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[硕士论文] 王淼
化学工程与技术 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:气泡作为气液两相流中的分散相,对整个系统的质量、热量和动量的传递都有十分重要的影响,在气液两相流研究中扮演了连接宏观尺度与微观尺度的重要角色。本文利用高速摄像法获取和分析了射流场中单个气泡的上升、尺寸变化和破裂过程,同时利用粒子图像测速技术得到了液相单相射流场的流场信息,并进一步对比分析射流场中单气泡破碎规律及原因。
  通过二维PIV对不同流速下的射流流场进行了无分散相存在时的拍摄研究,结果表明本文射流场为对称的锥形。在竖直方向上剪切速率先增大后减小,在距离射流口上下均为2mm处达到最大,距离射流口超过5.2mm的区域剪切速率基本相等。气泡在形变和破碎的过程中所经过的射流场区域剪切速率最低也在100s-1以上。
  在对气泡破碎过程研究中,利用点胶针头向液相中注入空气产生的气泡当量直径与针头内径存在线性关系。随着管道雷诺数的不断变大,破碎概率不断提高。在管道雷诺数5699~6279之间发生的破碎均为二元破碎,在管道雷诺数大于7825时气泡均会发生破碎。结合2D-PIV得到的射流场信息,得到此时射流场中气泡破碎的临界毛细管数为0.015。通过对不同流速下气泡破碎位置的统计,发现气泡在轴向中心线以上发生破碎的情况较少,这是因为气泡进入流场后水平速度大小要大于垂直上升速度。同时发现气泡在管道雷诺数大于5699的射流场中低剪切速率位置会发生一定概率的破碎,而在管道雷诺数为5478的高剪切速率位置完全不破,这是因为气泡进入流场后其表面产生了较大脉动速度的波动而最终发生了破碎。
[博士论文] Anum Naseem
应用数学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:Newtonian fluids like water,air,milk,glycerol,thin motor oil and alcohol and Non-Newtonian fluids such as paint,ketchup,blood,custard,toothpaste,shampoo and starch suspensions etc.vary tremendously in their properties and behaviors.It is immensely important to study the physical behavior of these fluids in order to enhance their performance in various industrial and manufacturing procedures.One of the pertinent non-Newtonian fluid nowadays is nanofluid which has extensive range of utility in numerous engineering problems e.g.,heat exchangers,chemical processes,cooling of electronic equipment,in nuclear reactors,safer surgery,cancer therapy,heat exchangers,micro-channel heat sinks,in designing the waste heat removal equipment,paper printing,polymer extrusion,rapid spray cooling,glass blowing,cooling of microelectronics,quenching in metal foundries and wire drawing.Thus this thesis emphasizes on the modeling of Newtonian and non-Newtonian fluids possessing distinct flow geometries and their solutions.The governing systems of equations for Newtonian and non-Newtonian fluids are of higher orders,so the solutions are not easily attainable.Four different techniques,namely homotopy analysis method,optimal homotopy analysis method,shooting method and method of lines have been employed to solve these different flow geometries.
  The first chapter is based on the relevant literature review,some basic laws and definitions.Variousmethods employed in the thesis are also discussed briefly.
  The second chapter incorporates steady magnetohydrodynamic flow of nanofluid between two concentric circular cylinders with the consideration of heat generation/absorption effects.The flow is assessed with respect to constant surface temperature(CST)and constant heat flux(CHF)thermal boundary conditions.The governing nonlinear partial differential equations are remodeled into a dimensionless system of ordinary differential equations by means of suitable similarity transformations and solutions are obtained by employing homotopy analysis method.Comparison of computed solutions with existing results in the literature are displayed.The heat and mass transfer characteristics are analyzed for various values of relevant parameters by demonstrating and discussing the plots of velocity,temperature and concentration profiles.The numerical values of skin friction coefficient,Nusselt number and Sherwood number for both the boundary conditions are also computed.
  The third chapter is devoted to the flow of third grade nanofluid instigated by riga plate.The theory of Cattaneo-Christov is adopted to investigate the thermal and mass diffusions and the incorporation of newly eminent zero nanoparticles mass flux conditions yield important results.The governing system of equations is nondimensionalized through relevant similarity transformations.The behavior of affecting parameters for velocity,temperature and concentration profiles is briefly examined and graphically indicated.The values of skin friction coefficient and Nusselt number with the relevant preliminary discussion have been recorded.
