大型水电站厂房结构流固耦联振动特性数值模拟

水电厂房内的多场耦合振动分析是工程界十分关心的问题.为了实现发电厂安全生产的目标,过去在对其进行共振校核时,往往只对结构进行模态分析,而忽略了流体的存在;但是厂房流道内存在着大量的流体,流体的存在改变了厂房结构的动力特性,是属于典型的流固耦合振动问题.因此,在对其进行共振校核时应该考虑流体的影响.由于机理的复杂性、建模、数值模拟的困难性,迄今为止关于这方面的分析研究成果很少.本文借助于2个实际工程,对厂房结构与流体复杂的耦合振动问题进行分析,并对其进行比较,详细的阐述了厂房结构-流体的耦合振动特点.本文的研究成果对于解决流体-结构相互作用问题具有重要的工程意义,同时对于解决其他类型的流固耦合振动问题也具有很高的参考价值.     

复杂场景流固耦合的高效模拟

大规模复杂流体场景的高效交互模拟技术在灾难仿真、虚拟现实和影视特效制作等领域都有重要的应用价值.针对现有基于物理的流体算法大多只适于尺度较小的场景,难以有效地模拟复杂流体大场景中流固耦合时的固体破碎效果的问题,提出一种复杂场景的固液耦合高效模拟方法.首先提出一种基于流体隐式粒子法和散度为零的SPH法相混合的计算框架,在确保流体物理属性的同时充分利用细粒度的隐式粒子来丰富流体运动细节,提高场景模拟的真实感;然后采用一种多维度的流固耦合分合计算策略来进一步提高流固耦合效率;为实现流体冲击下的固体破碎效果,采用一种物理与几何相混合的破碎方法:以基于断裂力学中的应变能密度模型来确定固体破碎时碎片的分布,采用基于几何的质心Voronoi方法快速生成碎片,最终实现百万量级粒子参与的复杂流体场景的交互模拟,以及高速流体冲击下的固体破碎效果的高效模拟.     

竖流沉淀池内流态及影响因素模拟分析

为了研究了城市污水处理厂沉淀池速度场和质量浓度场,利用改进的RNG(重整化群)k-e紊流模型和Mixture混合模型,FLUNENT15.0软件对沉淀池进行仿真。结果表明:1)在竖流沉淀池距池底2~3米处池壁位置和污泥斗上部会形成两个明显的涡流,已经沉淀的颗粒在涡流的作用下重新进入沉淀池中;2)中心筒的污水遇到锥形挡板以后会有一部分重新进入到中心筒中,减轻了下降的污水对沉淀区的冲击;3)通过改变入流速度进行模拟对比,发现入流速度由0.3m/s增加到0.8m/s,清水区深度由池深的五分之四减小为二分之一,继续增加到1m/s,清水区消失,出水浓度达到0.3%,失去了沉淀效果。在保证出水水质的前提下沉淀池能承受的最大入流速度为0.86m/s.入流密度由1050 kg/m^3增加到1250 kg/m^3,沉淀区厚度由2m减小为1.5m,沉淀效果增强。试验结果验证了上述仿真结果可靠,对竖流式沉淀池工程设计具有一定的指导意义。     

旋转固体发动机燃烧室-喷管两相流数值仿真

针对旋转引起的固体发动机内弹道性能和热防护性能变化影响发动机推力性能,从旋转对发动机内部燃气流动影响出发,用Reynolds时均N-S方程、Reynolds应力方程湍流模型(RSM)和颗粒随机轨道模型,在FLUENT软件上对不同旋转转速的固体发动机燃烧室-喷管内气-固两相流动进行了一体化数值仿真,比较了有无旋转两种状态下的流场结构,研究了转速对流场结构和发动机热结构的影响,并进一步研究了发动机的工作特性.仿真结果表明,发动机旋转使燃烧室内部流场结构发生显著变化,流场结构呈组合涡形式,粒子严重偏离发动机对称轴,导致燃烧室压强升高,推进剂燃速增大,发动机工作时间变短,热防护环境恶化,工作性能降低.这些变化随转速的增加呈现加剧趋势.研究结果为发动机设计提供了一定的技术支持.     

基于热-流-固耦合方法的涡轮叶片数值计算

将流体动力学方法与有限元方法相结合,在定常流场分析的基础上,采用单向和双向热、流、固耦合的计算方法获得了转子叶片在设计工况下的应力和变形情况,并比较了两种方法的计算结果.单向耦合计算中分析了离心、气动、热载荷对叶片应力、变形的影响,并按照斯贝发动机EGD-3应力标准对叶片强度进行了校核.计算结果表明：两种计算方法在涡轮叶片强度分析中是可行的,双向耦合能更准确地反映转子叶片的真实工况.     

