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基于拉格朗日法偏心双螺杆挤出机混合机理分析

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中国塑料 2020年第8期34卷 57-62页

作者：滕健王东阳朱向哲辽宁石油化工大学机械工程学院辽宁抚顺113001 抚顺市技师学院辽宁抚顺113123

利用有限时间李雅普诺夫指数(FTLE)和拉格朗日拟序结构(LCS),并结合混合指数和瞬时混合效率等,对比分析了偏心距为0、2、4 mm的3种偏心双螺杆挤出机流场内的混合特性。结果表明,当偏心距为4 mm时,偏心双螺杆挤出机中流体粒子的遍历范围... 详细信息

利用有限时间李雅普诺夫指数(FTLE)和拉格朗日拟序结构(LCS),并结合混合指数和瞬时混合效率等,对比分析了偏心距为0、2、4 mm的3种偏心双螺杆挤出机流场内的混合特性。结果表明,当偏心距为4 mm时,偏心双螺杆挤出机中流体粒子的遍历范围较大,拉格朗日拟序结构较为完整;流域中存在双曲不动点,流体粒子经历了相对较好的拉伸和压缩作用。通过瞬时混合效率参数分析表明,偏心距为4 mm的偏心双螺杆挤出机的混合效率优于其他2种模型。

关键词：偏心双螺杆挤出机拉格朗日拟序结构有限时间李雅普诺夫指数混合指数瞬时混合效率

基于拉格朗日的单螺杆销钉挤出机混沌混合分析

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工程塑料应用 2018年第5期46卷 72-76页

作者：李飞朱向哲刘俭辽宁石油化工大学辽宁抚顺113001

从拉格朗日理论的新视角,分析了高分子聚合物熔体在单螺杆销钉挤出机内的流型结构以及流动行为,揭示了销钉强化聚合物熔体输运和混沌混合的机理。使用有限元软件Polyflow计算了流场的速度分布和混合指数;借助Matlab数学软件进行自主编... 详细信息

从拉格朗日理论的新视角,分析了高分子聚合物熔体在单螺杆销钉挤出机内的流型结构以及流动行为,揭示了销钉强化聚合物熔体输运和混沌混合的机理。使用有限元软件Polyflow计算了流场的速度分布和混合指数;借助Matlab数学软件进行自主编程对速度场进行积分得到了三种不同销钉挤出机模型的有限时间李雅普诺夫指数。结果显示,在加入销钉之后,单螺杆销钉挤出机流域中出现了圆柱绕流现象,绕流产生的尾迹将撞击螺棱,销钉和螺棱的这种相互作用将加剧聚合物熔体的拉伸作用。每个销钉都将产生尾迹,随着销钉数量的增加,导致流域中产生了更多的尾迹。尾迹与销钉相互作用得到了增强,导致流域中产生了更多的涡结构,说明流域中的大部分熔体处于混沌混合的状态。混沌混合使销钉挤出机内的流体拉伸作用得到了增强,流体的混合指数得到增加,混合效率也逐渐增大。

关键词：拉格朗日单螺杆销钉挤出机混合指数有限时间李雅普诺夫指数混沌混合

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偏心双螺杆挤出机混沌混合机理研究

偏心双螺杆挤出机混沌混合机理研究

作者：滕健辽宁石油化工大学

学位级别：硕士

双螺杆挤出机是常用的挤出设备。普通双螺杆挤出机螺杆元件只能导致其流体界面线性增加,难以产生流体的混沌效应。而混沌效应是强化高黏度流体层流混合效率的重要手段。近年来,出现了基于混沌效应的偏心双螺杆挤出机。与传统的双螺杆挤... 详细信息