  In the fourth chapter,the influence of homogeneous heterogeneous reactions on the flow of single-wall and multi-wall carbon nanotube fluid along the surface of riga plate fixed in a porous medium is analyzed.The riga surface which is recognized as an electromagnetic drive consisting of a sequence of constant magnets and a span wise adjusted array of alternating electrodes mounted on a flat surface is of great importance in many demanding problems.Further,the problem is based on water and kerosene oil as two different base fluids and viscous dissipation is discussed as well.Numerical solutions for non-dimensionalized ordinary differential equations are assembled with the help of shooting technique and by employing the same procedure,the conduct of dominating parameters on velocity,temperature and concentration profiles is reported.The values of skin friction coefficient and Nusselt number are determined through tabular data.
  The last chapter deals with the capillary rise dynamics for magnetohydrodynamics(MHD)fluid flow through deformable porous material in the presence of gravity effects.The modeling is performed using the mixture theory approach and mathematical manipulation yield a nonlinear free boundary problem.Due to the capillary rise action the pressure gradient in the liquid generates a stress gradient which results in the deformation of porous substrate.The capillary rise process for MHD fluid slows down as compared to the Newtonian fluid case.Numerical solutions are obtained using the line approach.The graphical results are presented for important physical parameters and comparison is presented with the Newtonian fluid case.
[博士论文] 易翔宇
流体力学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:高速气流中液滴的变形与破碎是两相流体力学研究中的经典课题,具有丰富的工程应用背景。本文利用实验观测激波诱导气流中液滴变形和破碎过程,并通过数值模拟与理论分析,揭示液滴变形的流动机理以及流动参数对液滴变形的影响机制。主要工作和结论包括如下三个方面:
  首先,利用激波管平台系统化地开展大量液滴破碎实验(We>350),并以高速摄影对激波诱导气流中液滴的变形和破碎进行观测。实验图像清晰地揭示了液滴在破碎初期的大量变形细节,如整体的扁平化、迎风面的细碎波以及背风面的环状突起等。通过调节来流和液滴参数,液滴在不同来流密度、来流Mach数、外流Reynolds数,以及不同液体粘性条件下的变形规律得以呈现。实验结果表明,在相近的Weber数条件下,液滴破碎整体上服从相同的机制,但其破碎初期的变形表现出多种不同的形态,其差异主要体现于背风面环形突起。通过解耦内外流,本文分别研究液滴外围气流流场的发展特征与液滴内部流动导致液滴表面突起变形的机理,并通过理论获得“剪切诱导液滴表面堆积”和“正压力诱导液滴径向变形”两种机制下液滴表面的径向加速度表达式。对比结果表明,液滴表面压力的分布不均为环形突起生成的最主要诱因。已知外流场条件下,通过理论可对破碎初期液滴的变形进行预测,其突起位置与相对幅度与实验结果高度吻合。
  其次,通过研究多条件下外围流场的发展特征,对液滴破碎初期的多种变形形态的形成进行解释。激波扫过液滴后,背风面迅速形成一个低压区域,其持续时间与外围流场发展的特征时间近似成正比。因此,外围流场发展的特征时间与液滴变形特征时间之比,决定了该低压区域在整个液滴变形过程中的贡献程度,因而很大程度上决定了液滴的变形形态。此外,在其它参数不变的条件下,气流Mach数的提高倾向降低整个回流区的总压,从而削弱液滴背风面的压力梯度,抑制环形突起的生成。外流Reynolds数的提高增加了流场的非定常性,使回流区产生涡系振荡,从而增加环形突起的数量,同时抑制每个突起的幅度。液体粘性(Oh数)的增加总体上抑制了环形突起的发展,但不改变相同时刻突起的位置和特征。
  最后,本文基于所得实验图像和数据,对比考察了现存多种液滴破碎模型。基于液滴扁平化数据的考察表明,液滴变形初期扁平化速率与Burgers理论预测吻合较好,随后液滴粘性和表面张力的影响逐渐显现,实验结果转而向TAB模型靠拢。针对相对较高Mach数来流下液滴背风面总压的降低,本文对Burgers扁平化理论的公式进行了可压缩性修正。对液雾形成机制的考察表明,液滴赤道附近的液雾在较低和较高Weber数区间内分别服从“薄层细化”机理和“剪切剥离”机理。在接近SIE-RTP临界Weber数的条件下,甘油液滴的表面会形成剥离的薄层,但由于粘性作用,液雾产生时间远高于理论预估。
[博士论文] 严野
动力工程及工程热物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:火焰驻定一直是燃烧学界的研究热点,自由射流扩散火焰与不同伴流条件下射流扩散火焰的驻定极限及驻定特性的研究具有重要的学术价值和应用价值。与此同时,随着日益提高的环保要求,可再生替代燃料的燃烧特性研究也受到广泛关注。本文围绕射流扩散火焰的驻定特性,开展了如下实验研究。
  首先针对燃料射流喷管出口的壁面厚度对扩散火焰驻定特性的影响开展实验研究。在常温无伴流的扩散燃烧实验台上,设计两种射流管内径(2mm/3mm)、两种射流情况(自由射流/受限射流)以及喷管出口处不同壁厚(范围为0.25mm~16.5mm)的射流扩散火焰,研究壁厚对射流扩散火焰抬举和吹熄特性的影响,实验结果表明喷管出口处的壁厚对射流扩散火焰的初始抬举速度以及吹熄速度有着显著影响。喷管内径为2mm时,当壁厚从0.25mm增大至2mm的过程中,火焰的吹熄速度显著增大;当壁厚从2mm增大至4mm时,吹熄速度显著减小;壁厚继续增大至9mm及16mm时,吹熄速度基本保持不变;即壁厚为2mm时的吹熄速度达到最大值。用此最大吹熄速度对不同壁厚的吹熄速度进行归一化后,甲烷和丙烷的吹熄速度随壁厚的变化趋势基本一致。在内径3mm喷管上,甲烷射流扩散火焰吹熄速度随壁厚的变化趋势也类似,即随着壁厚的增大,吹熄速度先增大后减小最终基本保持不变。
