气体——固体粒两相流理论及其应用

本文运用气体－固体粒子两相流理论，将流动视为气体和固体粒子的流体的混合物的流动，对内破裂现象进行了理论研究，并给出基于实验结果和考虑相容百分数的影响的固体粒子阻力系数公式，运用有限控制体积法进行了数值模拟计算，结果可信，这项研究还为多相流的传输，泥沙沉积现象等研究提供了理论和计算基础。     

弹库气体隔离系统数学模型研究

对弹库发生意外爆炸时内部流场进行分析,并从理论卜对气体隔离系统的有效性进行探讨,建立气流流动的流场数学模型,运用流函数叠加原理,得到了隔离系统阻挡空气进入所应满足的条件,并给出隔离气体初始速度、倾角、厚度等参数与来流空气之间的关系式.     

海底水力输矿管固液两相流的数值模拟

传统的固液两相流数值模拟方法是将固体颗粒(和液体)作为高密度的液体流处理,这只适用于固体颗粒非常细小的情况如粮食输送、泥沙输送等。对海底采矿的水力输送问题,由于固体颗粒相对于水粒子非常庞大,再作为传统的固液两相流处理不科学。本文对矿石颗粒采用离散元方法、对水粒子采用Fluent方法,并将两者耦合进行固、液耦合流在竖向弯管的流动特性研究,考察了不同入口流速下流体的运动规律和矿石颗粒的运动规律和分布规律。结果表明：由于矿石颗粒堆积在管道底部,导致管道内顶部的水流速度大,底部的水流速度小；随着水流速度的降低,矿石颗粒的堆积效果也更加明显；同时存在某一特定速度,使得其开采效率达到最大。     

阀门角度对蝶阀后双弯管流场影响的数值模拟研究

本文采用计算流体力学（CFD）数值模拟的方法,研究了不同阀门角度下蝶阀后双弯管模型中的复杂流动现象,并将数值计算的速度云图同流场实验测量结果进行对比验证。分析结果表明：数值计算结果同粒子图像速度场测量技术得到的速度云图基本吻合;阀门角度对流场的影响较大,阀门角度越小,阀板迎背流面的流体扩张也越不明显,模型最大速度减小：阀板前驻点逐渐向阀板迎流面边侧移动,一次分离区减小,而二次分离区先增大后减小;弯管中流体质点二次流、流动分离及流动剪切膨胀等是影响流场的重要因素。     

应用弱可压缩移动粒子半隐式法（WC-MPS）模拟三维溃坝流动

应用弱可压缩移动粒子半隐式法（WC-MPS）模拟了三维溃坝自由液面流动问题。该方法应用流体状态方程来快速求解流场压力,而不是求解压力Poisson方程。对于流动控制方程中的梯度项以及Laplace算子项,分别应用基于核函数加权平均的梯度算子模型以及Laplace算子模型进行处理。同时在固体边界处,通过定义边界粒子以及虚拟粒子来避免粒子数密度计算在边界处出现错误。应用该方法,对两个三维溃坝自由液面流动问题进行了模拟,并与实验结果进行了对比分析,表明两者结果较为一致。     

氢气泡DPIV技术在圆柱绕流流场测定中的应用

将氢泡示踪法与数字图像分析技术结合,设计了一套粒子图像流场观测装置,对不同雷诺数下的圆柱绕流流场进行了观测。实验中清晰观察到圆柱绕流的卡门涡街现象。采用基于互相关算法的分析软件对图像进行处理,得到流速矢量图、等值线图及涡量图。根据图像及计算结果,分析了一个拟周期内圆柱后涡旋的发展、演化过程。实测结果表明,随着雷诺数的增大,圆柱绕流近尾迹区长度逐渐缩短。将流动特性实测结果与相关文献进行了对比,结果基本一致。     

液舱晃荡与浮体运动耦合的二维与三维SPH模拟影响研究

采用DualSPHysics开源代码对矩形液舱晃荡过程中的砰击载荷及强非线性流固耦合现象进行了模拟，通过检验与验证分析证明了论文SPH求解器的准确性，并对不同方法的模拟结果进行了基准性研究。通过对菱形液舱内晃荡流动的模拟，研究了不同装载高度工况下二维与三维模拟对于舱壁砰击压力和晃荡流动的影响。最后针对载液浮箱在波浪中运动的内外域流动耦合问题进行模拟，分析了浮体运动和液舱晃荡二维与三维模拟结果的差异。研究表明，三维模拟中由于流场存在沿液舱宽度方向的运动分量，使得二维与三维液舱晃荡结果存在一定的差异，且低载液率工况的结果差异更大。     

