海洋立管错列涡激振动特性数值模拟

为了掌握海洋立管系统的涡激振动规律,发展了广义α法求解圆柱振动方程,增强了解法的稳定性,在改进特征线算子分裂(Characteristic Based Split,CBS)求解流场方程的基础上,提出了流-固耦合有限元解法计算涡激振动问题,并通过基准算例验证了解法的精度和稳定性。运用该解法数值模拟了低雷诺数下多种工况条件时两错列圆柱的涡激振动过程,结果表明:当攻角较小时,上游圆柱脱落的涡直接与下游圆柱相互作用,增加了下游圆柱上、下表面的压差,导致大尺度涡激振动现象,而此时下游圆柱的振动频率由上游圆柱的涡脱落过程决定;当攻角较大时,下游圆柱将脱离上游圆柱的尾迹区,其绕流流场、受力情况及振动频率均趋近于单圆柱情况。研究结果可为海洋立管系统布置的工程应用提供参考。     

基于周向涡量的农用通风机叶片表面凹槽分析

针对农用轴流风机风量小、能效比低的问题,以MODEL YJD90S-4镀锌铁皮农用轴流风机为研究对象,采用风室试验、逆向建模、CFD数值模拟、周向涡量分析等方法,以叶片表面凹槽宽度D=6、8、10、12 mm,凹槽半径为25%h(h为叶高)、50% h和75%h,开单、双槽3个因素进行排列组合,制定了24种开槽方案,对所有方案进行数值模拟并进行周向涡量分析,筛选得出D=10 mm、R=25%h、开单槽(方案1),D=10 mm、R=75%h、开单槽(方案2)和D=10 mm、R=25%h、75%h、开双槽(方案3)为较优方案,并对此3种方案风机风量和能效比模拟结果进行研究。结果表明:1)采用逆向建模方法建立的镀锌铁皮农用轴流风机几何模型,其数值模拟计算结果能够很好的与原型风机性能试验测试结果吻合,表明逆向建模技术能够运用于农用轴流风机研究;2)在农用轴流风机常用的进口工作压力工况下,3种方案的风机流量和能效比相对原型风机都有提高,其中采用D=10 mm、R=75%h、开单槽(方案2)时提高最为明显,风量约提高了90 m ³/h,能效比约提高了3.2%。3)分析周向涡量3D映射发现,采用D=10 mm、R=75%h、开单槽(方案2)时轮毂处的正周向涡量向叶顶处移动,正周向涡量向叶片顶部聚集,增加其对总压流的正贡献,使分布在70%h处的负周向涡量向叶片根部移动,叶片根部附近的负周向涡量呈现出收拢的现象,负周向涡量向叶片根部聚集以减小其对总压流的负贡献。     

大跨度屋盖风荷载的大涡模拟研究

应用一种新的湍流脉动流场产生方法DSRFG (discretizing and synthesizing random flow generation)模拟风场实际的湍流边界条件.采用一种新的大涡模拟LES（Large Eddy Simulation）的亚格子模型，基于linux系统下软件平台Fluent6.3的并行计算技术，计算了长沙机场扩建航站楼屋盖结构在5个风向下的风荷载.根据对机场屋盖的平均风压和脉动风压系数分布规律的分析，给出了各风向角下屋面的表面风压分布特性和最不利风向角，为长沙机场扩建航站楼的抗风设计提供了依据.并为进一步发展此类复杂建筑结构在复杂湍流环境下的风荷载数值风洞技术提供参考.     

单个气泡静水中上升特性的数值模拟

为了研究静水中气泡运动的水力学特性,验证数值模拟方法对气泡运动模拟的有效性和准确性,采用基于流体体积法(VOF法)的几何重构技术捕捉水气两相界面,通过自编后处理程序提取模拟结果数据,获得气泡运动的速度、上升轨迹、变形等参数.模拟结果与模型试验结果比较表明:二者吻合情况良好,说明VOF法能准确地捕捉到气泡界面的变形情况,是一个强大的捕捉两相交界面的工具.随后分析了气泡的变形机理、运动轨迹与瞬时速度变化规律,旨在为相关气泡运动特性研究提供参考.     

热力羽流的大涡模拟

采用大涡模拟的方法对两无穷大平板间受热形成的羽流进行了数值模拟.控制方程为三维不可压N-S方程组,数值格式采用了高精度的伪谱方法,亚格子模型则采用了TNS模型.首先对槽道流进行了模拟,通过比较大涡模拟和直接数值模拟的结果对此方法进行了验证.随后数值模拟了热力羽流的输运过程,分析讨论了相关的温度场和速度场,并比较了不同Rayleigh数对流动特性的影响.结果表明当Rayleigh数比较大时,热浮力对流动的影响比较大,形成了比较复杂的流动结构.     

