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三螺杆挤出机端面二维流场混沌混合拉格朗日拟序结构分析

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化工学报 2016年第10期67卷 4378-4388页

作者：佟莹朱向哲高鹤何延东辽宁石油化工大学机械工程学院辽宁抚顺113001

三螺杆挤出机是一种新型的聚合物流体加工设备,其独有的中心区呈现出几何结构和受力状态的周期性变化,混合机理非常复杂。区别于传统的线性混合分析,从拉格朗日体系的新视角对三螺杆挤出机混沌混合进行拉格朗日拟序结构分析,利用有限时... 详细信息

三螺杆挤出机是一种新型的聚合物流体加工设备,其独有的中心区呈现出几何结构和受力状态的周期性变化,混合机理非常复杂。区别于传统的线性混合分析,从拉格朗日体系的新视角对三螺杆挤出机混沌混合进行拉格朗日拟序结构分析,利用有限时间Lyapunov指数(FTLE)、拉格朗日拟序结构(LCS),结合Poincaré截面和粒子可视化技术研究三螺杆挤出机二维流场的流体输运和混沌混合机理,讨论了中心区动态结构特性对FTLE和LCS分布的影响,并与单螺杆挤出机和双螺杆挤出机进行了对比分析。结果表明,LCS将三螺杆挤出机流域划分为近螺杆区、远螺杆区和中心区3个具有不同运动特性的区域,扭结是连接近螺杆区、远螺杆区和中心区物质交换的桥梁。随着混合时间的增加,扭结的弯曲和折叠程度逐渐增大,增强了3个区域的物质交换,强化了三螺杆流场的混沌混合。三螺杆挤出机啮合区附近存在3个双曲固定点,混合能力较好。Poincaré截面中椭圆周期点的出现说明在流域中心有非混沌区存在,因此三螺杆挤出机的中心区混合能力相对较弱。

关键词：三螺杆挤出机有限时间Lyapunov指数拉格朗日拟序结构混沌混合流动计算流体力学数值分析

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绕圆盘空化流动的拉格朗日拟序结构分析

兵工学报 2014年第3期35卷 362-370页

作者：白泽宇王国玉吴钦黄彪北京理工大学机械与车辆学院北京100081

基于有限时间Lyapunov指数(FTLE)和拉格朗日拟序结构(LCS)对绕圆盘空化器非定常空化流动机理进行了分析。数值计算中采用了能准确反映气液两相相间作用的非均相流模型,通过与实验结果的对比,验证了计算结果的可靠性。分析结果表明:FTLE... 详细信息

基于有限时间Lyapunov指数(FTLE)和拉格朗日拟序结构(LCS)对绕圆盘空化器非定常空化流动机理进行了分析。数值计算中采用了能准确反映气液两相相间作用的非均相流模型,通过与实验结果的对比,验证了计算结果的可靠性。分析结果表明:FTLE场中出现两种LCS——平直LCS和环状LCS,平直LCS反映了圆盘对流体运动的阻碍作用,环状LCS准确捕捉了圆盘后部大尺度涡旋结构的边界及涡心的位置;随着空穴尺度增大,涡旋结构得到加强,分布更为集中;反向射流强度的周期性变化是造成空穴和涡旋结构周期性变化和运动的原因,反向射流强度增大使得圆盘后端面出现低FTLE值区域,该区域与轴截面上的流线起始点存在对应关系。

关键词：流体力学拉格朗日拟序结构有限时间Lyapunov指数非均相流模型空化流动

基于拉格朗日拟序结构的局部激励流动分离控制有效性分析方法

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航空学报 2016年第8期37卷 2490-2497页

作者：康伟张权麒代向艳刘磊西北工业大学航天学院西安710072 空军工程大学航空航天工程学院等离子体动力学重点实验室西安710038

从流体输运角度提出了用于局部周期激励流动分离控制有效性研究的数值分析方法。基于有限时间不变流形理论建立用于非定常流动的流体输运分析方法,并采用数值方法从非定常流场中提取得到吸引拉格朗日拟序结构(LCSs)和排斥LCSs描述流体... 详细信息

