多孔介质对封闭腔体内对流传热传质的影响

利用两区域法,其中在多孔介质区域利用Forheimer-Brinkman-Darcy方程,纯流体区域使用Navier-Stokes方程对部分填充多孔介质的二维封闭腔体内的自然对流传热传质进行数值研究。采用有限元法辅之以流体与多孔介质交界面上的连续性弱约束条件对两区域方程进行求解,分析了多孔介质厚度、渗透率及孔隙率的变化对封闭腔体内传热传质的影响。数值结果表明:当多孔介质厚度小于0.2时,其厚度的增加可明显削弱传热传质;大于0.2时,其影响明显减弱。渗透率从10^-3降低至10^-6时,腔体中流动减弱,导致平均传热传质速率降低。随孔隙率增加平均传热传质速率近似线性增加。     

导热壁面对三角形多孔腔体内自然对流的影响

采用有限元方法,数值模拟二维三角形多孔介质腔体内的自然对流及其相伴随的传热,着重分析热瑞利数、导热固体壁面厚度、固体壁面与多孔介质导热系数之比及三角形腔体高宽比对腔体内自然对流的影响.     

基于格子Boltzmann方法预测多孔介质的渗透率

多孔介质内的流动涉及许多工程应用.文章采用不可压缩的格子Boltzmann模型对多孔介质中的流场进行数值模拟,从微细尺度上得到多孔介质的结构特性及分布情况;同时,获得了多孔介质的渗透率与孔隙率近似成指数的变化关系.根据达西定律和格子Boltzmann方法进行数值模拟,成功获得多孔介质的渗透率,为有效研究孔隙尺度下的渗流问题提供了方法,同时为多孔介质的工程应用及理论研究提供了依据.     

液体激光器中温度分布的耦合分析

介质的流动改善了液体激光器温度分布的均匀性,起到了自我冷却、减小热效应的作用。应用有限单元法,对单侧泵浦液体激光器工作时涉及的传热和流动过程,进行热-流-固耦合分析,完成对液体介质温度场的数值模拟,并研究了介质流速对温度场的影响。研究结果可为改善液体激光器的冷却效果提供指导。     

多孔介质等效导热系数研究进展

多孔介质凭其轻质、隔热性能好的优点,在高超声速飞行器热防护系统中具有重要的应用价值,通常可以借助等效导热系数来评价其传热性能.多孔介质内部微观结构存在复杂性、随机性,对多孔介质等效导热系数的研究通常包括实验研究、理论分析和数值模拟三个方面.文中从实验研究开始综述,由于材料的结构和传热的方式不同,研究多孔介质等效导热系数...     

多孔介质对室内有机挥发物扩散的影响

为了研究存在于多孔壁面的封闭腔体中温度、挥发性有机化合物( VOCs)质量浓度的分布特征,本文根据不可逆过程热力学基本原理,建立复合腔体内热质传递的数学模型.采用有限元数值计算方法对控制模型进行求解,得到不同达西数下复合腔体内流场、温度场和VOCs质量浓度场的分布特性.研究表明因多孔介质的存在,系统内的传热传质速度明显降低,而当多孔壁面的渗透率很低(相当于不可渗透壁面)时,传热传质速率降至最低.     

基于LBM的通道内多孔介质交界面滑移效应研究

多孔介质与流体所构成复合区域内流体流动现象在自然界及社会许多行业之中广泛存在,研究含多孔介质通道内流体流动的问题具有重要意义。文章基于格子Boltzmann方法对局部填充多孔介质的通道内流体流动进行模拟,研究了不同工况条件下对多孔介质区域与纯流体交界面处的滑移效应变化规律,并采用编程进行数值模拟及结果验证,分析了不同Re数和孔隙率对多孔介质区域与纯流体交界面处的滑移效应。结果表明:速度滑移系数α始终为正,应力滑移系数β始终为负值;速度滑移系数α和应力滑移系数β的数值随Re数和孔隙率ε增大时的变化趋势不同,但滑移效应的变化趋势相同,即速度滑移效应和应力滑移效应都随Re数的增大而增强,随孔隙率ε的增大而减弱。     

