坡失稳运动、涌浪产生及传播、涌浪爬升、涌浪回流的全过程,计算结果显示：计算得到的电站进水口处涌浪高度与实测数据较为接近;色玉滑坡从失稳运动至静止堆积的持续时间约为20 s,颗粒平均速度最大达到16.12 m/s;滑坡引起的涌浪约在滑坡失稳10 s后传播到对岸,之后开始沿坡面向上爬升,最大爬升高度达到27.32 m。研究表明CFD–DEM流固耦合模型能够很好地应用于模拟山区河谷大规模滑坡涌浪灾害,可为库区防灾减灾提供高效的技术支持。     

滑坡–堵江–涌浪灾害链模拟的DEM–CFD耦合分析方法及其应用

滑坡-堵江-涌浪灾害链的演化过程涉及复杂的滑坡-河流相互作用。为了真实再现这一演进过程,本文提出了一种扩展的离散元法（DEM）与计算流体动力学（CFD）耦合数值方法,通过在局部平均DEM-CFD耦合方法中引入流体体积法（VOF）建立了一套能够描述河流自由水面演化的扩展DEM-CFD耦合数值框架,实现了对滑坡涌浪形成及传播过程的追踪;并提出了一种新的局部孔隙率计算方法即虚拟球模型,来克服网格颗粒临界尺寸比的限制,从而实现复杂地形建模要求;进一步通过多个典型算例验证其准确性和有效性。在此基础上,开展了滑坡-堵江-涌浪灾害链演化模拟,并应用至白格滑坡坝形成过程复演,深入分析了滑坡-河流动态演化过程及耦合作用机理。结果表明：所提出的方法能够准确模拟滑坡-河流相互作用;滑坡-河流-河谷地形的耦合作用驱动了灾害演化,滑坡体驱动了涌浪的传播,而河流则增加了滑坡体的动能耗散,且对其沉积过程在河流流向上产生相反影响;模拟得到的白格滑坡运移路径、沉积形态及涌浪侵蚀面积与实地调查结果吻合度较高,成功再现了2018年10月11日白格滑坡堵江事件。本文所提出的扩展DEM-CFD耦合数值方法为深入研究滑坡-堵江-涌浪灾害链演化机制提供了有力的数值工具,对于灾害预测及防灾减灾策略的制定具有一定的参考价值。     

滑坡涌浪诱发冰湖溃决灾害链过程分析与模拟

近年来滑坡诱发冰湖溃决灾害链发生频率日趋增加,对下游居民及工程设施安全造成严重威胁。为定量描述滑坡诱发冰湖溃决灾害链危害,通过系统分析该灾害链的演化过程及阶段特征,将其划分为四个子阶段：滑坡运动、涌浪传播、冰湖溃决、洪水传播;分别研究各子阶段演化的物理机理及关键因子,建立了相应的数学模型与计算方法,如滑坡运动采用Savage-Hutter模型、涌浪及洪水传播采用浅水波方程等;通过确定各子阶段之间的衔接因子,如滑坡运动特征、涌浪传播特征、坝体溃决特征等,实现了各子阶段的过程耦合与数据传递,建立了滑坡-涌浪-冰湖溃决-洪水灾害链的全过程物理模型,最终完成了该灾害链的过程模拟与危险分析。为验证所建立模型与计算方法的可行性,以四川省甘孜藏族自治州雅拉乡木格措冰湖潜在灾害链为案例,结合现场勘查与卫星影像数据,开展不同情境如暴雨或上下游级联溃决等条件下灾害链的过程模拟与危险分析,且将模拟结果与经验公式计算数据进行对比。结果表明,本文所提方法可较好的完成滑坡诱发冰湖溃决灾害链过程模拟,模型模拟数据与经验公式计算数据较为吻合,且考虑暴雨或上下游级联溃决条件时下游洪水流量呈显著增加趋势。本文研究成果提供了一种新的滑坡诱发冰湖溃决灾害链研究思路,对该灾害链的防灾减灾技术具有重要支撑作用。     

金属压型板屋顶通风层隔热的数值模拟

为了研究金属压型板通风层屋顶的隔热性能,验证采用数值方法来研究屋顶隔热的可行性,通过计算流体力学(CFD)软件对金属压型板屋顶模型进行数值模拟计算.基于建立的数值模型,按照不同的影响因素分为3个工况,计算和分析每个工况通风层内空气速度、温度场及带走的热量,对比金属压型板屋顶模型在不同条件下的隔热效果,研究加热温度、倾斜角、是否通风等因素对屋顶隔热性能的影响并分析误差.计算表明数值结果与实验数据吻合良好,当保持良好通风状态时,加热温度越高,倾斜角越大,则金属压型板屋顶的隔热效果越好.     