双螺杆挤出机是常用的挤出设备。普通双螺杆挤出机螺杆元件只能导致其流体界面线性增加,难以产生流体的混沌效应。而混沌效应是强化高黏度流体层流混合效率的重要手段。近年来,出现了基于混沌效应的偏心双螺杆挤出机。与传统的双螺杆挤出机相比,偏心双螺杆挤出机流场结构为非对称,流体的运动形式为非线性。工作时两个偏心螺杆元件紧密捏合,同步转动,两者之间的径向间隙较小,具有排气性能好,较好的自洁性,剪切速率分布均匀和输送效率高等优点。本文基于混沌动力学理论及拉格朗日法对偏心双螺杆挤出机的混沌混合机理进行有限元分析。采用偏心啮合盘作为动力元件。借助有限时间李雅普诺夫指数,拉格朗日拟序结构,Poincaré截面和粒子追踪等,研究了偏心距为4mm、2mm和0mm的三种偏心双螺杆挤出机在两螺杆元件同向旋转和异向旋转两种情况下流场内二维端面的混沌混合机理,确定了流场中双曲不动点以及非混沌混合区的位置,重点讨论了偏心距对流场内混合的影响规律。利用粒子追踪和李雅普诺夫指数分析了流场中特殊位置的局部混合特性,通过瞬时混合效率,时间平均混合效率和对数拉伸,对比分析了不同偏心距模型的混合能力。结合速度矢量场,不同截面位置的混合指数和剪切速率云图分析了流场在三维状态下的混合特性,并分析了单个粒子的轨迹分布情况及混沌特性。研究结果表明,对于偏心双螺杆挤出机中流体粒子的遍历范围较大,拉格朗日拟序结构较为完整,形成了“lobes”结构,流域中存在双曲不动点。lobes结构强化了强、弱混合区的物质交换,双曲不动点促进了其附近粒子团发生物质交换,流体粒子会经历相对较好的拉伸和压缩作用。流域中混沌区域面积较大,流体粒子是随机运动,有利于分布混合和分散混合。在三维状态下粒子轨迹形状较为复杂,速度矢量场分布较为密集,混合指数和剪切速率相对较大。且偏心距越大混合效果越好,流体粒子经历拉伸和折叠的程度越大。而无偏心(e=0mm)双螺杆挤出机,其流域是对称式分布,流体粒子的运动状态是有序的,大部分粒子在做线性运动,流场并没有处于混沌状态。

关键词：螺杆挤出机有限时间李雅普诺夫指数拉格朗日拟序结构庞加莱截面粒子追踪混沌混合机理

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复杂多相流动的数值模拟与分析

复杂多相流动的数值模拟与分析

作者：白泽宇北京理工大学

学位级别：硕士

多相流动是指在同一流动体系中，同时存在多种介质的复杂流动现象。空化现象和通气两相流是水动力学问题中常见的多相流动现象，两者均属于气/汽-液两相流动，涉及到复杂的相间作用力及相界面的形成、发展、脉动和破裂等非定常流动现象... 详细信息

