基于风洞试验的风沙两相流耦合流场特性

风沙两相流结构的理论与研究方法已趋于成熟,主要集中在风沙物理运动本身和防风固沙工程方面,然而,将风沙运动现象及其对建筑结构物的作用效应相结合的研究还比较鲜见,继续开展风沙地区工程结构的抗风沙研究具有重要的现实与工程意义。通过风沙风洞试验,模拟了实际沙漠地貌下的风场特征,重点通过风洞顶部落沙研究了类似沙尘暴环境下的沙浓度、风沙流速度廓线以及湍流强度随高度的变化情况。通过控制相同风速、变化不同输沙率进行落沙,以此形成多种不同类型的风沙两相流耦合流场,并与净风工况相比较。试验结果表明：沙浓度梯度分布与落沙孔数量、控制风速以及高度均相关;风沙流场中沙颗粒的运动对风速剖面有一定的削弱作用,对湍流强度却有增强作用;风场中沙质量浓度沿高度方向的分布特征直接影响了各高度处风速和湍流强度的大小,沙浓度越大的高度处对风速的削弱程度越显著,且对湍流强度的增强程度越大。     

基于DDES的离心泵蜗壳内部涡动力学研究

为研究离心泵蜗壳内部涡结构、涡演化的过程,基于DDES湍流模型和涡动力学的涡量对离心泵多工况下的旋涡运动进行非定常数值模拟。研究表明:对比外特性数值预测和试验数据,两者差值在允许的范围内,表明延迟分离涡方法的可靠性;对比涡量云图,DDES湍流模型较RNGk-ε湍流模型能清晰地看到由大旋涡破裂而成的小旋涡,能更好地模拟精细流场结构;蜗壳内的旋涡主要集中在进口和隔舌附近,旋涡随着流体一起运动,在运动的过程中,大旋涡破裂为许多小旋涡,同时涡量逐渐减小;随着流量的增加,流道内旋涡的分布范围逐渐减少,同时涡量也逐渐减小;在蜗壳第三断面处,沿径向取3个压力脉动监测点,发现随着直径的增大,压力脉动幅度逐渐减弱,同时隔舌位置的压力脉动远大于蜗壳其他位置。     

基于浸入单元法和延迟分离涡模型的Ahmed车模尾流涡旋结构

在浸入单元法(IBM)和PISO算法的基础上,实现了IBM-PISO求解算法,利用延迟分离涡(DDES)湍流模型,实现了对汽车外流场涡旋结构的准确模拟。以2D圆柱绕流算例,从流场的时均特性和涡脱特性验证了IBM-PISO求解算法的准确性。在此基础上,应用DDES湍流模型对Ahmed整车模型的流场进行仿真,得到不同斜背倾角对尾部流场时均特性和瞬态特性的影响规律,同时研究了尾部流场主要涡旋结构输送和演化规律。结果表明:IBM-PISO求解算法能够在外流场分离区得到较为准确的结果,解析出包括回流涡旋、顶部λ涡旋、C柱尾涡、头部马蹄涡以及侧壁涡在内的主要涡旋结构;C柱尾涡和侧壁涡在尾流输送过程中进一步增强湍流强度并主导尾场后部流场;斜背倾角决定了斜背处的分离特性,从而直接影响斜背表面和尾流前部的流场特性。     

展向行波电磁力控制下的槽道湍流雷诺应力

为研究槽道湍流的电磁力减阻控制问题,采用直接数值模拟(DNS)方法对槽道湍流的展向行波电磁力控制问题进行数值研究.讨论了由展向行波诱导的诱导流场对槽道湍流流场的调制过程,分析了控制前后雷诺应力离散点分布、平均雷诺应力分布以及雷诺应力波谱分布的规律.研究表明,在合适参数条件控制下,展向行波电磁力的控制不仅使近壁条带结构基本消失,形成加宽的低速条带,而且能使控制后的流场中涡结构几乎消失,而仅剩下由展向行波电磁力诱导产生的带状负涡结构,同时展向行波电磁力在一定程度上抑制了湍流的脉动,减小了雷诺应力,最终使壁面阻力下降.     

三维水翼梢涡气核运动特性的数值模拟

针对三维水翼梢涡处流场和气核运动特性的问题,采用LES湍流模型和DEM模型进行数值分析.对有攻角水翼梢部进行网格加密,成功捕捉到梢涡结构,在这个基础上添加DEM模型构建的气核,研究气核在梢涡影响下的运动规律.数值结果表明:该方法很好地模拟了带导流罩水翼梢涡形成与发展的过程,得出了直径为100μm的气核在梢涡影响下的迁移...     