从流体输运角度提出了用于局部周期激励流动分离控制有效性研究的数值分析方法。基于有限时间不变流形理论建立用于非定常流动的流体输运分析方法,并采用数值方法从非定常流场中提取得到吸引拉格朗日拟序结构(LCSs)和排斥LCSs描述流体输运行为。通过对局部周期激励的流动分离控制规律的研究,结果表明存在三种与激励频率相关的影响翼型气动特性的流体输运模式,其中在锁频激励下吸引LCSs在前缘形成的尖楔结构有效增强主流与分离区流体的物质交换,减小翼面流动分离区的面积,显著提高翼型升力。

关键词：流动分离流动控制锁频流体输运拉格朗日拟序结构增升

4WS转子密炼机聚合物混沌混合的拉格朗日拟序结构分析

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高校化学工程学报 2016年第6期30卷 1274-1283页

作者：高鹤朱向哲佟莹何延东辽宁石油化工大学机械工程学院辽宁抚顺113001

采用拉格朗日拟序结构的分析方法,对标准四棱4WS转子密炼机聚合物混沌混合进行研究。利用网格叠加技术(MST),计算了密炼机二维流场的速度场分布。在此基础上,利用基于拉格朗日体系的有限时间Lyapunov指数(FTLE)、拉格朗日拟序结构(LCS)... 详细信息

采用拉格朗日拟序结构的分析方法,对标准四棱4WS转子密炼机聚合物混沌混合进行研究。利用网格叠加技术(MST),计算了密炼机二维流场的速度场分布。在此基础上,利用基于拉格朗日体系的有限时间Lyapunov指数(FTLE)、拉格朗日拟序结构(LCS),结合Poincaré映射和粒子可视化技术,分析了4WS转子密炼机二维流场的混沌混合特性;讨论了转子几何结构对FTLE和LCS分布的影响以及密炼机二维流场潜在的动力学和几何特性。结果表明,由于物质线的封闭状态,导致了密炼机近转子区流体输运受到了阻碍,因此,增强近转子区与远转子区的物质交换是进行转子优化的重要环节。由于4WS转子棱边独特的凹槽结构,在近转子区易产生马蹄形结构,在流域中形成同宿穿插结构,增强了近转子区和远转子区之间的物质交换,强化了密炼机流场的混沌混合。

关键词：密炼机混沌混合有限时间Lyapunov指数拉格朗日拟序结构

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莱州湾潮流场拉格朗日拟序结构研究

水动力学研究与进展（A辑） 2021年第1期36卷 95-101页

作者：张燕伟冯依蕾冯存岸王子文张学庆中国海洋大学环境科学与工程学院青岛266100 海洋环境与生态教育部重点实验室青岛266100

海洋流体中的拉格朗日拟序结构可用来描述海洋中的流动、物质输运和混合特征。该文在莱州湾水动力模拟的基础上,计算了莱州湾的拉格朗日拟序结构。在莱州湾,潮驱动的拉格朗日拟序结构相对稳定,对积分时间和初始时刻不敏感。通过前向和... 详细信息

海洋流体中的拉格朗日拟序结构可用来描述海洋中的流动、物质输运和混合特征。该文在莱州湾水动力模拟的基础上,计算了莱州湾的拉格朗日拟序结构。在莱州湾,潮驱动的拉格朗日拟序结构相对稳定,对积分时间和初始时刻不敏感。通过前向和后向拉格朗日拟序结构的联合分析,黄河口附近存在南北向的输运通道,受地形的影响,莱州湾湾口西部和莱州浅滩附近存在明显的输运屏障;拉格朗日拟序结构也揭示了湾内的涡旋结构和物质扩散能力弱的特点。研究结果表明拉格朗日拟序结构是解释复杂流动现象的强有力工具,对研究近海的物质输运规律具有重要的意义。

关键词：有限时间李雅普诺夫指数莱州湾物质输运拉格朗日拟序结构

基于拉格朗日拟序结构的黑潮区域海流运输结构提取和分析

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海洋学报 2020年第5期42卷 12-21页

作者：田丰林任一丹何遒陈戈中国海洋大学信息科学与工程学院山东青岛266100 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室山东青岛266237