  其次以低热值气体燃料燃烧为背景,实验研究了稀释气种类(N2/CO2)、燃料种类(甲烷/丙烷)及喷管直径(2mm/3mm)等多种因素影响的条件下射流扩散火焰的初始抬举速度和吹熄速度随稀释浓度(定义为稀释气体占燃料与稀释气的混合气的摩尔比)的变化规律。实验表明,存在着一临界稀释浓度,达到此浓度时附着火焰不能转变为稳定存在的抬举火焰,其大小受稀释气种类、燃料种类及射流管径的影响。实验中的甲烷和丙烷的临界稀释浓度可能受不同机制的控制。确定临界稀释浓度及纯燃料的火焰初始抬举速度和吹熄速度后,即可在射流速度与稀释浓度构成的二维空间图上近似确定此稀释燃料射流扩散火焰的状态分区(附着、抬举及吹熄)。
  接着分别在内径为1mm、1.5mm、2mm及3mm的射流喷管上开展二甲醚(替代燃料)和丙烷(液化石油气的主要成分)的自由射流扩散火焰驻定极限的对比实验研究,得到以下结果:在1mm~1.5mm范围内,存在一个临界大小的管径,使得二甲醚由不存在稳定抬举火焰(即发生直接吹熄)向存在稳定抬举火焰过渡转变;在实验所用管径范围内,二甲醚的火焰吹熄速度为丙烷值的一半,二甲醚的初始抬举速度和再附着速度稍大于丙烷的值,二甲醚抬举火焰的最大功率占丙烷值的约1/3,二甲醚附着火焰的最大功率稍小于丙烷的值。然后在三种伴流条件下(无伴流的自由射流、伴流空气速度0.50m/s及0.88m/s)开展4mm射流管径时氮气稀释二甲醚或甲烷射流扩散火焰的初始抬举速度和吹熄速度随稀释浓度变化的实验研究,得到如下结果:稀释浓度较大时的二甲醚和甲烷自由射流扩散火焰呈现振荡抬举火焰(oscillating lifted flame)状态,有空气伴流的条件下则无振荡抬举火焰现象;在射流速度或雷诺数与稀释浓度构成的二维空间图上展现了不同伴流条件下各状态火焰(附着、抬举及吹熄)的位置分区;在三种伴流条件下,两种燃料发生火焰初始抬举、吹熄(blowout)及直接吹熄(blowoff)时的射流速度或雷诺数与稀释浓度都呈近似线性的变化关系。伴流速度由0.50m/s增至0.88m/s后,各个稀释浓度的二甲醚或甲烷的火焰初始抬举速度和吹熄速度均减小;与稀释二甲醚相比,伴流速度的增大对稀释甲烷的初始抬举速度和吹熄速度的减小效果更显著。
  最后设计搭建了中高温空气伴流的射流扩散燃烧实验台,伴流空气的速度和温度可控可调,能开展气体燃料或低沸点液体燃料预蒸发的射流扩散燃烧实验,也能开展伴流空气温度高于燃料着火点的燃料射流自点火实验。在此实验台上开展了452K、520K、570K、640K四种温度的空气伴流条件下氮气稀释丁醇和乙醇的预蒸发射流扩散火焰驻定特性的研究。实验结果表明,氮气稀释丁醇或乙醇的预蒸发射流扩散火焰的初始抬举速度和吹熄速度均随着伴流空气温度的升高而增大、随着稀释浓度的增大而减小。在相同伴流空气温度和相同稀释浓度的条件下,氮气稀释丁醇预蒸发射流扩散火焰的初始抬举速度和吹熄速度均明显大于乙醇对应的值。此外,氮气稀释丁醇或乙醇的预蒸发射流扩散火焰的尺度化初始抬举速度(即初始抬举速度除以混合气中燃料所占摩尔分数)与当地的当量混合层流火焰传播速度SLst在不同的伴流空气温度时均有统一的线性关系,而丁醇或乙醇火焰的尺度化吹熄速度(即吹熄速度除以燃料的摩尔分数)在不同伴流空气温度时与当地SLst各自具有较好的线性关系。
[博士论文] 雷凡
流体力学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:当激波冲击使具有初始扰动的流体分界面被加速时,界面附近因压力梯度和密度梯度的不重合(斜压机制)而生成斜压涡量,从而诱导界面扰动不断增长,最终形成湍流混合。这种激波诱导的界面不稳定性又称为Richtmyer-Meshkov不稳定性(简称为RMI)。在自然界和工程应用中广泛存在RMI,例如在惯性约束核聚变(ICF)中,靶丸外层材料受激光(或x光)照射烧蚀后会产生向内运动的球形汇聚激波,并依次穿过靶丸内部的多层物质界面。不同层之间的扰动发展会相互耦合,使得汇聚RMI问题变得非常复杂。因此,研究扰动界面在汇聚激波冲击下的不稳定性发展和耦合规律,有助于更好地预测甚至控制靶丸内部的扰动发展。本文在两套不同的汇聚激波管(竖直同轴无膜汇聚激波管和半环形汇聚激波管)中,分别开展了圆形汇聚激波与单模界面的相互作用以及半圆形汇聚激波与双层单模界面相互作用的实验研究,并从理论上对汇聚RMI问题中扰动增长的规律进行了深入分析。
  在实验方面,首先利用竖直同轴无膜激波管、采用粒子示踪结合平面片光的流场观测技术,获得了单模轻/重界面在柱形汇聚激波冲击后的演化过程,深入研究了不同初始条件(振幅、波数等)下单模界面RMI的发展规律,并分析了初始条件对界面演化影响的内在机理;其次在半环形汇聚激波管中通过“抽屉”形界面生成装置结合肥皂膜技术生成了双层气体界面,首次在激波管设备中获得了汇聚激波冲击下不同初始扰动组合双层扰动界面的演化过程,并实验研究了不同初始扰动组合(外扰动,内扰动以及双扰动)双层界面在汇聚激波作用下的发展规律,分析了双层界面的相互耦合关系。
  在理论方面,本文首先在前人关于汇聚RMI问题理论研究的基础之上,考虑了可压缩性对扰动发展的影响,并深入分析了多种汇聚效应对扰动增长的定量贡献;其次对汇聚激波冲击双层界面问题,提出了汇聚空间中扰动激波冲击扰动界面的环量模型,给出了不同初始扰动组合的双层界面在反射激波作用后界面上生成的斜压涡量。
  综上所述,本文利用自行研制的汇聚激波管设备以及先进的流场诊断系统开展了汇聚RMI的实验和理论研究。首先,在竖直同轴无膜激波管中研究了具有不同初始参数(波数和振幅等)的单模界面在柱形汇聚激波冲击下的演化过程,分析了波数和振幅对扰动增长的影响。另外,发现了汇聚RMI中存在三个特有的物理机制:BP效应、RT效应、可压缩效应,并从理论上分析了三种汇聚效应对扰动增长的定量影响。其次,在半环形激波管中研究了多种双层气体界面在柱形激波冲击下的详细演化过程,获得了汇聚激波和双层界面相互作用的第一批激波管实验数据,并发展了柱形空间中扰动激波和扰动界面相互作用的环量模型,对实验中双层界面扰动增长规律给予了较好的解释。
[博士论文] 黄健
计算数学 山东大学 2017(学位年度)
摘要:多孔介质中流体流动的数学物理模型广泛应用于描述油藏开发过程中[6][9][57]。多孔介质中的流体运动所遵循的基本规律都是建立在质量守恒、动量守恒和能量守恒基础之上的。油藏研究的目的就是预测油藏未来走向动态,找到提高最终采收律的方法和途径。将需要模拟的物理系统用适当的数学方程表示,这个过程一般都作必要的假设条件。从实际的观点来说,为了使问题易于处理,这种假设是必须的。构成油藏数学模型的方程组一般都比较复杂,不能用解析的方法求解。所以必须要在计算机上近似求解。而在计算机上数值模拟油藏之前,需要建立油藏的数学模型。
  多孔介质中流体流动的物理模型在数学上表现为依赖于时间的强耦合的非线性偏微分方程组。由于多孔介质中这类模型十分复杂,流体运动所遵守的质量守恒集中体现物质的平衡,实际生产中表现为注产体积以及质量的平衡;而动量守恒主要是对速度与压力的关系式的描述;实际生产中主要关心物质的平衡和压力分布。所以需要进一步地引入各种假设对模型进行简化,降低耦合性、非线性强度。比如作为经验公式引入的Darcy定律以及其他非Darcy律,以及假设流体不可压或者微可压等等。
  Darcy定律主要描述流体流速u和压力p的梯度之间的线性关系,描述了多孔介质中Newton流体的渗流现象。当Darcy速度u特别小的时候,Darcy定律才成立[6]。一般这类数学模型的偏微分方程组结构比较复杂,耦合求解难度大。同时因为多孔介质类型多样,尺度变化大,导致数值模拟计算量大,收敛速度较慢。所以运用计算机对这类数学模型进行大规模、快速保精度的数值求解成为科学与工程中的迫切需求。