颗粒在湍流中运动的数值模拟方法

详细讨论了湍流中颗粒运动的直接数值模拟(DNS)和大涡模拟(LES)方法。尤其是研究了大涡模拟的子网格模型。通过模拟,最后得到大涡模拟(LES)方法是模拟湍流中颗粒运动的适用方法。     

二次风风量对旋流燃烧器气固流动特性的影响

为了研究低NOx旋流燃烧器出口流场特性以及其与水冷壁高温腐蚀的相关性,使用三维颗粒动态分析仪（PDA）测量了不同二次风风量下的低NOx旋流燃烧器出口附近的轴向、径向、切向以及湍动速度分布、回流区的形状、颗粒浓度分布以及颗粒粒径分布.结果表明：在该燃烧器出口附近有一个环形回流区,回流区的大小以及位于二次风区域的径向速度和切向速度都随着二次风风量的增大而增大;颗粒浓度呈现内浓外淡的分布,随着二次风风量的减小,这种趋势更加明显;位于中心区域的粒径略小于外围颗粒直径,二次风风量对其影响较小;颗粒的集中分布容易导致煤粉不易燃尽.气流携带煤粉可能冲刷水冷壁,造成高温腐蚀.因颗粒直径为内小外大的分布,这使得较大的颗粒容易穿过回流区到达壁面造成水冷壁沉积腐蚀.     

基于大涡模拟的旋风分离器锥体结构影响研究

采用数值模拟方法比较研究两种几何尺寸旋风分离器内流场和颗粒运动。对单相流场采用湍流各向异性的大涡模型(Large Eddy Simulation),对气、固两相流场采用相间耦合的随机轨道模型。研究锥体下口直径对旋风分离器速度分布,压力分布,和对颗粒运动轨迹的影响,为进一步研究旋风分离器的分离机理理论及实验研究打下基础。     

超高速弹丸膛口流场结构分析

为了计算和分析超高速弹丸膛口流场的分布状况,建立了超高速弹丸从膛底飞离出炮口整个过程的膛口流场二维轴对称数值仿真模型.基于有限体积法,采用分块网格划分的整体运动处理方法,结合结构动网格技术及Realizable k-ε湍流模型,耦合内弹道及后效期过程,利用六自由度运动方程控制弹丸运动,以300 mm平衡炮为例,研究了1 730 m/s发射速度下的超高速膛口流场特性.计算结果表明:超高速运动的弹丸在距膛口3.3 m远处便形成了清晰的初始流场,弹前激波到达炮口处压力达到了3.8 MPa左右.喷射出的火药燃气速度达到2 500 m/s,但火药燃气仍未能追赶并包围弹丸,因此膛口流场对超高速弹丸运动的影响不同于对中低速弹丸运动的影响;膛口形成了由冠状冲击波、弹底激波、反射激波、马赫盘构成的多层次激波、间断面相互叠加的完整波系,该发射条件下的膛口流场异常强烈,波系结构更加明显.     

旋风分离器内湍流模型的研究与发展

旋风分离器内部进行的是两相流运动,是气相和固体颗粒相的分离过程,而固体颗粒的运动在很大程度上取决于分离器内湍流的运动。对湍流及其模型的研究具有十分重要的意义。在综述旋风分离器内湍流模型和数值模拟相关理论研究进展的基础上,着重分析了k-ε双方程模型和雷诺应力模型在旋风分离器流场预测方面的进步和不足,并展望今后湍流模型的发展趋势。     

推移质颗粒3维运动紊动特性试验研究

采用3维粒子示踪测速技术,观测了10种不同示踪粒子的粒径、比重以及水力比降等水沙条件下推移质颗粒的3维运动,并对其紊动特性进行了统计分析.分别探讨了粒径、比重及水力比降对推移质颗粒紊动强度的影响,定性总结了3个方向上紊动特性的变化规律.实验结果表明,推移质颗粒的纵向紊动强度随粒径减小和水力比降的增大而加大,垂向和横向紊动强度在近壁区的变化规律与纵向相反,颗粒比重对紊动强度的影响不明显.     

水力机械泥沙磨损的数值模拟

作者对低浓度沙水 (平均固体容积浓度Cv<1%,或含沙量低于 2 0kg/m3 )中运行的水力机械的泥沙磨损进行了数值模拟研究。利用Eulerian -lagrangian混合湍流模型 (这个模型是基于两相中的颗粒源项数值技术 ,即液相采用Eulerian描述 ,而颗粒相采用Lagrangian描述 )对水力机械中湍流速度、压力分布以及颗粒轨迹进行了数值计算。同时给出了水力机械中的颗粒反弹模型和磨损模型。通过对一水轮机导叶磨损率的计算 ,其结果与实际较为吻合     

偏置出口循环流化床内颗粒体积分数分布的测试

为了研究不同床体布置结构对循环流化床内气固流动特性的影响,在截面为0.35 m ×0.48 m、高4.9 m的循环流化床实验台上,以平均粒径为366.2 μm的玻璃珠为床料,采用PC6D反射式光纤探针对不同轴向高度截面上不同径向位置处的局部颗粒体积分数分布进行实验测量.采用数值插值和时序分析的方法对测量结果进行分析后发现：床内结构的布置对炉内气固两相流动的影响明显,底部炉膛单侧渐扩结造成颗粒体积分数的径向分布不均,后墙侧颗粒体积分数明显高于前墙侧;受炉膛矩形截面的影响,炉膛截面长边处的颗粒体积分数明显低于短边处的颗粒体积分数;稀相区偏置炉膛出口的布置破坏了炉内气固流动的环核结构,在炉膛左墙和后墙侧形成了颗粒的局部高体积分数分布.利用时序分析的方法对颗粒体积分数瞬时信号进行分析.结果表明,在该工况条件下炉膛底部的气固流动在微观结构上为不稳定的两相结构,在过渡段环核结构的交界位置气固作用最剧烈,颗粒体积分数波动较大.     