一次雹暴过程的三维数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所建立的完全弹性三维雹云数值模式,模拟了2007年7月25日发生在南京市六合县的一次强雹暴过程,分析了风暴的气流场、雷达回波结构、涡度场和含水量等宏观微物理的分布及其演变。通过将模拟结果与多普勒雷达资料进行对比发现,模拟的雷达回波强度及回波顶高与雷达观测资料基本一致。模拟结果表明,在雹云强盛时期,近地面层是以辐散气流为主,中上层是以辐合上升气流为主,气流在顶端转变方向,形成辐散出流;模拟的高含水量中心,对应着雷达回波图上的强回波中心,出现在上升气流最大区附近,动力场与物质场配合得较好。     

弯曲应力下钢筋混凝土碳化性能数值模拟分析

本试验以弯曲应力下钢筋混凝土构件的快速碳化试验为依据,探讨弯曲应力水平和粉煤灰掺量对构件碳化损伤的影响,建立两者对钢混构件碳化速度的影响公式。以此为基础,引入粉煤灰掺量、弯曲应力水平影响因子,完善弯曲应力下混凝土碳化模型方程,利用ANSYS软件对受弯的钢筋混凝土构件碳化过程进行数值模拟分析。模拟结果与试验中混凝土碳化规律相符,证明该方法的科学性,并寻找出碳化深度和锋面CO_2浓度关系式,为混凝土碳化数值分析提供了合理的依据。     

注射成型的计算机数值模拟中参数S的探讨

在注射成型的数值模拟中，流导S是一个在压力场和温度场求解过程中耦合压力方程和能量方程的关键参数，基于材料非弹性、非牛顿、非等温的流动充填机理及边界条件，建立了温度、剪切速率、粘度、流导S的数学模型，并采用了外推法和非流温度法计算流导，研究结果表明：流导S与压力的相关性决定了压力代数方程的线性性；S是模腔半厚度h的增函数；非流温度法减少了外推法过度外推引起的误差。     

沉降对多孔方型人工鱼礁流场效应影响的数值模拟

礁体沉降作为人工鱼礁投放后普遍产生的现象,对人工鱼礁周围流场会产生影响。为研究多孔方型人工鱼礁不同沉降情况下流场效应的变化,采用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术,利用Fluent软件模拟在固定来流流速为0.8 m/s时,5种不同沉降程度下单体鱼礁周围的流场情况。结果显示:与无沉降时(初始状态)相比,在沉降程度为20%时,上升流最大高度降低约1.0 m,最大上升流流速增大约0.015 m/s,侧向流速增大区域(大于来流速度)扩大至1.5倍左右,同时礁体背流面透水区域增大,背涡流区域沿水流方向移动约2 m,礁体周围流场情况一定程度上变得更加复杂;在沉降程度为40%时,上升流流速最大值与初始状态相比减少约为0.010 m/s,侧向流增大区域基本一致,此时礁体背流面透水区变化较大,有形成一个逆时针涡旋的趋势;当沉降程度达到60%时,礁体周围流场效应开始明显下降,上升流最大高度相较于初始状态降低约3.2 m,上升流最大流速降低约0.600 m/s,侧向流速增大区域与壁面间距缩短约0.4 m,背涡流区域有消失的迹象;在沉降程度达到80%时,礁体流场效应基本丧失。研究表明,对于多孔方型人工鱼礁,在沉降程度40%以内,人工鱼礁仍然能够发挥着较好的流场效应;礁体在沉降程度达到60%时,礁体周围流场复杂程度相较于初始状态有明显损失,之后随着沉降深度增加,礁体流场效应逐渐消失。     

大跨度斜拉桥主梁气动力特性的大涡模拟

为验证大涡模拟方法在获得桥梁主梁气动力特性上的可行性，开展了均匀流中大跨度斜拉桥扁平钢箱梁在Re=1.27×105下的绕流场三维计算流体动力学分析.大涡模拟方法采用Smagorinsky压格子湍流封闭模型，基于网格和时间步长无关检查确定的计算参数，获得了主梁气动系数统计平均值、脉动值和漩涡脱落St数随来流攻角的变化，表明三维主梁绕流漩涡脱落的频率带宽分布和展向不同步特征.基于主梁表面非定常压力时程的统计平均值和RMS值分布，分析了主梁表面的流动分离和再附特征，并建议了风洞试验测压孔的合理布置形式.与风洞实验相关结果的对比表明，大涡模拟方法是获得桥梁主梁气动力特性和绕流机理的有效方法.     

小管出流环沟灌溉土壤水运动的数值模拟

建立了小管出流环沟灌溉土壤水运动的数学模型和环沟内水流推进模型，并用数值法求解，应用该模型可以确定小管出流环沟灌溉的技术参数。     

汽车外流场DES/RANS模拟研究

汽车外流场具有非定常、大分离和涡结构复杂的特点.采用分离涡模拟（DES）方法对某汽车外流场进行了数值模拟分析，将压力分布、摩擦因数分布、尾部速度和湍动能分布等结果与雷诺平均模拟（RANS）方法进行了比较.计算结果表明：在时均结果上，DES和RANS结果差别不大，但DES方法在处理非定常流动和捕捉含能结构方面优势明显，更能真实地反应汽车外流场的复杂特征.DES方法计算量较大，RANS方法在获取流场的时均信息方面显得更加经济.     