紫外消毒数值模拟及生物验证

为建立紫外消毒系统优化方法,基于光强分布、流场分布、当量剂量求解,开展紫外消毒的数值模拟,针对腔体式紫外消毒反应器,在80%～95%透光率和240～600 L/h流量条件下对模型进行生物验证.结果表明：该模型能够较准确地预测消毒效果,当量剂量模拟结果与实验结果在不同条件下相差3%～12%.有效剂量随处理流量的增加而降低...     

金沙江沃达潜在滑坡诱发灾害链成灾过程数值模拟

在青藏高原及其周边山区,滑坡通常具有规模大、流动性强、危害严重等特点,并以灾害链的形式形成巨灾,灾害链通过时间和空间上的大幅延拓极大地增加灾害的危害性。针对滑坡-堰塞湖-溃决洪水灾害链成灾特点,根据其运动演进物理过程划分为三个阶段：滑坡运动阶段、滑坡堵江阶段、堰塞湖溃决阶段,分别研究各演进阶段物理机理、动力学模型与高效算法,各阶段之间通过数据链进行传递,进而实现滑坡-堰塞湖-溃决洪水运动演进全程计算模拟和预测。最后以金沙江沃达滑坡潜在灾害链为案例,实现了灾害链成灾全过程模拟与预测评价,研究成果对灾害链防灾减灾具有重要支撑作用。     

半导体冷箱制冷性能的数值模拟

建立了三维稳态计算模型,应用CFD软件模拟计算1台半导体冷箱样机在运行稳定后工作空间的温度场。通过数值计算得到实验工况的温度场,并且通过实验测量冷箱工作空间内6个特定点的温度值,测点的计算值与实测值能够较好地吻合验证了计算模型的准确性。在冷端分别采用强迫风冷换热、自然对流换热方式条件下,模拟计算冷端布置于5个不同位置时冷箱工作空间的温度场,这5个位置分别是冷箱内后侧壁的1/4,1/2,3/4高度(同时,在与高度垂直的另一个方向上,位于尺寸中心处),左侧壁中心位置以及顶部中心位置处。通过对各种情况下温度分布图的对比分析,认为冷端无论采用强迫风冷换热还是自然对流换热方式,将冷端布置在顶部中心位置均可使得温度分布最佳,同时肯定了在冷端装设风扇的必要性。     

建筑物风荷载环境数值模拟研究

应用FLUENT软件的数值模拟方法,进行了单体建筑环境下的风效应仿真计算,模拟了单个建筑物的三维流场及表面风压系数,将数值模拟结果与实例风洞试验进行对比,验证了数值模拟分析结果的有效性和可行性,并在此基础上研究了风荷载环境的影响因素.     

单沉浸管流化床内离散颗粒数值模拟

基于FLUENT软件信息传递模式的多点接口(MPI)并行计算平台,在二次开发框架内通过用户自定义函数(UDFs)文件发展计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)耦合并行算法.该算法具有随计算节点数增加的良好扩展性能和加速性能.采用该算法数值模拟了单沉浸管流化床内的颗粒混合过程,揭示了气固两相的运动特性和颗粒混合机制,考察了沉浸管的磨损特性.结果表明:沉浸管引起床内气泡的聚并和破碎,气泡主要绕沉浸管而非沿两侧壁向上移动,随着表观气速的增加,气相流场沿径向的分布更加均匀;颗粒宏观流动结构与分布呈现出明显的径向非均匀特性;沉浸管的存在和表观气速的增加均有助于颗粒混合,使颗粒达到完全混合的时间减少;颗粒撞击管壁的频次和冲刷速度是造成沉浸管磨损的主要原因.     

基于CFD模拟的禽合内气流组织方式优化

在全球变暖的气候变化中,蛋鸡的热应激爆发使鸡蛋的生产率降低,传统通风方式即上送侧回通风方式所提供的环境已无法满足需要.大规模的鸡舍需要新型通风方式,以提供安全和均匀的室内环境,舒适的环境会给蛋鸡的采食和产蛋带来巨大收益.本文采用了一种新型通风方式即置换通风方式,该方式可使新鲜的空气经位于笼子底部的进风口进入到蛋鸡舍内,...     

基于CFD/CSD耦合算法的机翼颤振分析

用计算流体力学/计算结构力学(CFD/CSD)耦合算法对标准气动弹性模型AGARD445.6机翼作了颤振分析,主要研究机翼的跨音速颤振求解问题.采用常体积转换法(CVT)进行流体与结构之间的数据交换并运用松耦合方法对气动弹性方程进行时域推进仿真.计算机翼在Ma=0.499～1.072的颤振边界,并将计算结果同偶极子格网法(DLM)的计算结果与试验结果比较,结果显示CFD/CSD耦合计算结果较DLM计算结果更接近于试验值,尤其是在非线性强的跨音速区域.可见,CFD/CSD耦合计算比DLM具有很大的优越性.     