分形多孔介质的流动与传热格子Boltzmann模拟

针对多孔介质内孔隙的尺寸、分布及连通性等结构方面的复杂性和随机性,采用分形谢尔宾斯基地毯模型来实现不同孔隙率及孔隙构造,并利用双分布热耦合格子Boltzmann模型对工质的流动与传热过程进行了数值模拟。在此基础上,研究了同一孔隙结构物理模型下孔隙率和压降对渗透率的影响,探讨了同一孔隙率下压降与不同固相基质结构入口流量之间的关系,并探究了固相基质的热导率及孔隙结构在孔隙流动与传热过程所起的作用。结果显示：建立的数值计算模型能正确地描述多孔介质内的流场及温度场;不同孔隙结构及孔隙率的流线与速度云图反映了多孔介质内流线及流速的分布特征;通过增大压降及孔隙率,能够使渗透率得到提高;不同导热比及孔隙结构类型下的温度分布特征及其随时间的变化规律,能够为强化航空航天领域中相变储能材料的导热性能分析提供理论参考。     

多孔介质内流体流动的大涡格子Boltzmann方法研究

为研究多孔介质内流动随Re数变化的特点,采用结合Smagorinsky亚格子模型的格子Boltzmann方法(LES-LBM)对多孔介质内流动进行了数值模拟.结果表明：多孔介质内的单相流动在高Re数时会表现出复杂的非线性现象;LES-LBM克服了传统LBGK方法模拟高Re数流动时容易产生数值不稳定的缺点,能清晰地描述出多孔介质内流动存在的3个区域,即低速时的线性达西区、过渡区和高速时的非线性二次区;不同Re下的流线图还说明微观的惯性作用最终导致了多孔介质宏观上的非线性现象,多孔介质流动呈现明显的多尺度特征.进一步分析计算结果可以证明：LES-LBM方法能准确地验证Darcy-Forchhimer阻力方程,Darcy-Forchhimer总阻力随Re数增加而增加,随孔隙率增加而减小,并且小孔隙率下的Forchhimer阻力占总阻力比例小于大孔隙率时的比例.     

干式排渣系统流动特性的数值模拟研究

针对某电厂600MW机组的干式排渣系统,运用计算流体力学的方法对其流动特性进行数值模拟研究。将排渣机钢带上的渣层近似简化处理为多孔介质,并合理简化了设备结构。模拟结果表明,数值模拟结果可以较好地反映排渣机内部的流动情况,与现场实际情况较好吻合,为排渣机的传热特性研究和改造选型提供了基础。     

电除尘器内斜气流特性的数值研究

采用多孔介质模型对电除尘器电场内部气流分布特性进行研究,调整气流分布板不同区域开孔率分布,并改变电除尘器本体结构,计算对应工况下电除尘器内部流场压力速度分布,对计算结果进行比较分析,提出最佳斜气流优化方案。结果表明:在进口烟道与电场入口之间加装三块不同开孔率的气流分布板,减小第三块气流分布板最底层的开孔率,可以形成有规律的斜气流,开孔率分布直接影响电除尘器内部斜气流特性。在调整后的开孔率分布下,改变电除尘器本体结构,使入口烟道低于出口烟道,可以优化斜气流型。     

三相泡沫在采空区中渗流特性的数值模拟

为研究三相泡沫在采空区中的渗流特性,运用计算流体力学软件对三相泡沫在多孔介质中渗流的各种参数进行了数值模拟.结果表明三相泡沫以入口速度为5m/s在采空区中做渗流流动时,散热带渗流速度分布在0～2.1 mm/s区间内,氧化升温带渗流速度分布在0～0.09mm/s区间内,窒息带速度分布在0～7.2 μm/s区间内.证明了三相泡沫在采空区运移过程中,具有很强的堆积和扩散特性.根据模拟结果运用3D max的动画功能对三相泡沫在采空区中的渗流特性进行了仿真演示.     