  近些年来,已经有了很多关于Darcy-Forchheimer模型的数值分析工作。其中Girault和Wheeler在[38]中已经通过证明非线性算子A(v)=μ/pK-1v+β/ρ|v|v的单调性、强制性以及半连续性,从而证明了Darcy-Forchheimer模型解的存在唯一性,同时给出了一个合适的inf-sup条件。然后他们考虑分别用分片常数和非协调Crouzeix-Raviart混合元来逼近速度和压力。他们证明了离散的inf-sup条件以及给出的混合元格式的收敛性。同时他们用Peaceman-Rachford[58]类型的迭代方法来求解离散的非线性代数方程,并给出了这类迭代法的收敛性。在Peaceman-Rachford迭代方法中,非线性方程通过和散度方程解耦,然后求解一个封闭的方程。López,Molina,Salas在[49]中实现了文献[38]中所提方法的数值实验,并且针对Newton法和Peaceman-Rachford迭代方法求解非线性方程做了对比。他们指出对比Peaceman-Rachford迭代方法求解非线性方程,Newton法求解非线性方程并没有优势。因为在每一步迭代中,Newton法需要求解一个Jacobian矩阵,然后再求解一个线性鞍点系统,但是在Peaceman-Rachford迭代中,只需要针对解耦之后的非线性方程计算一个人为引入的中间值,然后求解一个简化的线性鞍点问题。对比形成一个Jacobian矩阵所需要的工作量,求解解耦之后的非线性方程消耗的工作量可以忽略不计。而且,在选取同样的迭代初值的条件下,Peaceman-Rachford迭代比Newton法收敛所需的迭代步数少。细节可以参考文献[49]。
  Park在文献[56]中对时间依赖的Darcy-Forchheimer模型提出了一种半离散的混合元格式。Pan和Rui在文献[54]中对Darcy-Forchheimer模型给出了一种基于Raviart-Thomas(RT)元或者Brezzi-Douglas-Marini(BDM)元逼近速度,分片常数逼近压力dual形式的混合元方法。他们将Darcy-Forchheimer模型中速度化为压力梯度的函数,得到了一个非线性单调只含压力的椭圆偏微分方程,并且基于单调非退化方程的正则性证明了连续和离散问题的inf-sup条件,证明了解的存在唯一性。最后用Darcy-Forchheimer算子的单调性给了速度L2,L3范数,压力L2范数的先验误差估计。Rui和Pan在文献[63]中给出了Darcy-Forchheimer模型的块中心有限差分方法,其中块中心有限差分在合适的数值积分公式下可以认为是最低阶的RT-PO混合元方法aRui,Zhao和Pan在文献[64]中针对Darcy-Forchheimer模型中的Forchheimer系数是变量的情况,即β(x),给出了相应的块中心有限差分方法。Wang和Rui在文献[76]中对Darcy-Forchheimer模型构造了一种稳定的Crouzeix-Raviart混合元方法。Rui和Liu在文献[62]中对Darcy-Forchheimer模型介绍了一种二重网格块中心有限差分方法。Salas,López,和Molina在文献[67]中给出了他们在文献[49]中实现的混合元方法的理论分析,并给出了解的适定性分析和收敛性证明。
  上述提到的大多数前人的工作主要致力于对Darcy-Forchheimer模型的离散方法。除了在文献[38]中提到的Peaceman-Rachford迭代法,很少有工作探索针对离散后得到的非线性鞍点问题的快速解法,而这正是本篇论文的出发点和主题。多重网格方法是许多高效求解线性和非线性椭圆问题的方法之一。需要特别指出的事,对非线性问题,我们不会再得到一个简单的线性残量方程,这就是处理线性和非线性问题的最重要的区别。这里我们所用的多重网格格式是我们常用来处理非线性问题的多重网格方法,称为全近似格式(FAS)[20]。因为我们在求解粗网格的问题时用的是全近似,而不是只用误差。
  本文对多孔介质中Darcy-Forchheimer模型构造了基于协调和非协调混合元方法离散分别给出了有效的非线性多重网格方法。我们用Peaceman-Rachford迭代法作为多重网格方法中的光滑子来解耦非线性方程和质量守恒方程。我们把线性的鞍点问题简化成一个对称正定的问题求解,并且说明了我们这种处理方式的有效性。针对用来解耦非线性方程和限制条件的分裂参数α,文献[49]中对Forchheimer系数β不同的取值,总是取α=1,而我们找到了一个更好的值,并且通过比较迭代收敛需要的次数和CPU计算时间说明了我们取的值更好。我们做了很多数值实验来说明我们构造的多重网格求解器的有效性。我们构造的方法收敛即不依赖于离散网格的大小也不依赖于Forchheimer数的取值,并且我们的计算复杂度是接近于线性的。需要提醒的是,构造一个快速算法不依赖于一些重要的参数是一件不容易的事情,例如文献[50,53]中对一类线性Stokes方程的处理。
  本文组织结构如下:
  第一章,简要介绍了多孔介质中Darcy-Forchheimer方程及其适用范围,以及质量守恒定律及其在各种假设下的变形,本文所处理的数学模型,求解的方程组就是基本方程的耦合。
  第二章,简要回顾了求解离散方程的基本数值计算方法。包括线性方程组的直接解法以及线性迭代解法和非线性迭代解法。除了介绍不同的数值方法外,还简要概述了每种方法有效适用的情况。同时说明了基础迭代法的优势和缺陷。经典的迭代法本质上仅起到“光滑”作用,即它能很快地消去残量中的高频部分,但对低频部分,效果却不是很好。以经典迭代法求解齐次Dirichlet边界的二维Poisson问题为例来说明迭代法的光滑性质。
  第三章,介绍了多重网格方法最基本的思想和最基础的算法。首先介绍了线性多重网格方法,因为对线性问题误差满足残量方程,但是它对非线性问题并不适用,对非线性问题,则需要采取不同的策略。随之介绍了两种常见的非线性多重网格方法。
  第四章,对多孔介质中D arcy-Forchheimer模型构造了基于协调混合元方法离散给出了一种有效的非线性多重网格方法。我们用Peaceman-Rachford迭代法作为多重网格方法中的光滑子来解耦非线性方程和质量守恒方程。我们把线性的鞍点问题简化成一个对称正定的问题求解,并且我们说明了我们这种处理方式的有效性。针对用来解耦非线性方程和限制条件的分裂参数α,文献[49]中对Forchheimer系数β不同的取值,总是取α=1,而我们找到了一个更好的值,并且通过比较迭代收敛需要的次数和CPU计算时间说明了我们取的值更好。我们做了很多数值实验来说明我们构造的多重网格算法的有效性。我们构造的方法收敛即不依赖于离散网格的大小也不依赖于Forchheimer系数的取值,并且我们的计算复杂度是接近于线性的。本部分内容出自文章[42],该文章已在期刊Journal of Scientific Computing(SCI)在线发表。
  第五章,对多孔介质中Darcy-Forchheimer模型构造了基于非协调混合元方法离散给出了一种有效的非线性多重网格方法。非协调混合元多重网格和协调混合元多重网格相比最重要的区别是离散空间不嵌套,因此在对网格函数在不同网格之间的转换时,我们不能再由简单的自然映射得到。关键的问题就是如何来构造网格之间的投影算子。和协调多重网格方法一样,我们做了很多数值实验来说明我们构造的多重网格算法的有效性。我们构造的方法收敛即不依赖于离散网格的大小也不依赖于Forchheimer系数的取值,并且我们的计算复杂度是接近于线性的。
[博士论文] 邓梓龙
动力工程及工程热物理;工程热物理 东南大学 2017(学位年度)
摘要:分形树状网络结构,如人体呼吸循环系统、植物躯干、河流流道网络等,广泛存在于自然界中。该结构可实现流系统从点到面(体)或从面(体)到点的物质输运和能量传递的空间优化,为很多工程输运问题的优化提供了很好的启示。目前分形树状网络已逐渐应用于微系统(如微电子器件冷却、微反应器、微流控等)流道结构优化。由于分形树状网络的复杂性及微系统流体流动的尺度效应,开展分形树状网络中流体动力学行为的微观机制研究,具有重要的应用前景和科学意义。
  目前,针对分形树状网络输运系统研究还主要集中在单相流领域,其通道结构优化通常基于经典的Murray定律展开。对于微尺度输运系统涉及的分形树状微通道内稀薄气体流动以及液滴/气泡多相流动的研究还较为缺乏。在微尺度条件下,分形树状网络内气体流动受气体稀薄效应和多尺度效应的耦合作用,Murray定律能否定量描述气体流动最优分叉结构特征有待进一步考证。另外,在微尺度多相流动中,表面张力将取代惯性力而成为主导作用力,分形树状网络内液滴/气泡多相流动遵循何种作用机制也有待进一步阐明。为此,本文采用理论建模、数值模拟和可视化实验等方法,针对分形树状微通道内流体(包括单相流动与多相流动)流动特性及其作用机理进行了深入研究:建立了分形树状微通道内稀薄气体流动模型,数值模拟研究了分形树状微通道中气体流动过程的多尺度特性和空间优化规律;建立了分形树状微通道单元结构—T型通道内的液滴流动模型,数值模拟研究了液滴运动行为特性及其机理,详细分析了各参数(毛细数、粘度比以及通道宽度比)对该过程的影响,随后开展了分形树状微通道网络内液滴/气泡流动破裂的理论分析、数值模拟以及实验研究,重点阐明了不对称因素对分形树状网络系统内液滴/气泡流动破裂特性的影响规律。概括起来,本文的研究内容及获得的主要研究结论如下:
  (1)开展分形树状网络稀薄气体流动特性的数值模拟研究。建立了分形树状微通道内稀薄气体流动模型并采用格子Boltzmann方法进行数值求解,研究了分形树状微通道内稀薄气体流动特性及其空间优化规律,重点分析了分形树状网络中气体流动的稀薄效应和多尺度效应。研究结果表明:(a)在分形树状微通道内,稀薄效应和多尺度效应对气体流动特性有着重要影响;(b)随着通道级数增加,各级通道中克努森数(Kn)单调上升,气体流动的相对滑移长度随之增加,泊肃叶数(Po)随之减小;(c)当气体克努森数为0.022时(处于滑移区),分形树状微通道的最优宽度分形维数为1.8,偏离了宏观情况Murray定律给出的最优值2;(d)随着气体Kn增加,稀薄效应越显著,分形树状微通道的几何最优规律偏离Murray定律最优值也越大。
  (2)数值研究了T型微通道内液滴运动的流体动力学行为。采用基于相场的多相格子Boltzmann方法,建立了分形树状网络单元结构—T型微通道内液滴流动模型,数值研究了液滴破裂及不破裂工况的流体力学特性,定量分析了液滴形变驱动力与阻碍力间的相互关系,详细阐述了液滴形貌的时空演化,重点讨论了“隧道效应”带来的剪切作用和液滴内部涡流影响液滴破裂过程的内在机制,深入揭示了各种工况参数(如毛细数、液滴尺寸、粘度比以及通道宽度比)对T型微通道中液滴动力学行为的影响规律。研究结果表明:(a)在对称T型微通道中,液滴分叉流动存在阻塞破裂、隧道破裂和不破裂三种流型;(b)进入T型微通道后,液滴变形驱动力为上游压力,阻碍力为液滴尾部界面张力,这两个作用力之间呈正相关关系;在液滴不破裂流型中,上游压力和液滴尾部界面张力会逐渐达到平衡,液滴将处于准稳态停止拉伸形变;(c)液滴破裂及不破裂过程中的无量纲几何特征参数(如液滴颈部厚度、液滴前端运动距离和隧道宽度)演化规律证明,液滴与壁面之间隧道的出现,是不破裂工况的前提,“隧道效应”减缓了液滴形变速率甚至导致液滴不再破裂;其本质原因是由于液滴内部形成的涡流影响了形变,当液滴内涡流的涡量值超出某一临界值,液滴将不再破裂;(d)提高液滴粘度或减小子通道宽度,可以降低液滴内涡流强度,从而使得液滴更易破裂;(e)不同工况参数(如不同离散相与连续相粘度比和T型通道宽度比)情况下,以液滴尺寸和毛细数为轴变量的液滴破裂-不破裂相图可用满足幂律关系式l0/w=βCab的临界线划分不同流型。
  (3)基于相场的多相格子Boltzmann方法以及液-液塞状流动理论分析方法共同研究了分形树状微通道内液滴流动破裂动力学行为。探讨了分形树状微通道内液滴流动破裂特性,揭示了多液滴流动工况中液滴间相互影响机理,重点讨论了不对称因素对分形树状网络系统内液滴流动破裂特性的影响特性。研究结果表明:(a)单个液滴流经T型分叉发生形变时,液滴对整个流场的流动起到一定的阻碍作用,液滴破裂后子液滴尾部的回缩对整个流场起到加速驱动作用;(b)当连续液滴在分形树状微通道内对称流动破裂时,液滴运动呈现明显的周期性规律,每一个液滴的运动轨迹均完全相同,此时液滴流经各级T型分叉时的阻碍作用以及加速作用对称叠加持平,液滴间的影响几乎可以忽略;(c)当分形树状微通道出口压力产生波动时,T型分叉处液滴破裂不再完全对称,液滴流经各级分叉处的阻碍作用和加速作用不对称叠加耦合影响,液滴破裂分配系数有可能偏离理论预测值,偏离程度取决于液滴在破裂过程挤压(squeezing)阶段的被影响程度;(d)分形网络中液滴生成均匀性主要取决于无量纲参数Λ1(第0级通道的连续相压降与离散相压降之和比上两相界面处压降)和Λ2(出口压力比上第0级通道的连续相压降与离散相压降之和),根据Λ1和Λ2可得,提高主通道毛细数及连续相液段长度同时增加各级通道长度有利于提升液滴生成的均匀性。
  (4)开展了分形树状微通道内气泡流动破裂过程的可视化实验研究。设计搭建了微通道内气泡流动破裂的实验系统,采用高速显微系统可视化观测了分形树状网络中气泡演化流型以及分布规律,重点讨论了不对称因素对分形树状网络系统内气泡流动破裂特性的影响规律及其抑制方法。研究结果表明:(a)气泡在分形树状微通道各级分叉处存在六种流型,分别为不破裂流型、对称破裂流型、不对称破裂流型、合并不破裂流型、合并对称破裂流型和合并不对称破裂流型;合并现象的发生是由于相邻气泡间距太近导致,而不破裂与不对称破裂流型是由于流动不对称因素导致;(b)在不对称工况中,随着树状通道级数增加,气泡统计平均直径偏离气泡理论直径,其特殊变异系数随之增加,不对称作用影响愈加明显;(c)提高主通道毛细数、增加连续相液段长度等措施,增加无量纲参数Λ1能够减小气泡特殊变异系数,有利于分形树状网络生成接近理论设计直径的气泡。
  以上研究系统地揭示了分形树状微通道内单相稀薄气体流动以及液滴/气泡多相流动特性及其影响机理,相关研究成果为微系统的设计和优化提供有力的理论支撑,是对微尺度流体动力学的重要补充和完善。
[博士论文] 王胜南
动力工程及工程热物理;热能工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:气固两相流广泛存在于电力、化工、制药、冶金等工业生产中,实现其流动参数(固相速度、浓度和质量流量等)的在线准确测量,对工业生产过程的安全、经济、高效运行具有重要意义。本文在电容层析成像(ECT)技术和静电检测技术的研究基础上,发挥ECT和静电传感技术的各自特点,将这两种测量方法和技术融合,研究基于静电与ECT技术相结合的复杂气固两相流多参数测量的新方法,实现气固两相流颗粒流动的流型、浓度、速度及质量流量等多参数的同时测量。
  本文首先对静电传感器进行了研究。利用有限元法建立静电传感器的三维仿真模型,分析了静电传感器的空间灵敏度分布特性。在此基础上,开发了一套基于阵列式静电传感器的气固两相流颗粒局部平均速度测量系统,并通过传送带和重力输送实验对采样频率、采样点数等参数进行了优化,之后在高压密相煤粉气力输送系统上进行了管内煤粉局部速度测量实验,其测量结果的相对标准偏差小于5.49%。
  其次,对ECT成像机理进行深入研究,通过有限元仿真建立ECT传感器模型,分析了传感器灵敏场分布特性,并对LBP和Landweber两种图像重建算法进行比较。重建结果表明:LBP算法重建图像的相关性高于0.785,而Landweber算法重建图像的相关性优于0.803。在此基础上,设计并开发了一套基于DSP的ECT系统,主要包括:电容检测电路设计,电路开关阵列设计、数据采集与控制系统设计以及上位机界面设计。为了验证ECT系统测量的可行性及准确性,对系统进行静态和动态成像实验研究,实验结果表明:ECT重建出的管道截面相分布与实际相分布有较好的一致性。
  然后,从理论分析和电路分析两方面深入研究了颗粒静电对ECT检测的影响,并以此为基础,提出消除静电干扰的方法。结果表明:C/V电路的输出信号包含了一个高频电容信号和一个低频静电噪音,高频电容信号与ECT传感器电极对间的电容值有直接对应关系,而低频静电噪音由颗粒荷电产生。叠加在C/V电路输出信号上的静电噪音可能引起信号超限,导致电容检测失效和ECT重建图像失真。基于此,提出了一种改进的交流法电容检测电路,通过选择合适的放大器以及适当的反馈电阻值和反馈电容值来确保C/V电路的输出信号幅值在其允许范围内,并利用二阶巴特奥斯带通滤波器消除叠加在C/V电路输出信号上的静电噪音。搭建了传动带装置进行了实验论证,实验结果表明,改进的ECT系统具有较好的抗静电干扰性能。
  在静电和ECT测量技术研究的基础上,开发了一套基于阵列式电容-静电传感器的颗粒多参数测量(CES)系统,用于测量气固两相流中固相颗粒局部速度、局部体积浓度、局部质量流量和质量流量。模拟和静态实验验证了CES系统局部体积浓度测量的可行性和准确性。传动带实验结果表明:在质量流量0.006kg/s~0.103kg/s范围内,系统局部速度测量的相对标准偏差小于9.56%,局部体积浓度的测量误差小于10.43%,质量流量测量的相对误差范围在-19.6%~+14.9%之内。
  最后,将所开发的ECT系统和CES系统应用于循环湍动流化床(C-TFB)内颗粒的相分布、局部速度、局部浓度、局部流量以及流量测量,并利用测量数据研究分形结构布气装置对C-TFB的影响。ECT颗粒分布实验结果显示,E-Mod下的C-TFB流化过程中颗粒分布呈现环核状,F-Mod下C-TFB流化过程中的颗粒在低床层处的管道截面分布较为均匀,但在较高床层处的颗粒分布也呈中心分布稀而壁面浓现象,反映出分形布气装置能够对C-TFB起到均匀分布作用,但是作用区域有限。CES实验结果显示,随着进气量的增加,E-Mod和F-Mod下的颗粒流动速度及流量均逐渐上升。在相同进气量下,F-Mod下C-TFB的颗粒循环量明显高于E-Mod下的循环量,表明在一定条件下,分形布气装置能够起到提高C-TFB循环效率的作用。