垃圾气体在集气井内垂向流动的数值模拟

为了控制和利用垃圾气体,减小其对周围环境的威胁,采用数值模拟的方法,对不可压缩流体在紊流状态下的速度与压力分布情况进行分析比较.结果表明:垃圾气体的速度从收集井底部至顶部是逐渐增加的,至井的顶部,速度达到最大值;垃圾气体的压力分布与速度分布是相反的,在井的顶部,压力为最小值;由于穿孔被堵塞,穿孔处的压力比没有堵塞时要小60%.     

水稻最佳株型群体受光量与光合量的数值模拟

选择４种典型的水稻株型（上挺下挺,下挺下披,上披下挺和上披下披）进行群体光合量的数值模拟。在模拟过程中,提出了一种可利用日照百分率资料推算直射光与散射光的方法,进而计算１日中每小时直光与散射光的消光系数,水平受光量,叶面受光量和群体光合量。对各小时的群体光合理求和,即可得到日光合量。     

我国降水气候的数值模拟

我国大部分地区受季风的影响，自春季始，雨带由华南向北推进，初夏雨带在江淮流域，盛夏到达我国北方。８月下旬以后雨带南撤。对于这种降水北进南退的气候特征，运用５种全球气候模式对我国及邻近地区的月降水进行模拟，分析了降水带随季节的移动以及区域降水气候的变化，同时与观测实况进行了比较。     

柴达木盆地暴雨过程的数值模拟

利用WRF模式,采用两重嵌套的设计方案模拟柴达木盆地地区的2007 ～2010年期间发生的3次重大降水过程,将柴达木盆地地区2007年6月17 ～20日、2008年7月29～30日、2010年5月30 ～31日3次降雨过程的模拟结果进行综合分析.结果表明,柴达木盆地地区各站24h降雨量的模拟值和观测值相比,东部降雨量模拟值偏多,西部降雨量模拟值接近或偏少,芒涯、冷湖、小灶火、格尔木四站24h降雨量平均分别略多0.5、1.7、0.7、1.2mm,大柴旦24h降雨量平均偏少1.2mm,诺木洪、德令哈、都兰、乌兰、天峻各站24h降雨量分别偏多3.0、2.5、2.7、3.0、3.5mm.     

模型燃烧室中两相化学反应流动的大涡模拟

对带V型火焰稳定器的模型燃烧室中气液两相化学反应流动进行大涡模拟(LES)，研究中采用了欧拉一拉格朗日方法。利用大涡模拟来研究气相流场，k方程亚网格尺度模型来模拟亚网格涡粘性。化学反应速率由亚网格EBU燃烧模型来确定，两步亚网格紊流燃烧模型被用来确定CO浓度，NO亚网格污染物生成模型被用来评估NO生成速率，辐射热量传递采用了热通量辐射模型。并在交错网格体系下气相采用SIMPLE算法和混合差分格式求解，液相在拉格朗日坐标系下采用PSIC算法对其进行求解。通过大涡模拟，能得到气相和液相之间的质量、动量和能量交换。通过计算值和实验值的比较可知，出口温度和污染物成分浓度实验结果与计算结果吻合较好。因此采用大涡模拟方法来模拟两相化学反应流动和污染物生成过程是可行的。     

水文地质数值模拟的立足点

根据当前水文地质数值模拟理论研究和实践应用的巨大反差，以五常市地下水资源数值模拟为例讨论了水文地质数学模型数值模拟的基础和立足点必须查明地质条件及水文地质条件并以大量的野外试验数据为依据，取得良好地质效果的数值模拟为例，进一步说明了野外基础工作的重要性。     

泵站开敞式进水池防涡机理研究主要进展

泵站在运行过程中,开敞式进水池会产生表面涡、附底涡和附壁涡,影响进水池流态,降低泵站运行效率。本文就开敞式进水池防涡机理及CFD数值模拟的研究成果予以分析与总结,对消涡措施的最新研究进展进行了综述。     

圆管气-液旋流分离器的数值模拟

建立了圆管气-液旋流分离器结构设计简化模型,通过研究液滴和气泡的轨迹并结合传统分离器的设计经验,完成分离器的结构参数设计和计算。使用Fluent软件对单、双入口分离器内部速度分布和压力分布进行数值模拟研究。轴向速度在分离器中心区域方向向上,在该区域外侧向下,拟合了最大轴向速度与入口混合物速度的经验关联式;切向速度在分离器中心位置为0,在径向先增大后减小,在壁面处为0,漩涡在最大值两侧分为两层,内侧为准强制涡,外侧为准自由涡;径向速度数量级比切向速度和轴向速度均小,并且在轴线的两侧一正一负,在分离器中心位置为0,沿着径向先迅速增大后减小,在壁面处为0。在下部液相空间的截面上,压力在圆管壁面处最大,在中心处最小;在轴向上,随着液位的升高,压力逐渐增大。对比单、双入口分离器的模拟结果,双入口切向速度、径向速度和压力的分布对称性更好,流场更稳定,动能损失更小,由此证实了在单入口情况下,分离器流场的不对称性由入口效应所致。