基于LTNE的二维饱和多孔介质平板热流固完全耦合数值分析

针对目前多孔介质热流固耦合数学模型多为不完全耦合模型,且物理模型多为一维或一维轴对称模型的现状,对二维饱和多孔介质平板热流固完全耦合问题进行数学建模和数值分析.采用强耦合方式实现热流固3个物理场的完全耦合.在平板左侧施加30℃流体和固体温度边界条件及固定位移边界条件,平板其他边界温度场和位移场假设为自然边界条件,平板四周加载0Pa的孔隙压力边界条件.利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件的偏微分方程（PDEs）模式实现上述完全耦合模型的求解,得到渗流场、应变场以及双温度场的数值解.数值结果表明,随时间增加,流体和固体温度、应变及孔隙压力沿x轴方向传递,同时发现x轴方向应变远大于y轴方向应变.此外,随时间增加,y轴方向应变和孔隙压力最大值逐渐减小.研究建立的数学模型和数值解有助于深入认识二维饱和多孔介质热流固完全耦合力学行为.     

Review: Recent Development of High-Order-Spectral MethodCombined with Computational Fluid Dynamics Method for Wave-Structure Interactions

综述：高阶谱方法与CFD方法耦合研究波浪与结构物相互作用的

最新进展

庄园，万德成

（上海交通大学，船海计算水动力学研究中心(CMHL)，船舶海洋与建筑工程学院，海洋工程国家重点实验室，上海 200240）

创新点说明：

1）介绍了高效模拟非线性波浪演化的高阶谱方法，综述了近十年来高阶谱方法的开发与应用进展，为实尺度大规模海洋波浪高效准确模拟提供了思路；

2）介绍了近年来较为新颖的粘势流耦合方法，特别是基于高阶谱方法和CFD的粘势流耦合方法，并综述了此方法最新研究与应用进展，展望了这些粘势流耦合方法在未来精细化流场、实尺度模拟中的应用前景。

关键词：高光谱方法，CFD方法

     

CFD prediction of local scour hole around bridge piers

In order to predict the local scour hole and its evaluation around a cylindrical bridge pier, the computational fluid dynamics (CFD) and theories of sediment movement and transport were employed to carry out numerical simulations. In the numerical method, the time-averaged Reynolds Navier-Stokes equations and the standard k-ɛ model were first used to simulate the three-dimensional flow field around a bridge pier fixed on river bed. The transient shear stress on river bed was treated as a crucial hydrodynamic mechanism when handling sediment incipience and transport. Then, river-bed volumetric sediment transport was calculated, followed by the modification of the river bed altitude and configuration. Boundary adaptive mesh technique was employed to modify the grid system with changed river-bed boundary. The evolution of local scour around a cylindrical bridge pier was presented. The numerical results represent the flow pattern and mechanism during the pier scouring, with a good prediction of the maximum scour hole depth compared with test results.     

用变分不等式解具自由表面渗流问题的一种近似解析方法

本文针对具有自由袭面稳定渗流问题所建立的变分不等式Ⅴ.Ⅰ.,提出了一种整体逼近的近似解析方法,其结果是近似解析式,便于分析流场中水头、流速、压力等物理量;利用这种方法导出1这一问题在地面有入渗情形的近似解析解,对研究在不同入渗条件下流场各物理量的变化带来极大的方便。本文所提供的算例与现有国外资料比较,方法简单,有较高精度,能清晰地分析各物理量。这也表明,用近似解析方法求解变分不等式的问题,仍是一种不容忽视的途径。     

低速非达西渗流复合油藏DST段塞流试井分析

在分析实际低速非达西复合油藏DST测试非自喷井渗流规律的基础上,导出了其有效井径数学模型,并利用Laplace变换及特殊物理方程理论,导出了该模型的拉氏空间解析解;利用简便的Stehfest数值算法进行数值反演,得出了实空间解,绘制了无因次样板曲线.可有效运用于现场DST段塞流试井分析.     

MATLAB PDE工具箱在Stokes第一问题中的应用

Stokes第一问题在工业生产领域是常见的一类问题,运用传统的相似解法解决此类问题比较抽象,难以理解。运用Matlab PDE工具箱,可以形象地描绘Stokes第一问题,可输出所研究问题的具体数值并形象地显示出某一面上的运动状态。Matlab PDE工具箱为研究管道外流体介质的粘性流动提供一种直观、快速、准确、形象的数值求解方法。