壁湍流中喷发和扫掠对颗粒离散的影响

近壁湍流中的拟序结构：喷发（ejection）和扫掠（sweep）,对壁附近颗粒的扩散输运起着重要作用。本文首先采用直接数值模拟（DNS）方法得到槽道湍流（雷诺数Rer=Uδ／v＝80）的速度场,然后追踪颗粒群中每个颗粒的轨迹,最后详细分析喷发／扫掠事件对颗粒群离散行为的统计特征。模拟结果表明,流向和展向的粒子离散,在扩散初期来自于扫掠事件中的粒子离散大于来自于喷发事件中的粒子离散。当扩散时间超过数倍拉格朗日积分尺度后,开始时刻处于喷发或扫掠的粒子运动规律没有明显的不同,也就是说这些粒子几乎已经失去初始记忆。     

旋流器固-液分离的数值模拟

为研究旋流器固-液分离性能,采用欧拉模型与离散相模型相结合的方法,对旋流器内部流场特征和分离效率进行数值计算。结果表明:砂粒粒径大于10 μm时主要分布在外旋流场;入口流量为9 m³/h时,旋流器的分离效率最大;砂粒粒径>30 μm时,旋流器分离效率趋近于100%,粒径为40 μm时分离效率达到最大为97.5%;砂粒浓度由1 g/m³增至8 g/m³时,粒径为10 μm的砂粒分离效率增加了9.7%,砂粒浓度为10 g/m³时,旋流器分离效率下降。通过数值计算得到了旋流器的最优工况。     

排桩式波浪能发电装置附近流场特性研究

基于雷诺时均Navier-Stokes方程和k?ω湍流模型,研究单排桩式振荡水柱式波浪能发电装置在规则波作用下的桩基附近流场特性. 通过物理模型实验验证所建数值波浪水槽的准确性. 模拟规则波作用下装置附近的流场特性,分析装置附近的涡特征以及其对装置附近泥沙冲刷情况的潜在影响. 结果表明,测试工况下,在桩式振荡水柱装置桩柱体的桩基附近观察到马蹄涡和尾涡现象,马蹄涡强度随着Keulegan–Carpenter（KC）数的增大而减小,尾涡强度随着KC数的增大而增大. 马蹄涡因强度过小,在模拟的KC数范围内不是装置桩基泥沙冲刷的主要因素,高强度的尾涡很可能成为装置桩基附近泥沙起动、输运和冲刷的重要影响因素.     

基于DEM-CFD水力旋流器的水合物浆体分离规律研究

采用离散元素法和计算流体力学耦合仿真的方法,研究不同入口速度下的水力旋流器分离效率.以较佳入口速度的分离效率工况为例,研究不同入口区域的水合物颗粒的力学行为与特征.结果表明：由入口上侧和入口内侧进入的水合物颗粒具有短路流特征.由入口下侧和入口中心进入的水合物颗粒以螺旋轨迹线向下运动.同时在离心浮力与离心惯性力的差值作用下,沿半径向中心运动.进入内旋流场后,水合物颗粒则改变方向,以螺旋轨迹向上运动,直至从溢流管被排出.这是典型的水合物颗粒分离运动轨迹.由入口外侧进入的水合物颗粒中大多数也具有这一特征,只有少部分水合物颗粒紧贴水力旋流器的内壁,沿边界层或在边界层附近,以螺旋轨迹一直向下运动,最终从底流口排出.这一部分水合物颗粒对总体分离效率影响最大.     

Numerical investigation of particle saltation in the bed-load regime

This paper numerically investigates particle saltation in a turbulent channel flow having a rough bed consisting of 2–3 layers of densely packed spheres.In this study,we combined three the state-of-the-art technologies,i.e.,the direct numerical simulation of turbulent flow,the combined finite-discrete element modelling of the deformation,movement and collision of the particles,and the immersed boundary method for the fluid-solid interaction.Here we verify our code by comparing the flow and particle statistical features with the published data and then present the hydrodynamic forces acting on a particle together with the particle coordinates and velocities,during a typical saltation.We found strong correlation between the abruptly decreasing particle stream-wise velocity and the increasing vertical velocity at collision,which indicates that the continuous saltation of large grain-size particles is controlled by collision parameters such as particle incident angle,local rough bed packing arrangement,and particle density,etc.This physical process is different from that of particle entrainment in which turbulence coherence structures play an important role.Probability distribution functions of several important saltation parameters and the relationships between them are presented.The results show that the saltating particles hitting the windward side of the bed particles are more likely to bounce off the rough bed than those hitting the leeside.Based on the above findings,saltation mechanisms of large grain-size particles in turbulent channel flow are presented.