[硕士论文] 李偲宇
动力工程及工程热物理;热能工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:CO2地质封存是减缓温室气体CO2排放的有效手段,深部盐水层是其最主要的储体之一。在CO2封存过程中,储层岩石表面的润湿特性决定了封存的安全性。当CO2封存失效发生泄漏时,CO2与水在岩石孔隙中形成多相流动。因此,研究储层流体与岩石间的流固界面性质以及孔隙中CO2与水的多相流动特性,对CO2有效封存具有重要意义。
  分子动力学模拟(Molecular Dynamics Simulation,简称MD模拟)是物理化学过程机理研究的重要工具,可观测到实验难以测得的微观结构及特征,是研究岩石表面微观特征(羟基化程度)对润湿特性影响以及纳米孔隙中多相流动特性的重要方法。
  本文首先利用MD模拟的方法开展了CO2封存条件下(330K、20MPa)岩石表面羟基化程度对岩石润湿特性的影响研究。对CO2气氛中,H2O在不同羟基化程度岩石表面形成的液滴形状进行计算与分析,并以接触角反映润湿特性。结果发现,随着羟基化程度由0%升高至50%,接触角由110.24°降低至14.56°;当羟基化程度由50%升高至75%时,接触角有3.22°的小幅上升;当羟基化程度继续升高至100%时,接触角又有6.06°的小幅降低。通过对分子间受力分析可知,羟基化程度对岩石润湿特性的影响是库仑作用与氢键的共同效果。氢键的作用不仅包括羟基与水分子之间的氢键,岩石表面羟基之间形成氢键也是其组成部分,前者对表面润湿性起促进作用,后者为抑制作用。
  其次,本文开展了330K、20MPa条件下,纳米岩石孔隙内CO2与H2O分布的MD模拟研究,分析了CO2与H2O体相密度、界面分子平均取向角度、界面径向分布等参数的变化规律,探讨了羟基化程度对孔隙内CO2与H2O分布的影响。结果表明,CO2与H2O在孔隙中以体相形式分层存在,仅有极少的CO2溶解于水中;在孔隙中不存在羟基的岩石表面侧,仅有CO2存在;在孔隙中存在羟基的岩石表面侧,H2O在其表面均形成水层,水层厚度受羟基化程度影响,羟基化程度越高,水层越厚;在CO2与H2O的体相中,分子随机分布;在CO2-H2O界面处,CO2倾向于平行排布,H2O偶极矩则倾向于指向于CO2侧;在CO2-岩石界面处,CO2倾向于倾斜排布;在H2O-岩石界面处,羟基化程度为25%的表面附近,H2O偶极矩倾向于指向水侧,其余界面处,水分子均倾向指向于岩石表面侧,且越靠近岩石表面,倾向越明显。
  最后,本文以表面羟基化程度相同的岩石构成纳米孔隙,利用MD模拟的方法研究了压力驱动下,纳米孔隙内H2O单相流动及CO2-H2O多相流动的流动特性。结果表明,孔隙内单相或多相流动时,各流体的平均速度与驱动压力之间均呈一次线性关系,符合达西定律,且相同条件下CO2流动速度比H2O高;H2O单相流动速度沿着孔隙高度方向呈抛物线形式对称分布,靠近岩石壁面处流动速度低,而中心位置处速度高。CO2-H2O多相流动时,CO2与H2O速度分布规律与H2O单相流动相同,距离壁面越近,速度越低;位于孔隙中部的CO2受壁面影响可忽略不计,仅受附近水分子吸引力,符合泊肃叶单相流动定律;位于岩石表面的H2O不仅受岩石壁面吸引作用,还受到中间CO2分子的吸引作用,使得H2O在CO2-H2O界面附近的速度较高。
[硕士论文] 苏玉鑫
动力工程 中北大学 2017(学位年度)
摘要:随着科学技术的发展,微电子机械系统等微型原器件得到了广泛应用,对微型原器件的设计和制造提出了更高的要求,进一步研究微电子机械系统的内部液体流动机理、伴随的传热机理非常具有学术价值。但是微型电子机械系统内部尺度一般处于介观尺度,基于连续介质力学力学宏观数值模拟方法不能准确处理该尺度的问题,而分子动力学等微观方法的计算规模又很难达到这一计算尺度。能量守恒耗散粒子动力学(eDPD)是一种粗粒化的分子动力学方法,不仅可以研究介观尺度下的复杂流体行为,还可以计算复杂的传热问题,是研究介观尺度下伴随热量传递的复杂流体行为一种理想方法。
  本文系统地阐述了能量守恒耗散粒子动力学方法,指出了该方法的主要特点,分析了其在处理复杂流体行为时的优势。本文的主要研究内容包括:
  (1)采用eDPD对通道内流体绕流方形柱体阵列的流场和温度场进行研究,分析不同雷诺数下流场和温度场的分布特点。研究表明:当雷诺数增大时,柱体周围流体温度变化增大,对流换热现象明显。随着雷诺数增大流体流过柱体时出现了不同程度的漩涡,在漩涡区流速降低,对流换热速度减弱,出现了局部温度峰值。
  (2)采用eDPD模拟介观尺度微通道泊肃叶流中高分子的运动特性,研究表明可以将高分子溶液看作幂律流体,随着高分子浓度增大幂律指数减小,高分子溶液越偏离牛顿流体特性。同一高分子浓度不同温度时幂律指数基本不变。本文进一步分析了不同高分子浓度、温度以及不同驱动力下通道内流体的速度分布、应力分布、温度分布、高分子链质心分布以及高分子链瞬时位置。结果表明:高分子链远离壁面分布,不同温度的高分子链与周围流体的温度差最终会导致其分布位置在浮升力作用下有所变化,随着通道内驱动力增大浮升力的影响逐渐减小;在通道中由于速度分布不均匀,速度快的地方温度分布变化明显,对流换热现象明显;温度和高分子链的浓度变化对剪切应力分布影响不大,对流动方向的正应力影响较大。
[硕士论文] 常赫
动力工程及工程热物理 东北电力大学 2017(学位年度)
摘要:蛇形微通道凭借其可以在有限面积上实现长距离输运的独特优势,在生物、化工设备、航空航天、微电子器件等领域有着广泛应用。因此,国内外专家和学者对带有弯管的蛇形微通道的流体流动情况和流动特性的分析产生了越来越多的兴趣。流型作为研究气液两相流动情况最为基础的部分之一,不同的相界面分布以及气液两相流动情况的变化对微通道的应用带来一定影响。对微通道内两相分布及不同流型间的分界进行研究则成为基础研究内容之一,而对其流动特性的分析则有助于为微通道内过程强化提供一定理论基础。综上所述,对蛇形微通道气液相流动情况进行分析就变得十分重要,具有一定的学术意义和应用价值。
  本文采用CLSVOF算法对矩形截面蛇形微通道内气液两相流进行数值模拟,计算了流型、流型转换界限、流型图及流体流动特性。以流型图的方式,分析了流体表面张力、液相黏度、通道截面形状及壁面接触角对流型转换界限的影响;讨论了壁面性质(润湿性及粗糙度)对流体流动特性的影响;研究了曲率对弯通道内相分布情况的影响以及弯管内两相流的传质特性;讨论了Y型夹角对弹状流气泡长度及压降和流动阻力的影响。
  本文研究结果表明:流体表面张力、Y型夹角及壁面接触角均影响流型转换界限,改变黏度则对蛇形微通道内气液流型间转换界限影响不大;当疏水壁面个数不同时,相同工况下气液两相流型存在很大差异,且气相流速越小,差异性越大;当气相速度变大时,气泡会拉长,而液塞长度则减小;弯管可以加强传质效果,液相体积传质系数和液膜传质系数均随气相速度和曲率的增加而平稳增加。
[硕士论文] 黄山
机械电子工程 汕头大学 2017(学位年度)
摘要:气液固三相流,即气体、液体和固体三种不同相态的物质的混合并互相影响的流动。在很多工程问题或生活现象以及自然界的流动,都涉及到多种相态的物质混合流动。一般来说,我们称这种流动为多相流,而气液固三相流就属于多相流中的一种流动,也是最复杂的一种流动。在许多工业、科学领域内,三相流的发生以及研究对很多流体机械生产和生命活动有着重要的科学意义和广泛的应用前景。但是三相流动涉及到移动接触线、流固耦合、复杂外形边界和不同湿润边界条件等因素,使得相应的数值模拟颇有难度,亟待在相关方面的研究突破。
  格子Boltzmann方法是近些年兴起的一种基于介观分子碰撞理论的一种数值模拟方法。由于其方法具有相对高的精度以及良好的并行性,逐渐成为国际研究热点之一。相比传统计算流体力学方法,格子Boltzmann方法除了在模拟两相流动中具有精简的控制方程,易于实施的边界条件外,还表现出在捕捉界面的过程中的自动化和简单化。本文基于格子Boltzmann方法,采用Z-S-C两相流模型模拟了典型的两相流液滴飞溅模型,并且施加质量守恒修正过程,通过与传统结果对比,验证Z-S-C模型在两相流的可行性,并通过水平壁面液滴铺展的接触角变化过程来验证湿润性边界添加的正确性,进一步探究曲面边界的湿润性边界的实施方法。最后将Z-S-C模型与浸没边界法结合,模拟小球入水的气液固三相流动。
[硕士论文] 张智露
控制科学与工程 太原理工大学 2017(学位年度)
摘要:在地球表面使用望远镜观测天体时,由于大气湍流的存在致使光波传输介质发生随机扰动,导致天文望远镜观测到的天体图片模糊不清。自适应光学技术的出现,极大的改善了地基望远镜成像不清的缺点。而对大气湍流进行模拟是发展自适应光学技术不可缺少的一部分,因此对大气湍流进行模拟具有重要的理论和实践意义。