海流的拉格朗日运动对于研究物质输送有着重要意义,拉格朗日拟序结构(LCSs)作为研究海流结构的新型方法,相比于传统欧拉方法更为客观。本文提出了一种新的计算LCSs束的方法,基于25年的平均速度场,利用变分方法计算得到黑潮区域的气候态L... 详细信息

海流的拉格朗日运动对于研究物质输送有着重要意义,拉格朗日拟序结构(LCSs)作为研究海流结构的新型方法,相比于传统欧拉方法更为客观。本文提出了一种新的计算LCSs束的方法,基于25年的平均速度场,利用变分方法计算得到黑潮区域的气候态LCSs,并通过简化合并的方法得到了气候态LCSs束,该LCSs束能够突出地显示出海流特性和运输模式,其代表的平均拉格朗日环流有很强的约束作用,且具有鲁棒性。最终我们获得了气候态下12个月份的流场结构图,揭示了月周期性拉格朗日环流规律。本文还利用虚拟粒子输运、多年浮标轨迹以及气候态温盐异常3种方法进行了验证,与拉格朗日运输模式相吻合,证明了海流拉格朗日拟序结构的准确性和可靠性。

关键词：黑潮拉格朗日拟序结构物质输运气候态

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吕宋海峡浮标轨迹的拉格朗日拟序结构分析

热带海洋学报 2015年第1期34卷 15-22页

作者：黄高龙韦惺詹海刚热带海洋环境国家重点实验室(中国科学院南海海洋研究所) 广东广州510301 中国科学院大学北京100049

文章利用海表流速得到的拉格朗日拟序结构(Lagrangian coherent strctures,LCSs),并结合漂流浮标轨迹资料,分析吕宋海峡附近水域表层环流和水输运特征。结果显示,LCSs能够很好地描绘吕宋海峡附近水域的表层水体输运结构,解释了浮标运动... 详细信息

文章利用海表流速得到的拉格朗日拟序结构(Lagrangian coherent strctures,LCSs),并结合漂流浮标轨迹资料,分析吕宋海峡附近水域表层环流和水输运特征。结果显示,LCSs能够很好地描绘吕宋海峡附近水域的表层水体输运结构,解释了浮标运动轨迹的变化。冬季,吕宋海峡附近水域存在着条带状LCSs,以东南-西北走向由太平洋穿过吕宋海峡进入南海;夏季,跨海峡的LCSs在形态上转变为西南-东北走向,并由南海经吕宋海峡进入太平洋。LCSs形成的输运通道与壁垒揭示了吕宋海峡水交换季节变化的原因,太平洋与南海表层水主要沿着以上两种形态LCSs构成的输运通道进行交换。

关键词：吕宋海峡表层水交换黑潮漂流浮标拉格朗日拟序结构

平行三螺杆挤出机聚合物混沌混合的拉格朗日拟序结构分析

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工程塑料应用 2019年第3期47卷 65-71页

作者：郭大闯朱向哲滕健李云鹏辽宁石油化工大学机械工程学院辽宁抚顺113001

从拉格朗日拟序结构的新视角,对三螺杆挤出机二维流场的动力学特性进行有限元分析。采用4阶Runge-Kutta法计算粒子的运动轨迹,验证了时间步长对计算结果精确度的影响。利用有限时间李雅普诺夫指数(FTLE),Poincaré截面和粒子可视化技术... 详细信息

从拉格朗日拟序结构的新视角,对三螺杆挤出机二维流场的动力学特性进行有限元分析。采用4阶Runge-Kutta法计算粒子的运动轨迹,验证了时间步长对计算结果精确度的影响。利用有限时间李雅普诺夫指数(FTLE),Poincaré截面和粒子可视化技术分析了三螺杆挤出机流场的混沌混合机理。结果表明,拉伸和折叠作用促进了流体粒子的物质交换。由于在啮合区存在双曲不动点,混合效率较高,啮合区是流场混沌混合的主要区域;在紧靠螺杆壁区域,物质线的闭合导致流体输运受阻,近螺杆区混合效果较差。通过与双螺杆挤出机进行拉格朗日拟序结构(LCS)结构的比较发现,由于啮合区的增加,强化了挤出机流场的混沌混合;通过对数拉伸值的比较,三螺杆挤出机的混合能力优于双螺杆挤出机。

