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磁等离子体发动机的多流体模拟

火箭推进 2024年第2期50卷 57-66页

作者：杨振宇鲁海峰范威张元哲西安航天动力研究所陕西省等离子体物理与应用技术重点实验室陕西西安710100

磁等离子体发动机(magnetoplasma rocket engine,MPRE)的离子回旋共振加热(ion cyclotron resonance heating,ICRH)单元将射频能量直接耦合给离子,是发动机的工质加热单元,其加热效果对发动机推力性能有关键影响。为探究ICRH单元的工作... 详细信息

磁等离子体发动机(magnetoplasma rocket engine,MPRE)的离子回旋共振加热(ion cyclotron resonance heating,ICRH)单元将射频能量直接耦合给离子,是发动机的工质加热单元,其加热效果对发动机推力性能有关键影响。为探究ICRH单元的工作规律,建立了用于模拟MPRE的二维轴对称多流体模型,并采用该模型对MPRE中螺旋波等离子体源与不同输入的ICRH单元进行了模拟。计算结果表明:螺旋波等离子体源在放电过程中由于沉积功率分布发生变化而不断经历模式转变过程,模式转变时电子温度出现峰值,等离子体密度迅速上升;开启ICRH输入后,电子参数基本不变,离子温度有明显提升,表明ICRH单元对离子有明显加热效果,且增加输入电流幅值与输入电流匝数均可显著提高离子温度,实现发动机高比冲工作模式。

关键词：磁等离子体发动机螺旋波等离子体源离子回旋共振加热能量耦合流体模拟

磁等离子体发动机中离子回旋共振加热多组分流体模拟

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推进技术 2023年第6期44卷 200-208页

作者：杨振宇范威鲁海峰张元哲韩先伟西安航天动力研究所陕西省等离子体物理与应用技术重点实验室陕西西安710100

离子回旋共振加热(Ion Cyclotron Resonance Heating,ICRH)单元的加热效果对磁等离子体发动机(Magnetoplasma Rocket Engine,MPRE)的推力性能有至关重要影响。为研究ICRH的加热效果,本文建立了用于模拟MPRE中ICRH单元的二维轴对称多组... 详细信息

离子回旋共振加热(Ion Cyclotron Resonance Heating,ICRH)单元的加热效果对磁等离子体发动机(Magnetoplasma Rocket Engine,MPRE)的推力性能有至关重要影响。为研究ICRH的加热效果,本文建立了用于模拟MPRE中ICRH单元的二维轴对称多组分流体模型,并采用该模型对MPRE中螺旋波等离子体源的工作模式与不同输入条件的ICRH单元进行了模拟。计算结果表明:螺旋波等离子体源在放电过程中要经历从Trivelpiece-Gould (TG)波模式向螺旋波模式的转变过程,模式转变时电子温度出现峰值,等离子体密度迅速上升;开启ICRH输入后,电子参数基本不变,离子温度有明显提升,表明ICRH单元对离子有显著加热效果;此外,离子温度随ICRH输入增大而升高,ICRH输入电流150A时,离子温度可达50eV以上。

关键词：磁等离子体发动机螺旋波等离子体源离子回旋共振加热能量耦合流体模拟

基于流体模拟分析的高速分切机负压清洁系统研究开发

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印刷与数字媒体技术研究 2023年第5期 60-68页

作者：邹长星李国俊李波刘娅菲李伟蒋宏婉任仲伟贵州理工学院机械工程学院贵阳550003 中国航发贵州红林航空动力控制科技有限公司工装设备事业部贵阳550009

针对某印刷企业高速分切机生产线裁纸过程中产生的纸屑粉尘污染生产车间及导致纸面清洁度较差的问题,本研究设计了一套适用于该高速分切机生产线的清洁系统。利用计算流体动力学(CFD)方法对清洁系统核心部件进行流体模拟仿真,详细模拟... 详细信息

针对某印刷企业高速分切机生产线裁纸过程中产生的纸屑粉尘污染生产车间及导致纸面清洁度较差的问题,本研究设计了一套适用于该高速分切机生产线的清洁系统。利用计算流体动力学(CFD)方法对清洁系统核心部件进行流体模拟仿真,详细模拟出清洁系统核心部件的压力、速度及流场动态情况。采用理论计算方法对仿真结果数据是否满足清洁效果进行评判。现场实验数据表明,基于流体模拟分析的高速分切机负压清洁系统清洁效果良好,有效改善了裁切纸的纸面质量及环境粉尘状况。

关键词：高速分切机生产线负压清洁系统计算流体动力学流体模拟

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复杂场景下的高性能流体模拟技术研究

复杂场景下的高性能流体模拟技术研究

作者：徐奔南开大学

学位级别：硕士

随着国内图形学工业界的发展,元宇宙、VR/AR等产业迅速壮大,使得物理模拟技术的应用前景变得非常广阔。图形学产业的兴起,在丰富了人们的生活的同时,也对模拟技术的发展提出了极大的挑战。一方面,工业界对复杂、壮阔的特效场景的需求,... 详细信息