多相流动是指在同一流动体系中，同时存在多种介质的复杂流动现象。空化现象和通气两相流是水动力学问题中常见的多相流动现象，两者均属于气/汽-液两相流动，涉及到复杂的相间作用力及相界面的形成、发展、脉动和破裂等非定常流动现象，其在水力机械、水下发射、航空航天、化学生产等诸多领域均有广泛的应用。本文针对非定常空化流动及通气气液两相流动，发展了一套多相流动数值计算方法，通过与实验数据的对比评价了其适用性，并采用基于有限时间李雅普诺夫指数（FTLE）场的拉格朗日拟序结构（LCS），结合欧拉体系分析方法对绕圆盘空化流动及方腔通气两相流动的流场结构和流动机理进行了分析。本文的主要研究成果如下：1）发展了一套适用于空化流动及通气两相流动的数值计算方法。该方法基于RANS模型，耦合了能准确反应相间作用力及相间质量输运过程的非均相流模型，结合Level Set界面处理方法以精确捕捉相界面的运动，控制方程通过标准k-ε湍流模型封闭，采用Kubota空化模型描述相间质量传输;2）评价了非均相流模型在空化流动及通气两相流动计算中的适用性。基于非均相流模型的多相流动数值计算方法对于空化流动及通气两相流动均具有良好的适用性。在非定常空化流动的计算中，非均相流模型能够捕捉到水翼周围大尺度空泡团的周期性脱落及附着空穴区域的纯气相区域;在通气两相流动的计算中，非均相流模型能准确预测平板上方气泡的周期性断裂、上漂现象，计算平板模型中气液两相界面的表面张力，从而更准确模拟气相的非定常流动特性。3）采用以有限时间李雅普诺夫指数（FTLE）和拉格朗日拟序结构（LCS）分析为主的拉格朗日体系分析方法，结合Q分布等欧拉体系分析方法，对绕圆盘空化流动及方腔通气两相流动进行了分析。FTLE场反映了流场中相邻质点之间的分离程度， LCS则将流场划分为运动特性不同的区域。在空化流动的分析中，LCS能识别出圆盘前段运动受阻碍的流体流道，且对空穴区域涡旋结构的识别效果明显好于Q判据;在方腔通气两相流动中，LCS能捕捉到主流区与回流区的交界面，以及气泡束两侧的大尺度涡旋结构。在绕圆盘非定常空化流动中，随着空穴尺度的增大，涡旋结构得到加强，且涡旋结构的尺度减小，分布范围更加集中;反向射流强度的周期性变化是造成空穴周期性膨胀收缩和涡旋结构周期性变化和运动;支杆附近绕流存在明显的三维效应。在方腔通气气液两相流动中，流动过程包括气泡束形成阶段和气泡束摆动阶段。在第一阶段，气体在水中形成气泡束，气泡束两侧液相流体中形成对称涡旋结构;在第二阶段，气泡束出现周期性摆动，伴随其摆动，自由液面处的两个涡旋结构沿着气泡束的左右两侧交替向方腔底部运动。

关键词：空化流动通气两相流动非均相流模型拉格朗日拟序结构有限时间李雅普诺夫指数

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

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ABC dynamo的磁场与流场结构研究

ABC dynamo的磁场与流场结构研究

作者：张涛上海交通大学

学位级别：硕士

Dynamo理论是描述天体磁场被其内部的旋转导电流体诱导放大并维持的理论,它是迄今为止最为人们所广泛接受的用以解释地球磁场产生的理论。在其被提出的近百年来,虽然大部分的问题都已经被解决,但是人们依然还未完全理解dynamo理论的详... 详细信息

Dynamo理论是描述天体磁场被其内部的旋转导电流体诱导放大并维持的理论,它是迄今为止最为人们所广泛接受的用以解释地球磁场产生的理论。在其被提出的近百年来,虽然大部分的问题都已经被解决,但是人们依然还未完全理解dynamo理论的详细机理。在此背景下,本文采用谱方法对dynamo理论中一种具有fast dynamo性质的典型模型ABC dynamo进行了数值模拟。在验证了可靠性后,对流动在完全对称情况下的磁场能量演化进行了分析。发现了能量的振荡是磁场翻转所导致。并且通过磁场结构演化的分析对翻转的过程进行了解释,同时引出了磁场主轴的概念。之后在对临界情况下磁场演化的分析中发现磁场的主轴消失,翻转的模式发生了改变。在流场分析中,本文通过有限时间李雅普诺夫指数（简称FTLE）引入了流场中拉格朗日拟序结构（简称LCSs）的概念,并进一步提出了流场的骨架结构。通过分析发现这类结构与磁场的能量分布和演化有着重要的关系。在完全对称的模型中,磁场结构与骨架结构有着严格的几何关系。虽然随着参数变化这种几何关系也会发生改变,但是磁场能量的分布却依然与流场中的驻点以及LCS有着密切的联系。

关键词： Dynamo 有限时间李雅普诺夫指数拉格朗日拟序结构磁场结构

基于拉格朗日方法的通气云状空泡三维非定常脱落特性研究

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宇航总体技术 2020年第3期4卷 10-21页

作者：段忠平刘涛涛张孟杰黄彪王国玉北京理工大学机械与车辆学院北京100081

采用均相流模型并结合FBM湍流模型,对绕轴对称回转体通气云状空泡流动特性进行了三维数值模拟,基于实验结果对数值方法进行验证,同时利用基于拉格朗日体系的有限时间李雅普诺夫指数(FTLE)、拉格朗日拟序结构(LCS)和粒子追踪方法分析了... 详细信息