冷却液舱内水下气体射流的数值模拟

本文采用数值模拟方法,对高温高压饱和蒸汽通过管道,输送到船用冷却液舱内出现的射流现象进行了研究。基于VOF多相流模型和RNG湍流模型,建立气、液两相流动数学模型,利用Fluent模拟了气体通过管路喷射到液舱内的全过程,同时考虑了气、液两相间的相互转化,得到了液舱内及管路内流场压力变化特性。     

MPS方法在细长河道中溃坝流动的应用研究

溃坝问题是我国防灾减灾工作中的一个突出问题.溃坝发生时,会对下游的结构物产生剧烈的砰击作用,并伴随着自由液面的翻卷、破碎等强非线性现象.对这种短时间的自由面强非线性变化,基于网格的计算流体方法往往需要一些特殊的数值处理.文中采用本课题组自主开发的无网格粒子法求解器MLParticle-SJTU对二维带斜坡、三维带90°急弯的溃坝问题进行了模拟.研究了溃坝流的自由面演化,分析了溃坝流遭遇斜坡障碍物的复杂流动现象,并记录下监测点的波高时间历程.通过MPS的数值模拟结果与试验数据进行对比,两者吻合较好.     

二维圆柱绕流数值模拟

对于椭球体绕流问题，可以考虑利用二维切片法的思想将其剖成一个个圆剖面，研究圆剖面的二维流动问题即二维圆柱绕流问题。采用Fluent软件，分别用多种流动模型在高雷诺数下对定常和非定常状态的圆柱绕流进行了数值模拟，计算得到圆柱绕流的升阻力系数、分离点位置、Strouhal数、流函数等结果，并与文献中的实验结果进行了比较，得到相应比较合理的计算模型。     

底部和舷侧破损船舶运动时域预报方法

针对船体破损后舱室进水引起的内外水体流动及船舶运动特性变化，提出了一种基于势流理论的破损船舶运动快速预报方法，借助修正的伯努利方程处理破损口处的进出水，通过瞬时湿表面积分获得破损船舶所受的水动力。以ITTC破损流动标模为对象，研究了该预报方法在舷侧破损和底部破损两种工况下的适用性。结果表明，论文提出的破损船舶运动预报方法能较为准确地预报船舶运动及透气舱室中的破损流动，但对气密舱室中破损流动的预报精度有待提高，后续模型将进一步考虑气体压缩性引起的舱室压力变化。     

氢气泡粒子图像测速技术及初步应用

采用氢气泡粒子图像测速技术 (DigitalParticleImageVelocimetry,DPIV)对圆柱绕流进行了研究。一般DPIV拍摄时相机固定 ,可得出一种速度场分布。本文采用静止坐标 ,用简单的方法可以达到相机随流场移动的效果 ,从而利用DPIV技术将原来显示不出来的涡在变换后的参考坐标系下显示出来。发现DPIV实验结果静止坐标和运动坐标间的联系 ,并与实际流动显示结果进行比较 ,发现一般拍摄的流动显示结果为静止坐标结果 ,而直接DPIV计算结果为运动坐标结果。     

水下发射航行体空泡、气泡和自由面相互影响的理论研究

基于势流理论、细长体理论和奇点分布法,对水下发射过程中的航行体空泡、自由面和筒口气团的相互影响开展了理论研究。文中用一个奇点模拟气团、用沿轴线分布的奇点模拟细长体形状的航行体和空泡,建立了自由面影响下的气团和空泡相互耦合的动力学模型,提出了非定常流场中带气体泄漏现象的含气空泡的压力估算方法。实验结果验证了文中提出的模型的合理性。     

船舶典型充汽管路水动力特性数值预测

建立船舶典型充汽管路三维计算模型,运用计算流体力学方法进行充汽管路流体水动力特性数值研究,捕捉流体压力、流速、密度、湍流动能等关键参数分布规律,基于流致振动预测机理,揭示与流致振动密切相关的流体流动能量。计算结果显示:充汽管路弯头部位产生由外壁向内壁发展的二次流动现象,导致弯头区域呈现内壁压力小、流速高、密度小、湍流动能及耗散率高等情况;基于流体流动能量分布规律,充汽管路弯头区域能量出现最大值,且弯头内壁流动能量高于外壁,可以预测充汽管路弯头内壁侧承受流致振动破坏较严重,实际充汽管路检测数据验证了数值预测结果。     

快艇气泡减阻的原理研究与相似比分析

分析了高速气泡船气液两相流动的特征,进而将气泡船复杂的三维流动简化为两维人工气泡绕流的两相流物理模型,并提出了两维人工气泡绕流的相似律.采用有限体积法和VOF方法,建立了两维人工气泡绕流的数学模型.应用该数学模型,研究了气泡船在无气泡、气泡封闭、气泡半开三种典型绕流时的气液流场特性,得到了气泡长度、气泡形状随来流速度、气泡腔压力、气体流量的变化规律,分析得出了在高速气泡船底部形成稳定气泡的力学条件.相关研究结果对高速气泡船底部气泡腔的设计具有指导意义.     