烧结烟气氨法脱硫塔气液两相流数值模拟

为研究脱硫塔内的气液分布情况对脱硫效率的影响,选用FLUENT作为计算工具,以烧结烟气氨法脱硫塔作为研究对象,对塔内气相湍流采用Euler方法描述,对喷淋液滴采用Lagrange颗粒轨道模型描述,研究烟气入口倾角和入口距离浆液池液面高度对脱硫塔内气液两相流场分布的影响,并对脱硫塔的关键参数取值给出建议.     

基于牛顿-欧拉方程的固流耦合模拟

依据牛顿-欧拉方程,结合力矩和表面张力理论,设计了一组新的基于网格的水波-物体交互方程,模拟了由点波源引起的水波运动,以及水和固体共同存在时,二者之间的相互作用影响各自的运动状态。详细分析了在这种固流耦合情况中,水波遇到障碍物引起的波纹的变化,以及物体在网格力和转动力的作用下,运动状态随位置、能量和时间改变的变化规律,其中还考虑了表面张力对物体运动状态的影响。从实验效果图看,水波和物体的运动都较为自然真实。     

淘析器内颗粒运动轨迹的数值模拟

采用FLUENT6.2提供的标准κ-ε模型和随机轨道模型模拟新型惯性撞击式淘析器内的颗粒运动轨迹,预测不同粒径颗粒的运动轨迹和速度分布.结果表明:通过在淘析区加入格栅板,使大颗粒在器内的运动路径变长,与格栅的碰撞促使粘附在粗颗粒表面上的细粉分离;加长对流段还有利于提高粒料中离散细粉尘的分离.工业规模实验验证了模拟结果.     

固体火箭发动机喷管两相流场与结构温度场一体化数值模拟与软件实现

为准确、高效地进行固体火箭发动机的喷管结构设计与性能分析,考虑两相流场和结构温度场之间的相互影响,采用有限差分方法求解二维轴对称两相欧拉方程组,进行喷管气体-颗粒两相无黏流动数值模拟;采用有限元法求解二维轴对称瞬态导热微分方程,进行喷管复合结构温度场数值模拟;根据面向对象编程思想,采用VC+ +以人机交互的工作方式实现喷管内型面和结构设计,并完成有限差分网格和有限元网格的自动划分和显示;通过数值模拟方法与面向对象软件设计方法的有效结合,实现二维轴对称喷管两相无黏流场和复合结构温度场的一体化数值模拟. 数值模拟结果表明,该方法有助于在统一的软件平台上充分利用计算机辅助技术完成喷管性能与结构的综合评估,可以用于固体火箭发动机喷管的工程设计.     

撞击流反应器内气固两相流动的数值模拟

采用标准k-ε湍流模型和颗粒轨道模型模拟了水平撞击流反应器内的气相流场和颗粒运动,实验采用压力计和PV4A光纤速度测量仪测量了整体压力损失和颗粒沿喷嘴轴线的速度变化,模拟得到的规律和实验结果基本吻合。通过模拟还得到了单侧颗粒进料时的颗粒运动特征、颗粒的最大渗透深度和平均飞行时间等信息。结果表明,撞击区域集中在2～3倍喷嘴直径范围之内,气流场的速度和压力呈对称分布,颗粒进入反向气流后速度急剧衰减,最大渗透深度约为喷嘴直径的2倍,颗粒的平均飞行时间在0.7 s～1.8 s之间。随着喷嘴气流速度的增加,颗粒物料更容易被气流带走。     

飞机座舱温度场数值仿真研究

要为飞机座舱空气分配系统以及飞机的环控系统提供更为可靠的设计依据.应寻求更加接近实际的座舱温度场的分布情况.根据飞机座舱内实际存在的传热过程,主要在导热-对流传热的基础上考虑了辐射传热,在利用计算流体动力学(CFD)软件Fluent对飞机座舱温度场的数值仿真过程中,加入了离散坐标辐射模型,主要壁面采用了对流-辐射混合热边界条件,而且考虑了太阳辐射对舱内温度场的影响.针对某战斗机的设计状态点对其座舱温度场进行仿真,得到了该条件下的舱内温度分布和辐射换热量,计算结果跟传统方法进行了比较,表明了实际性和可行性.     

叶栅通道端壁气膜冷却的换热数值仿真

为了研究气膜孔、吹风比以及雷诺数对叶栅端壁换热系数的影响的温度特性,为了防止局部过热影响涡轮部件的寿命,有必要对端壁实施有效的冷却,提出了叶栅通道端壁气膜冷却的换热系数随三种情况的变化规律,并进行了数值仿真.对端壁结构二次流吹风比以及主流雷诺数对端壁的换热和有气膜冷却的端壁换热与没有气膜冷却做了对比,在气膜孔周围换热系数明显减小.二次流质量流量适中时才会使换热系数最大程度降低.通过数字仿真表明,为叶栅通道端壁的温度控制提供了参考.     