模拟准脆性材料热开裂的热力耦合格构离散单元法

针对准脆性材料的热传导与热开裂问题,基于格构离散单元法（LDEM）提出新的热力耦合数值模型. 通过格构离散体系与连续体传热过程的等效换算,结合格构单元的线膨胀公式,在LDEM中实现温度传导与裂纹扩展的数值模拟. 以平板的热传导与热弹性应力问题、由温度梯度与热失配引起的开裂问题为例,验证所提模型. 将所提模型应用于细观混凝土温度?应力试验的数值模拟中. 结果表明,LDEM热力耦合模型能够有效模拟准脆性材料的热传导过程、在温度影响下的裂纹萌生与扩展,是研究准脆性材料热开裂过程与机理的有力工具.     

离心喷嘴内部流动与液膜初级破碎的耦合模拟

了更准确地预测喷射特性,揭示喷嘴结构对雾化过程的影响,采用VOF多相流模型和大涡模拟湍流模型对航空发动机离心喷嘴内部流动和液膜破碎过程进行了耦合的CFD模拟,捕获了清晰的气液相界面以及油膜的不稳定波和初级破碎现象.模拟结果表明：供油流量增大时油膜的破碎形态由波浪式破碎和轮缘破碎变成穿孔式破碎,这主要是由于喷嘴结构造成的周向扰动对液膜破碎过程产生了较大影响、使液膜破碎长度缩短的缘故.数值计算的喷雾锥角和油膜破碎长度分别与实验测量值和半经验公式计算值符合良好.     

曳力模型对喷动床气固两相流数值模拟结果影响的介尺度分析

为探究不同曳力模型在喷动床稠密气固两相流数值研究中的适用性及准确性,基于开发的介尺度格子玻尔兹曼-离散单元法(LBM-DEM)耦合流动程序,分别采用Syamlal-O’Brien、Gidaspow、EMMS三种曳力模型对微型喷动床进行了数值模拟。比较分析了不同曳力模型下的结果差异,并通过实验验证了各模型预测结果的准确性。研究表明：三种曳力模型都能完整展现喷动床内气泡演化及颗粒流化的全过程,其中EMMS模型的整体预测结果与实验值最相吻合,能较好展现床内非均匀流化过程的细节,模型整体适用性最好;Gidaspow模型在均质流态的气泡演化过程中更具优势;Syamlal-O’Brien模型所计算的曳力值始终偏高,需注意规避可能引起的边壁效应影响。以上研究结果及方法可为广泛领域稠密流体-颗粒两相系统研究提供参考。     

冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害链发展过程机理与模拟技术研究构想（特约稿）

青藏高原区域滑坡-泥石流-堰塞湖灾害频繁发生,灾害损失巨大,与之相关的科学研究一直是国内外研究的热点和难点。我国在堰塞湖减灾领域已经积累了丰富的实践经验,但是冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害演化过程非常复杂,涉及众多的物理力学机制和学科理论,复杂气象条件下冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖的动力形成机制、溃决冲刷及洪水演进灾害链的全过程演化分析与数值模拟方面尚需进一步研究。揭示冰碛土滑坡-泥石流-堰塞坝的链生放大机制和冰碛土堰塞湖溃决演进的动力灾变机理是实现冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害有效防控的关键,结合国内外冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖形成与溃决的相关研究现状,提出了冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害需要关注的几个重要研究方面：(1) 复杂气象条件下冰碛土力学性能演化;(2) 冰碛土滑坡-泥石流动力灾变过程与运移模型;(3) 冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖形成机理与仿真模拟;(4) 冰碛土堰塞坝冲刷溃决机理与流道拓展过程;(5) 下游河道水沙互馈作用机制与洪水演进模拟。并开展了大量前期探索和研究工作,初步揭示了冰碛土滑坡-泥石流运移与多期堵江机制,构建了能考虑水流侵蚀与溃口边坡间歇性崩塌的堰塞坝溃决演化模型,并探讨了冰碛土-滑坡-泥石流-堰塞坝灾害链演化过程模拟方法。研究结果为进一步弄清冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害链过程的复杂动力学机制、构建灾害链过程的控制性理论模型、开发全过程数值模拟系统奠定了基础,以期为冰碛土滑坡-泥石流-堰塞湖灾害链的成灾机理分析提供理论依据及为非工程避险与应急处置决策提供技术支撑。     

直喷式柴油发动机的湍流燃烧模拟

针对直喷式柴油发动机燃烧后散发的有害物(碳烟和Nox),提出了有代表性的小火焰(RIF)模型,用来进行三维模拟湍流燃烧. 此模型根据湍流火焰可看成极细小的,极小空间的一维小火焰的假设,提供了一种将湍流化学反应场和湍流运动场分离开的方法. 此模型通过引入混和比分数Z参数空间坐标,将复杂的湍流燃烧坐标系转化到Z参数坐标系下,推导出相应的小火焰方程. 此模型先输入有代表性小火焰方程的一系列参数,然后与计算流体动力学的程序(KIVA-3V)连接计算出各种物质的混合比分数,利用混合比分数的联合概率密度函数计算出燃烧后各种物质(主要是有害物质)的组成比例.