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[学位论文] 何木川天津大学 2018年硕士导师: 张金利共79页

摘要 : 微混合器的通道尺寸一般在微纳尺度（当量直径小于1mm）。这种设备具有很大的表面积/体积比值，能够促进流体在通道中快速混合，使得微混合器在有机合成、液液乳化、高通量筛选以及生命科学领域均有广阔的应用前景。微混合器根据输入能量方式分为主动... 展开微混合器的通道尺寸一般在微纳尺度（当量直径小于1mm）。这种设备具有很大的表面积/体积比值，能够促进流体在通道中快速混合，使得微混合器在有机合成、液液乳化、高通量筛选以及生命科学领域均有广阔的应用前景。微混合器根据输入能量方式分为主动式和被动式微混合器，前者依靠外界能量扰动流体进行混沌混合，但加工困难，成本较高；后者除了需要提供流体流动的能量外，不再需要其他外在的动力，因此成为微混合器研究热点。为了能在较宽雷诺数范围内提高混合效率，本文在平面E型微混合器中引入跨桥结构，构造了一种新型“桥-街”结构跨桥式微混合器。通过数值求解三维N-S方程，并采用组分输送模型，对比了六种不同的跨桥式微混合器的混合性能。结果表明，在低雷诺数时，跨桥通道内的倾斜界面增大了界面面积，提高了传质效率；而在高雷诺数时，过桥通道容易产生涡流，促进对流扩散。其中，在Re=0.5-100范围内，最优跨桥式微混合器DBEM-3的混合效率大于94.65%。本文进一步研究了不同黏度比流体和幂律流体在DBEM-3微混合器中的混合性能，结果表明，DBEM-3在三种不同的流体系统中均具有良好的混合效率，因此在生物化学分析或混合系统中具有广阔的应用前景。此外，本文还探究了氮气进料对液相组分间混合效率的影响，主要对氮气进料方式、进气速度以及不同黏度流体、幂律流体等因素进行了研究。结果表明，在模拟条件下，四种氮气进料方式中，氮气均以弹状流形式进行流动，弹头的内循环诱导了液相产生较大漩涡，促进组分直接进行了混沌混合，其中侧边进气方式的混合效果最好。在不同的进气速度中，弹状流的大小和形成时间对液相组分的扰动程度和作用时间均有较大影响。气速越低，液相组分受旋涡作用越小，气速越高时，液相组分受旋涡作用时间越短。对不同黏度流体的混合，随着黏度比值增加，氮气受局部黏性差异影响，弹头所诱导漩涡的速度梯度增大，从而增大了液相流体的扰动，强化流体在氮气附近快速混合。对于幂律流体，流变指数n值越小，越容易受到弹状流扰动影响，生成更大涡流，混合效果的强化更为明显。收起

关键词 : 跨桥式微混合器雷诺数范围氮气进料混合效率

2. 基于改进湍流模型圆柱体涡激振动关键影响参数的数值分析

[学位论文] 翟云贺哈尔滨工程大学 2019年博士导师: 宋儒鑫共270页

摘要 : 涡激振动是引起海洋管线疲劳损伤的一个重要因素，涡激振动特性的准确描述有助于疲劳寿命的精准预报，从而保证管线安全稳定的工作。海洋管线的涡激振动极其复杂，多简化为刚性圆柱体作为其机理研究的基础，而柔性管线涡激振动的数值模拟中也多采用“... 展开涡激振动是引起海洋管线疲劳损伤的一个重要因素，涡激振动特性的准确描述有助于疲劳寿命的精准预报，从而保证管线安全稳定的工作。海洋管线的涡激振动极其复杂，多简化为刚性圆柱体作为其机理研究的基础，而柔性管线涡激振动的数值模拟中也多采用“切片法”，因此刚性圆柱体振动特性的研究对柔性管线涡激振动特性的预报起指导作用，是当前深入理解涡激振动机理的主要手段。近几十年出现大量有关刚性圆柱体涡激振动的研究，得到了很多经典的现象和结论，但目前人们并未完全掌握其振动机理以及相关参数的影响规律。本文基于开源CFD软件平台OpenFOAM，采用RANS方法结合改进的湍流模型开展了刚性圆柱体涡激振动的数值研究，系统地讨论了固有频率比、质量阻尼比、雷诺数以及自由度等参数对振动特性的影响规律。具体的研究内容如下: 亚临界雷诺数范围内，RANS方法结合现有湍流模型圆柱绕流的模拟中存在着边界层过早发生转捩以及圆柱后侧尾流场粘性系数过度预报的问题，会导致圆周压力系数、分离角等参数分布的偏差。针对上述问题，本文结合SST k-ω和Launder与Sharma的低雷诺数k-ε(LSKE)模型的特点，提出了一种改进的湍流模型，对边界层和尾流场湍动能生成项和耗散项进行了修正。基于平板绕流问题的模拟，从湍流壁面率、网格收敛性和壁面网格敏感性三方面验证了改进湍流模型的可行性;在此基础上，分析了改进湍流模型在静止圆柱绕流问题模拟中的准确性，并对该模型适用的雷诺数范围进行了界定。应用改进的湍流模型在亚临界雷诺数范围内开展了圆柱体横流向涡激振动的数值模拟，在低质量阻尼比系统中成功模拟出包括“上端分支”在内的典型三响应分支，通过与试验以及其他湍流模型模拟结果的对比验证了改进湍流模型在涡激振动模拟中的准确性。系统的讨论了质量比、阻尼比和雷诺数等关键参数对圆柱体横流向涡激振动特性的影响，归纳总结振幅、振动频率、升力和阻力系数以及力与位移的相位差等特征参数的变化规律。TrSL3雷诺数范围内成功模拟出与试验接近的更大振幅(1.79D)以及更广的锁定区域，对照Govardhan和Williamson的改进Griffin拟合曲线讨论了横流向最大振幅随质量阻尼比和雷诺数的变化规律。应用改进的湍流模型，在亚临界雷诺数范围内开展了圆柱体双自由度涡激振动的数值模拟，得到与试验吻合更好的“超上端分支”，通过对比验证了改进湍流模型在圆柱体双自由度涡激振动模拟中的准确性。不同速度入口条件下模拟出与试验相似的“迟滞”现象，并对相关参数的影响进行了研究。在TrSL2雷诺数范围内系统讨论了质量比和阻尼比对振幅、振动频率、升力和阻力系数等参数的影响规律。TrSL3雷诺数范围内观察到了幅值更大、范围更广的“超上端分支”和锁定区域，在亚临界雷诺数范围内讨论了雷诺数对低质量阻尼比圆柱体双自由度涡激振动特性的影响规律。在TrSL2雷诺数范围内应用改进的湍流模型开展了固有频率比(fnx/fny)对圆柱体双自由度涡激振动特性影响的研究，相比1.0≤fnx/fny≤2.0，fnx/fny＞ 2.0后振幅曲线的形态发生了较大的改变，得到了与试验类似的“双峰”现象，相应的振动频率、附加质量以及力系数等参数的变化趋势也出现了较大的差异，对应振幅较大的约化速度范围内，升力和阻力系数分别出现了幅值较大的三倍和四倍甚至更高倍的频率分量。系统分析了振幅、频率、力系数、附加质量、相位差以及振动轨迹等参数随固有频率比的变化规律。收起

关键词 : 海洋管线涡激振动数值模拟改进湍流模型雷诺数范围