颗粒物料传热传质过程的数值仿真与实验研究

转筒干燥器的主体是略带倾斜并能回转的圆筒体，是一种既受高温加热又兼输送的设备，它的应用十分广泛。该文较为系统地进行了转筒干燥器物料的传热传质过程的分析，并进行了试验研究。利用质量平衡方程、能量平衡方程、传热方程和传质方程，建立了颗粒物料在转筒干燥器干燥过程中的传热传质数学模型，该模型能够较好地预测干燥过程中物料颗粒的温度和含湿量的变化，仿真结果与实验结果吻合良好。该仿真程序对此类问题的研究具有参考价值。     

内置面热源密闭方腔内耦合传热数值仿真

为研究温度对固体推进剂点火燃烧性能的影响,需对实验用燃烧室进行温度控制。为进行优化控制,建立了内置面热源的密闭方腔耦合传热模型,利用FLUENT软件,对流动和耦合传热进行了三维数值仿真。计算采用离散坐标(DO)辐射模型,Boussinesq假设。计算结果表明,在自然对流的密闭方腔内,辐射换热比导热和自然对流换热更具主导地位。腔内中心上升的热流与边壁附近下降的冷流形成自然对流环流,环流的速度较高,而上述两部分中间夹层的流体速度较低。数值仿真反映了实验用燃烧室内温度及流场的分布,为实验数据的准确性提供了理论依据。     

固体火箭冲压发动机绝热层传热特性数值仿真

研究冲压发动机补燃室的热防护性能,为发动机长时间安全工作提高热防护技术,建立了补燃室三维流场和EPDM(三元乙丙)绝热层的物理数学模型,数值仿真补燃室内燃烧及流动过程.对补燃室内温度变化梯度大,燃气温度在补燃室中部达到极值,化学反应流场在周向存在很大的不对称性.补燃室头部的回流区和输运漩涡对燃烧效率有着重要影响.通过对绝热层和壳体的温度场进行数值仿真,发现绝热层存在两个高温区域:头部回流区域和补燃室中部的燃烧充分区域.计算结果符合物理规律,并与试验结果符合较好.研究结果为冲压发动机补燃室热防护层的设计提供了有效的分析手段.     

户用太阳能辅助加热沼气池动态传热仿真

针对态变温差条件下螺旋管换热器传热系数计算复杂,而螺旋管换热器传热系数是户用太阳能辅助加热沼气池系统设计中的重要参数.为确定沼气池内加热盘管的传热系数及合理的搅拌叶轮旋转速度,采用全三维Navier-Stokes方程和多重参考系法(MRF),根据标准k-ε湍流模型及相应的计算网络及边界条件,对沼气池内传热及流动进行三维非定常数值仿真,分析系统的传热系数,随着旋转叶轮转速提高,螺旋加热盘管传热系数也随之增加,但旋转叶轮所需电机功率也将随之增大.通过数值仿真,可以大大缩短系统的研制和改进设计周期,结果与现场实测传热系数有较好的吻合.证明提高了沼气池内螺旋盘管的加热效果,并为系统设计提供参考依据.     

基于混合数值算法的锯齿形喷管气动噪声仿真

为了预测航空发动机喷流噪声远场声压级,满足未来的航空器噪声适航要求,采用计算流体力学(CFD)和计算航空声学(CAA)混合数值算法,对安装Chevron型锯齿的喷管进行气动噪声仿真计算.使用大涡模拟(LES)计算喷管的瞬态喷流流场.在流场计算的基础上使用Ligthill声类比进行声源提取,结合有限元/无限元方法对喷流噪...     

Radiative Heat Transfer Simulation on a SPARCStation Farm

At the Supcrcomputing Research Center we have built a computing farm consisting of 16 SPARCStation. ELCs. The ELCs all support the Mother distributed shared memory, which has primitives to support efficient synchronization and use of the network and processors. Mother docs not support the traditional consistency semantics provided by, for example, Ivy or Mach external pagers. The first parallel application we ran on the farm was a Monte Carlo radiative heat transfer simulation. The performance we achieved on the farm was within an order of magnitude of the performance we would expect to achieve on a 16-processor model of the C90 supercomputer available from Cray Research. With this application we found that the use of the Mother distributed shared memory allowed us to run the same code on the Cray as we ran on the SPARCStatlons, and we did not require the complex cache-coherent memory semantics provided by, say, Ivy or Mach to run this application effectively.     

Heat Transfer Simulation for Modeling Realistic Winter Sceneries

This paper presents a physically based method for simulating the heat transfers between the different environmental elements to synthesize realistic winter sceneries. We simulate the snow fall over the ground, as well as the conductive, convective and radiative thermal transfers using a finite volume method according to the variations of air and dew point temperatures, the amount of snow, cloud cover and day‐night cycles. Our approach takes into account phase changes such as snow melting into water or water freezing into ice.