  数值模拟大气湍流对室内测试自适应光学系统具有可控性、重复性、成本低等诸多优点。本文对现阶段人们使用较多的Zernike多项式法和功率谱反演法进行了详细分析。在此基础上,提出采用非均匀采样方法下功率谱反演法来模拟大气湍流相位屏。本文中采用Kolmogorov功率谱进行数值模拟,得到了在低、高频与理论值都很吻合的结果,充分证明了非均匀采样下功率谱反演大气湍流算法的有效性。
  使用非均匀采样下功率谱反演大气湍流算法得到的相位屏虽具有很高的质量,但因非均匀采样方法下不能使用快速傅里叶变换导致相位屏生成速度极慢。针对这一问题,本文提出使用GPU技术和NUFFT算法来加速湍流相位屏的模拟。模拟结果证明GPU技术和NUFFT算法对湍流相位屏模拟具有很高的加速效果,为湍流相位屏的数值模拟节省了大量时间。
  在湍流相位屏数据生成之后,还需要解决如何搭建光波传输链路实现对光束的调制,为解决这一问题本文采用纯相位液晶空间光调制器(LC_SLM)作为湍流模拟器件。将湍流相位屏作为控制信号加载到液晶空间光调制器中,实现了大气传输链路的建立,为自适应光学系统进行室内测试提供条件。
  本文在此基础上将湍流相位屏的生成模块与信号加载模块集成在一起,并添加显示模块,实现了大气湍流数值模拟控制平台的开发。并对模拟算法和控制界面做了大量优化和美工,使控制平台具有高效稳定的工作性能。
[硕士论文] 许帅
动力工程及工程热物理 东北电力大学 2017(学位年度)
摘要:在中国的大多数主要城市空气中的颗粒物现在超过二氧化硫和氮氧化物成为主要的城市污染物。燃煤发电厂排放的飞灰颗粒是空气中 PM2.5的主要来源之一。飞灰颗粒会引起各种问题,特别是环境和健康问题。由于燃煤烟气细颗粒物所带来的严重危害,如何高效的将其捕集是当前的热点与重点。
  本文研究颗粒不同聚团机理模型对颗粒湍流聚团过程的影响。基于FLUENT软件UDF功能自定义聚团核,考虑颗粒间排斥势能Umax和流体力学作用力对聚并率的影响,引入捕集效率f(α)对聚团核进行修正,构建新的修正湍流聚并模型,并将该模型与传统湍流聚并模型进行比较。通过群体平衡模型耦合CFD对颗粒聚团过程进行数值模拟。
  对旋风分离器除尘器内超细颗粒物聚团过程进行研究,为了得到颗粒聚团对旋风分离器分离性能的影响,在不同入口颗粒浓度与入口气速下研究其对分离效率的影响。采用雷诺应力模型(RSM)计算湍流流场,通过群体平衡模型(PBM)耦合CFD对颗粒相进行数值计算。研究结果表明:时间为2s时,旋风分离器内的聚团作用已经趋于稳定,颗粒粒径在1.5μm到3μm范围的颗粒在旋风分离器内基本无法被捕集,而粒径大于5μm的颗粒其分离效率接近于100%;随着入口颗粒浓度的增加,总体分离效率增加,而增加入口气体速度,对分离效率的影响并不是很大。
  对新型湍流聚并器超细颗粒聚团机理进行研究,为提高其捕集效率的一种方法是增加飞灰颗粒的尺寸,即在通过静电除尘器或袋式除尘器之前通过物理或化学作用提高亚微米级颗粒聚团。湍流聚团由于其操作简单、投资少、运营成本低,在各种新技术中有更好的发展前景。湍流聚并器是通过气流中颗粒之间的湍流而引起颗粒碰撞过程的增加,湍流导致颗粒相互之间速度的差异,提高颗粒间物理碰撞作用从而形成超细颗粒的聚团。通过群体平衡模型耦合CFD对颗粒聚团过程进行数值模拟。结果表明:通过对理想湍流聚并模型和修正湍流聚并模型与实验结果的对比,理想湍流聚并模型的误差在8%左右,而修正湍流聚并模型误差仅有3%,修正湍流聚并模型与实验结果吻合。布朗聚并对粒径小于2μm颗粒有明显减少作用,布朗聚并在湍流聚并中不可以忽略,修正湍流聚并耦合布朗聚并模型基本与实验结果吻合。
[硕士论文] 汪志琨
机械工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着阀门的应用领域不断被拓宽,对阀门的综合性能和质量也提出了更高的要求。应用计算流体动力学辅助阀门设计可以准确、快速而且可视化地反映复杂流场的细节特征,有助于设计人员了解阀门结构对内部流场的影响规律,因此越来越受到重视。本文面向工业领域中应用的大型蝶阀、隔膜阀等工艺阀门,研究其流通能力以及动水力矩的仿真计算方法,从而指导工艺阀门的设计和优化。本文主要完成了以下几方面内容:
  1、将网格自适应技术运用到阀门内流场的稳态仿真过程中,综合使用y+自适应和速度梯度网格自适应技术对初始网格进行优化,有效提高了对阀门内部流场的仿真精度,并降低了人工优化网格的难度;
  2、从达西原理出发,通过一次建模仿真获取阀门管道总压降?Po并拟合计算管内流体的沿程压力损失?Pp,从而计算得到阀门的流量系数,该方法避免了重复建模带来的时间浪费,提高了计算效率,且在各种不同类型阀门上应用均取得非常好的效果。另外,基于该方法对两种DN500偏心蝶阀和DN100隔膜阀从提高流通能力角度进行结构进行优化,流量系数有明显提高;
  3、针对常见工艺阀门开发了阀门流场仿真参数化平台,可以实现网格划分过程和求解设置过程的参数化和自动化,从而减少重复性人工操作,降低仿真计算难度;
  4、以 DN500偏心蝶阀为研究对象,综合运用用户自定义函数与滑移网格技术实现旋转式启闭类型阀门开关过程的动态仿真,对不同开启、关闭速度下的阀门动水力矩进行研究,研究表明,三维动态仿真方法能够很好的预测阀门的动水力矩变化情况,有利于指导阀门的结构设计。
[博士论文] 肖周芳
空天信息技术 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:由于综合了结构网格和非结构网格的精度和易用性这双重优势,含边界层单元的混合网格一直被认为是粘性流动数值模拟最佳的网格形式。这类网格在物面附近区域生成扁平的半结构三棱柱单元,不仅能在平行物面方向适应复杂的几何外形,还能在垂直物面方向适应剧烈的物理量变化;而在远离物面区域生成非结构化四面体单元,增强算法的几何适应性和自动性。混合网格生成涉及几何处理、曲面网格生成、边界层网格生成、体网格生成及优化等诸多环节,要构建一套完整且快速的混合网格生成软件需要解决这些环节中的一系列技术难题,这也使得混合网格生成方法研究成为数值模拟研究领域的热门话题。
  本文针对复杂外形粘性流动数值模拟前处理问题,以构建一套混合网格全自动生成流程为总目标,系统研究了混合网格生成过程中的多个难点问题,并最终取得了三项研究成果。
  针对离散曲面模型中存在的相交、重叠和非二边流行边等问题,提出了一类全新的布尔运算算法来处理这些问题。该算法基于改进的保形边界四面体网格生成方法,采用自顶向下的流程得到布尔运算结果。算法在修复曲面问题的过程中始终维持一套完整的四面体背景网格,该背景网格不仅可以作为空间分解结构加速相交元素的查找过程,还可被用于实现flood-filling算法提取布尔结果。此外,着重考虑了算法的鲁棒性问题,并提出了两种提升该算法鲁棒性的策略。
  针对曲面网格生成过程中单元尺寸场定义自动性及质量差等问题,提出了一类几何自适应单元尺寸场自动生成算法。该算法以非结构网格为背景网格,并在每个背景网格点上存储基于几何特征计算出来的初始单元尺寸值。随后设计了一个非线性凸优化模型对初始单元尺寸场进行光滑化操作,使得单元尺寸梯度受限。文中证明了该优化模型具有全局最优解,并研究实现了该模型的高效解法。
  近物面区域边界层网格生成是混合网格自动生成过程中的最关键环节,其涉及的一些难点问题至今没有得到完美的解决。本文提出一类基于偏微分方程求解的边界层网格生成算法,该方法通过边界元法求解由拉普拉斯方程控制的物理场从全局角度考虑边界层网格生成中遇到的复杂问题。前沿点的层进法向由该点处的物理量梯度确定,边界层网格的增长在物理解空间中完成,有效的避免了经典前沿层进法中基于局部几何准则计算层进法向遇到的局部相交和全局相交问题。此外,新算法中由物理解得到的前沿点层进法向过渡光滑,使得最终得到质量较高的边界层网格单元。
  结合上述研究成果,并与课题组已有曲面网格生成程序和四面体网格生成及优化程序进行无缝集成,构建了一套完整的混合网格自动生成流程。针对任意几何外形,用户只需设置少量参数即可调用上述流程自动生成高质量的混合网格。该过程无需借助图形用户界面,极大简化了对用户交互操作的依赖,有效提高数值模拟前处理效率。文中通过多个数值实验验证了本文混合网格全自动生成流程的有效性及正确性。
[硕士论文] 陈振宇
船舶与海洋工程 大连海事大学 2017(学位年度)