关键词：拉格朗日拟序结构三螺杆挤出机混沌混合有限时间李雅普诺夫指数 Poincaré截面

台湾以东黑潮和中尺度涡的拉格朗日拟序结构研究

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台湾以东黑潮和中尺度涡的拉格朗日拟序结构研究

作者：张成卓国防科技大学

学位级别：硕士

拟序结构是流体力学中的一个重要概念,物质的拟序性是构建降阶模型的物理基础,而降阶模型是流场可视化的重要工具。虽然基于欧拉框架的拟序结构提取方法比较成熟,但是如果将其应用于时变流场,则其在客观性和物理意义等方面仍存在一些问... 详细信息

拟序结构是流体力学中的一个重要概念,物质的拟序性是构建降阶模型的物理基础,而降阶模型是流场可视化的重要工具。虽然基于欧拉框架的拟序结构提取方法比较成熟,但是如果将其应用于时变流场,则其在客观性和物理意义等方面仍存在一些问题。拉格朗日方法是从物质本身的角度出发,具有示踪剂的特性,拉格朗日拟序结构就是根据物质粒子运动规律提取的最具影响的结构特征。因此,基于拉格朗日方法的拟序结构（LCS）理论和方法近年来成为国内外的研究热点,同时受到可视化技术研究人员和物理海洋学家的广泛关注。另外,海洋中的拉格朗日拟序结构对研究物质输运、污染物扩散、漂浮物体运动轨迹确定以及在海上人员搜救等方面都有巨大需求和应用潜力。祖国的宝岛台湾位于大陆架的边缘,其东部海底地形陡峭,是太平洋西边界的一部分。台湾以东区域常年受到黑潮和中尺度涡的影响,其海洋流场结构复杂多变,因此研究台湾以东的黑潮和中尺度涡对国防军事、生产生活以及航行安全等都有重要价值。本文主要针对提取拉格朗日拟序结构的算法精度以及在海洋流场中的应用开展研究,主要贡献和创新成果如下:（1）针对海洋流场有限时间李雅普诺夫指数场（Finite Time Lyapunov Exponents,FTLE）的计算精度问题分析了不同流场插值方法对粒子积分轨迹和FTLE值的影响,实验结果表明基于双样条插值的流场计算误差最小。应用基于对偶数理论的高精度计算方法分析了在不同网格精度数值方法对FTLE值的影响,实验结果表明基于对偶数法的FTLE计算精度更高,在解析流场时可以有效避免差分法求导带来的截断误差,从而更精确地获得了解析流场中的拉格朗日拟序结构。（2）针对台湾以东1993-2016年的地转流速度场数据进行了分析,分别对24年平均速度场、逐年平均速度场和月平均速度场计算了FTLE。FTLE场可以清楚看到黑潮的主轴结构。创新提出基于FTLE山谷线的黑潮主轴提取方法,实验结果表明新方法提取的黑潮主轴其物理意义更加明显,受到中尺度涡的影响更小。同时新方法可以准确识别中尺度涡的边界,可视化效果较传统方法更好。（3）以台湾以东亚热带逆流区的部分区域作为研究区域,对比分析了基于欧拉方法和拉格朗日拟序结构方法识别和跟踪的中尺度涡旋的特征。结果表明基于拉格朗日拟序结构的旋转拉格朗日拟序涡具有良好的物质连贯性,涡旋边界作为连贯水体的物质边界证明了部分中尺度涡的物质携带能力。对比分析了欧拉方法提取的涡旋和拉格朗日方法提取的涡旋统计特征,得到两种涡旋的空间分布规律以及半径的分布规律。拉格朗日拟序涡的数量明显比欧拉涡少;虽然拉格朗日拟序涡的平均半径明显小于欧拉涡,两者均服从正偏态分布。

关键词：拉格朗日拟序结构有限时间李雅普诺夫指数黑潮中尺度涡流场可视化