基于T-S波理论的水流流态试验研究

T-S波理论主要是说明水流受到扰动后造成平板层流边界层内波动失稳现象导致流态发生改变的过程,流体经过固体壁面时,存在层流边界层、过渡区和紊流边界层的现象,用雷诺数对边界层水流流态进行判别。T-S扰动波失稳造成的转捩可以通过改变水流水力边界条件得到显著的抑制。所以本文将改变水力边界条件,人为引入相应振幅和波长的扰动,使下游产生T-S波,研究水力边界对水流流态、T-S波的作用。实验分析发现有孔、增大孔径和孔深,雷诺数值均减小,流态长度发生变化,缩短了紊流长度,增长了过渡区长度,即抑制了T-S波转捩发生时间。     

90°弯管对潜艇高压气管路沿程压力损失的影响分析

针对潜艇高压气管路中弯管的压降损失及其等效长度计算问题,采用计算流体力学(CFD)方法对90°弯管内超高压气体的流动过程进行了数值模拟。用六面体结构化网格对流动区域进行网格划分,通过直接数值求解由RNG k-ε湍流模型封闭的RANS方程研究管道内部流场形态,得到了弯管内部的压力分布与速度分布并捕捉到二次流的生成和发展过程,计算结果与其他学者开展的数值仿真以及模型实验结果相一致。仿真结果表明,弯管引起的局部压降会较大程度增加管路的总压力损失,进而影响高压气应急吹除效率,在潜艇设计建造阶段必须予以重视,同时也验证了采用RNG k-ε湍流模型模拟弯管内超高压气体流动特性的可行性及有效性。     

基于欧拉多相流模型的空泡数值模拟

采用欧拉多相流模型模拟均匀来流绕圆盘、圆锥形空化器流动时所引发的自然空化现象,将数值模拟结果与实验、经验公式计算结果进行对比,确认欧拉多相流模型的有效性,数值结果与实验、经验公式结果吻合度高,证明考虑相间作用力的欧拉多相流模型能够较好地模拟空化现象。     

基于LES与Powell涡声理论的孔腔流激噪声数值模拟研究

孔腔流动中含有复杂的流体振荡,不但能够引起明显的噪声,而且会造成物体脉动压力和阻力的急剧增加,因而孔腔流动与流激噪声已经成为流声耦合研究领域的重要内容。文章首先对于Powell涡声理论进行了介绍,给出了涡声方程及其求解的详细推导过程,随后利用圆柱/机翼组合体与方腔流激噪声测试结果验证了计算方法的可靠性,最后采用大涡模拟方法结合Powell涡声方程数值计算了两型孔腔在不同水速下的流激噪声,并与中国船舶科学研究中心循环水槽试验结果进行了对比分析,结果表明数值计算方法能够较准确地预报孔腔流激噪声,并能展示孔腔内外涡旋结构。计算结果表明:在500 Hz以下的低频段,格栅1型孔腔的流激噪声显著高于格栅2型孔腔;在500 Hz-10 k Hz高频段,格栅2型孔腔流激噪声比格栅1型孔腔高,但随着流速的增高,两种孔腔流激噪声在高频段的幅值基本一致。这些现象与孔腔内的涡旋结构密切相关。文中对孔腔流激噪声的数值预报方法进行了验证,有益于理解孔腔非定常流动的物理机理,且为抑制孔腔流激噪声奠定了基础。     

定常可压缩泡状流动激波的数值仿真

探讨了可压缩泡状流动的计算机仿真方法,计算了水翼在气相体积分数为0.5的来流中的跨声速流动。数值试验表明,当泡状流中气相本身为小亚声速流动或气相马赫数小于0.1时,则速度入口边界可用于泡状流的无穷远或入口边界条件。计算表明,亚声速泡状来流的下游扰动会向上游传播,从而需要将入口边界远离水翼;而超声速泡状来流在水翼前端形成弓形脱体压缩激波,下游扰动向上游的传播不超过波阵面。激波上游的气体体积分数大于其下游的值。正激波的上下游流动计算结果基本满足泡状流动力激波的激波关系。