摘要:计算流体力学作为一种基本研究方法和设计手段已经广泛应用于航空、航天、船舶等诸多领域,其涉及的实际工程问题往往十分复杂,经常会牵扯到物体在流域内运动甚至多物体间相互运动的现象,而此类包含运动边界问题的数值求解如今已经成为现代计算流体力学研究的热点之一。移动网格法能够贴切的模拟物体运动的真实情况,因此被广泛地应用于此类实际问题的求解上。但在借助移动网格法模拟实际工况过程中经常会出现畸变程度较高的更新后流域网格以及数据震荡较大的计算结果,本文旨在通过改变网格更新方法以改善网格更新结果达到提升动网格计算结果质量的目的。本文采用不同的移动网格算法对动网格进行更新,并将它应用在不同算例中,验证有效的动网格算法,具体研究内容如下:
  首先,对圆在二维流场中的预定义运动进行动网格计算。动网格计算过程中应用了多种网格更新方法,之后从网格更新畸变程度、计算耗时以及水动力计算结果三个方面进行对比,得到在二维流场中弹簧常数因子较小的弹簧方法、基于壁面距离的扩散方法以及基于单元网格尺寸的扩散方法的计算效率以及计算结果相对较好。
  其次,对AUV在水中直航的预定义运动进行研究。与二维流场相比,三维流场情况更加复杂,离散后网格节点数激增,网格更新过程难度加大。在此应用二维流场中经过验证得到的三种网格更新方法进行计算,经过对比发现出在验证过程中弹簧方法计算耗时较少而基于壁面距离的扩散方法计算结果较好。
  最后,进行了AUV自航过程的动网格计算。自航过程还需要考虑螺旋桨旋转产生推力的过程,增加了网格更新以及水动力计算的难度,模拟其从零开始加速直至匀速的过程中分别使用弹簧方法以及扩散方法进行SDOF的计算。结果表明,尽管弹簧方法仍旧计算速度较快,但是阻力数值波动较大,得到的数据可信度较差,而基于壁面距离的扩散方法尽管计算速度较慢,但是结果数据稳定性高出很多。
[硕士论文] 朱效宇
供热、供燃气、通风及空调工程 东北电力大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着科学技术的发展,作为多相流重要形式之一的气固两相流普遍存在于电力、煤炭、化工、制药、食品等诸多行业,并得到了广泛的应用。但由于气固两相流动系统相界面的复杂性、多变性以及界面速度和其他效应的存在,使其通常呈现出较强的非线性与非稳定性特征,这对进一步认识气固两相流动特性与耦合作用机制造成了阻碍,从而限制了工业设备的结构优化以及生产效率的提高,使得工程实际落后于基础理论研究。因此,采用先进的参数检测技术与现代分析方法从气固两相流动过程着手,深入研究其流动特性以及系统非线性特征是有必要的,具有完善多相流基础理论的理论价值以及指导工业反应器结构优化、放大的工程意义。
  本文在自行搭建的循环床提升管实验台上,采集了气固两相流动过程压力(压差)信号、流动型态图像样本。结合压差法、数字图像处理技术、多源信息融合理论、分形理论、混沌理论以及递归分析方法主要对提升管内轴向方向压力梯度及颗粒浓度分布进行了研究;对局部区域颗粒运动行为、分布结构及浓度进行了检测;对多源信息的分形特征进行了分析和联系;就不同团聚结构对系统混沌特征的影响机制进行了讨论。
  首先,采集了提升管不同高度位置间的压差信号,研究了管内轴向方向压力梯度和颗粒浓度分布情况。发现随轴向高度的提升,管内压力梯度和颗粒浓度均逐渐减小。保持颗粒循环流量一定,增加操作气速,可以减小提升管内轴向压力梯度和颗粒浓度分布不均的趋势,同时可以减小流动过程消耗的总压降。
  其次,利用高速摄像机拍摄提升管底部局部区域气固两相流动过程图像,分析了在不同流态化状态下该区域内颗粒的运动行为和分布形式。在节涌床和湍动床阶段,颗粒分别呈现柱塞式流动结构和顺时针内循环流动结构。在此基础上,基于图像法实现了对稀相输送过程局部颗粒浓度的检测。整合了流动过程中压差信号与流动图像两部分信息,基于分形理论,从多尺度分析的角度研究了各尺度信号所对应的物理意义,并将两种信息的分形特征联系到了一起。
  最后,人工制造石英砂团聚物。采用递归分析的方法研究了在节涌床和湍动床两种流化状态下,系统混沌特征受团聚物种类和颗粒循环流量的影响。在节涌床状态下,压力信号递归图沿对角线方向发展显著,系统周期性较强。在湍动床状态下,随颗粒循环流量的提高,对于原始物料及产生微团聚的物料,递归图中块状结构增多,沿对角线发展趋势增强,系统周期性增强。对于成核团聚物料,系统混沌特征变化不显著。对于粘结及糊状团聚的颗粒物,递归图孤立点状结构增多,对角线发展趋势减弱,系统随机性增强。
[硕士论文] 尹洪梅
动力工程及工程热物理 东北电力大学 2017(学位年度)
摘要:气液两相流动现象广泛存在于各种工业换热设备中,棒束通道气液两相流动在核电站沸水堆冷却剂流过堆芯的燃料组件中常见。流型对气液两相流动设备的运行和安全具有重要影响,而棒束通道几何形状狭长与普通圆管不同,流型流动特性及流型识别方法也有较大不同。本文针对7×7棒束通道采集气液两相流动的压差信号,通过多尺度熵和多尺度边际谱熵两种时频熵方法,小尺度下熵率从微观细节上揭示流型信号的流动特性,大尺度下的熵率从宏观流动上进行流型识别;并提取小尺度下的多尺度熵率、多尺度边际谱熵率和谱熵均值的联合分布作为特征熵,结合人工神经网络寻求流型在线识别的最佳组合方法。
  基于多尺度熵理论对流型压差信号进行时域熵分析。通过 MATLAB软件求得多工况下压差信号的多尺度熵,线性拟合法求出多工况下压差信号小尺度下的多尺度熵率。通过多工况下流型压差信号的多尺度熵率的二维分布可以实现流型定量识别,流型压差信号的多尺度熵变化趋势可以揭示流型演化规律。
  发现整体识别率达到97.11%,不在识别范围的是3例泡状-搅混流,这是由于泡状-搅混流的流动特征位于泡状流及搅混流之间,特征参数波动范围较大没有明显界限。泡状流和搅混流这两种主要流型特征参数界限明显,识别效果佳,识别率达100%。并与分形理论的结果进行了对比分析发现多尺度熵理论能够定量实现流型辨识,而且能通过小尺度下的熵变化规律揭示动力学特性。
  基于多尺度边际谱熵理论对流型压差信号进行频域熵分析。通过 MATLAB软件求得多工况下压差信号的多尺度边际熵,计算各工况下的多尺度边际谱熵均值,线性拟合压差信号在小尺度下的谱熵增率,利用多尺度边际谱熵增率和谱熵均值联合分布可定量准确区分4种流型,对泡状-搅混流这种难以区分的过渡流型也有较好效果,识别率达100%。多尺度边际谱熵能从频域细节上揭示不同流型的动力学特性。
  特征熵结合人工神经网络进行流型识别,多尺度边际谱熵率和谱熵均值的联合分布作为特征值的识别率显著高于多尺度熵率作为特征值的识别率,误识别的是泡状-搅混流和环状流,泡状流和搅混流识别率100%;支持向量机作为识别模型的识别率显著高于BP神经网络的识别率;多尺度熵率作为特征是的识别速度略快于多尺度边际谱熵率和谱熵均值的联合分布的识别速度,优势不是很明显;多尺度边际谱熵率和谱熵均值的联合分布作为特征值与支持向量机(SVM)结合识别流型具有快速、准确的特点,是最佳流型识别组合。
  通过对气液两相流压差信号进行时频域熵分析及人工神经网络识别流型的应用,表明了多尺度熵和多尺度边际谱熵两种理论是十分有效的流型辨识方法,并进一步揭示了流型动力学特性。
[硕士论文] 马一人
机械电子工程 汕头大学 2017(学位年度)
摘要:在自然界和我们的日常生产以及生活中广泛存在着多相流现象。这种现象的普遍发生对流体机械以及生命科学等诸多方面有着十分重大的影响,例如气象、石油、化工以及生物医学等领域。伴随当代计算机技术的不断进步,数值模拟在多相流方面的研究已经逐渐上升为与实验研究、理论分析同样有价值的研究方法,并在近年来得到极其普遍的利用。
  作为基于分子动力学理论的微介观方法,格子Boltzmann方法可以准确高效的对多相流问题进行模拟计算,具有其独特的优势。然而,现有的格子玻尔兹曼模型在模拟多相流问题上虽然已经取得了很大进展,但是在追踪动态界面过程中如何保证质量守恒一直困扰着研究人员,特别是在大密度比率问题上。本文提出了一个质量守恒的格子玻尔兹曼模型用来模拟不可压缩多相流的问题。
  首先,在改进的Z-S-C模型的基础上,引入一个质量修正项到Cahn-Hilliard方程中,用来补偿数值模拟时的质量损失或者抵消建模过程中引起的质量耗散。并通过对经典算例的模拟计算来验证这个修正后的模型在处理气液两相流问题上是否能够保证质量守恒。之后,通过研究不同条件下液滴撞击液膜时液滴的演化过程,并对比之前传统模型的结果,发现质量损耗明显降低。此外,本文模拟了液滴与固体表面发生碰撞时产生的现象。基于修正的模型,应用一个简易的几何方程计算固体表面的润湿性。在处理动态接触角问题时,本文引入了一个当地力来获得前/向后接触线的瞬时速度。并模拟在不同的条件下,液滴撞击固体表面时产生的形态变化以及对动态接触角的变化影响。模拟结果表明,修正后的模型可以出色的模拟在不同湿润性的固体表面气液两相流的变化。
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