采用均相流模型并结合FBM湍流模型,对绕轴对称回转体通气云状空泡流动特性进行了三维数值模拟,基于实验结果对数值方法进行验证,同时利用基于拉格朗日体系的有限时间李雅普诺夫指数(FTLE)、拉格朗日拟序结构(LCS)和粒子追踪方法分析了其三维非定常脱落特性。研究结果表明:纵截面上空泡覆盖区域的拉格朗日拟序结构整体呈椭球状分布,内部为不规律的复杂拟序结构;不同横截面上拟序结构分布存在很大差异。空泡内部的非对称流动结构和周向流动导致空泡呈现很强的三维运动特性。反向射流在周向上推进的不同步性,是造成空泡呈现不规则断裂和大尺度U型空泡团脱落的主要原因。

关键词：通气云状空泡三维非定常特性有限时间李雅普诺夫指数拉格朗日拟序结构

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盘管构型HQ管降噪特性及流动结构研究

天然气与石油 2023年第6期41卷 28-37页

作者：黄腾龙周国龙汪新宇陈智哲潘彪刘良水张家忠西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049 国家管网集团北京管道有限公司北京100101 北京嘉尔德科技有限公司北京100088

在赫歇尔—昆克(Herschel-Quincke,HQ)管降噪理论基础上,提出了采用盘管构型降低HQ管占用空间的方法,并分析了管道降噪性能及相应流动的Lagrangian拟序结构。首先,针对给定模型,结合声模态理论和数值模拟,研究了HQ管管长以及管道宽度对... 详细信息

在赫歇尔—昆克(Herschel-Quincke,HQ)管降噪理论基础上,提出了采用盘管构型降低HQ管占用空间的方法,并分析了管道降噪性能及相应流动的Lagrangian拟序结构。首先,针对给定模型,结合声模态理论和数值模拟,研究了HQ管管长以及管道宽度对降噪性能的影响规律,发现对于低频噪声,HQ管管道须达到一定的长度要求,并基于此确定了在给定模型条件下的HQ管参数;然后,利用此参数设计了盘管以及直管形式的3种HQ管结构,并进行了对比分析,结果表明,在长度一定时,直管与盘管平均噪声传递损失仅相差0.05 dB,而有限空间下直管平均噪声传递损失则由于管长降低而低于盘管0.41 dB;最后,结合有限时间李雅普诺夫指数(Finite-time Lyapunov exponent,FTLE)对HQ管中的流动结构进行了分析,发现了盘管条件下侧壁存在的分离区,通过FTLE识别出分离区的边界并相应调整了管道宽度,降噪效果恢复到与直管相当水平。综上,所提出的HQ管进行盘绕既可以有效地降低HQ管占用空间,又能保证HQ管降噪性能。盘管对流动结构产生的影响,可以在保证降噪效果的前提下进一步通过HQ管宽度进行调控。

关键词： HQ管降噪有限时间李雅普诺夫指数

利用常数周期脉冲法控制耦合Φ~4映象的混沌运动

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石家庄铁道学院学报 2006年第1期19卷 38-41页

作者：刘虎张闪单勇石家庄铁道学院数理系沧州师范专科学校团委

推广了常数周期脉冲方法对保守系统的混沌控制,将其应用到高维耦合连续映象保守系统—耦合Φ4映象中,实现了对哈密顿系统的目标控制。通过计算相空间各混沌轨道的有限时间李雅普诺夫指数,得到有限时间收敛区,利用混沌轨道的有限时间收敛... 详细信息

推广了常数周期脉冲方法对保守系统的混沌控制,将其应用到高维耦合连续映象保守系统—耦合Φ4映象中,实现了对哈密顿系统的目标控制。通过计算相空间各混沌轨道的有限时间李雅普诺夫指数,得到有限时间收敛区,利用混沌轨道的有限时间收敛性,通过持续的常数周期脉冲扰动使混沌轨道的稳定片断构成一个周期轨道,从而实现对哈密顿系统的混沌控制。

关键词：混沌控制有限时间李雅普诺夫指数耦舍Ф^4映象哈密顿系统