随着国内图形学工业界的发展,元宇宙、VR/AR等产业迅速壮大,使得物理模拟技术的应用前景变得非常广阔。图形学产业的兴起,在丰富了人们的生活的同时,也对模拟技术的发展提出了极大的挑战。一方面,工业界对复杂、壮阔的特效场景的需求,推动着模拟技术向实现新效果、新场景方向发展。另一方面,元宇宙、VR/AR等产业对场景实时性的要求,推动着模拟技术向高性能方向发展。如何能够在计算机中快速的构造出复杂且逼真的虚拟场景,是当前计算机图形学,尤其是物理模拟方向上的重要研究课题。本文围绕与流体相关的模拟技术,分别从效果与效率两个方面入手,进行了复杂场景下的高性能流体模拟技术的研究。具体的,研究了渗水材质与多组分流体交互、流体场中离散颗粒物质运动等重点问题。本文的主要工作贡献总结如下:·提出了一种基于虚拟相的用于模拟渗水材质与多组分流体交互的统一粒子模拟框架。该方法通过虚拟相的概念,一致性的建模流体穿过渗水材质表面时的状态变化,避免了传统方法模拟中粒子的插入/删除问题,从而提高了算法的稳定性、保证了流体的质量守恒。基于这种由虚拟相构造的本构模型,该方法可以灵活的模拟流体吸收扩散、海棉吸水形变、多流体差异性吸收、沙子浸润等广泛的毛细现象。·提出了一种基于斯托克斯动力学的流体场中离散颗粒物质模拟方法。该方法使用无迭代的加速斯托克斯动力学方法建模离散颗粒物质,并采用双精度网格实现流体与颗粒物质的耦合。该方法将离散颗粒物质与高精度背景流场耦合的问题,转化为了离散颗粒物之间的N-body问题。通过该方法,仅需一个非常稀疏的背景流场,即可快速模拟高精度的离散颗粒物质的运动。

关键词：物理模拟流体模拟渗水材质离散颗粒物质

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放电通道长径比对霍尔推力器性能的影响

中国空间科学技术 2024年第1期44卷 99-105页

作者：李春波郭宁杨三祥高俊雪佳强兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室兰州730000

为了获得霍尔推力器放电通道长度与宽度的最佳匹配关系,提升推力器性能,以兰州空间技术物理研究所研制的LHT-70霍尔推力器为研究对象,利用一维流体模型,研究了阳极工质流率对比冲、推力的影响,并通过与试验数据比对,验证了模型的合理性... 详细信息

为了获得霍尔推力器放电通道长度与宽度的最佳匹配关系,提升推力器性能,以兰州空间技术物理研究所研制的LHT-70霍尔推力器为研究对象,利用一维流体模型,研究了阳极工质流率对比冲、推力的影响,并通过与试验数据比对,验证了模型的合理性。在此基础上,研究了放电通道长径比α(长度与宽度的比值)对霍尔推力器性能的影响。结果表明,随着放电通道长径比的增加,电子温度降低,电子密度增加,电离率上升,离子密度增加,但由于中性原子密度与离子壁面损失增大,工质利用率下降;放电通道出口处电势降、比冲、推力和效率先增大后减小。由工质利用率、比冲、推力和效率随放电通道长径比增加而变化的趋势可知,在固定放电通道体积与内径,增加长度时,当放电通道长径比介于1.80~2.05,霍尔推力器性能达到最优。研究结果将为霍尔推力器的优化设计提供理论指导。

关键词：霍尔推力器放电通道长径比放电特性性能参数流体模拟

基于二阶显式压力投影法的欧拉流体模拟算法研究

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基于二阶显式压力投影法的欧拉流体模拟算法研究

作者：姜珺伟四川大学

学位级别：硕士

在游戏以及影视中,海洋、烟雾、火焰等流体现象具有广泛的应用,使得流体模拟成为计算机图形学领域的一个重要研究课题。大部分流体模拟算法,都是根据其应用需求,在计算效率、准确度以及可交互性之间做出折衷。其中基于网格以及混合粒子... 详细信息

在游戏以及影视中,海洋、烟雾、火焰等流体现象具有广泛的应用,使得流体模拟成为计算机图形学领域的一个重要研究课题。大部分流体模拟算法,都是根据其应用需求,在计算效率、准确度以及可交互性之间做出折衷。其中基于网格以及混合粒子网格的压力投影法由于适用性强、模拟稳定等优势,被广泛用于游戏和影视的工业化制作。然而,基于该类方法的方案多数只有一阶时间精度,模拟得到的流体很快趋于平静,且旋转运动等细节快速消失,展现出较大的数值粘性。而二阶时间精度的方案又面临着计算开销较大、数学或物理意义不明确、算法过于复杂等问题,难以满足业界要求。本文以压力投影法为研究对象,详细分析了该算法模拟精度不高,计算开销较大等问题,提出了二阶显式压力投影法。基本思想是:显式计算每个时间步中间时刻的压力梯度场,并作用于速度场,以满足动量守恒方程中压力梯度项的离散;后续投影操作保证流体速度场无散,实现质量守恒方程的离散。由于本文算法使用中间时刻压力梯度场,因此具有二阶时间精度;同时,由于投影步骤处理的速度场已经考虑了压力作用,接近无散度,因此需要的迭代次数减少,降低了计算开销。具体而言,本文主要创新包括:·本文提出了一种针对Navier-Stokes方程中压力梯度项的二阶显式数值离散格式,在没有增加额外计算开销的前提下提高了解的数值精度。该格式遵循二阶显式中点法的思想,在平流操作后引入了独立的压力梯度计算阶段,通过平流显式估计当前时间步中间时刻的压力梯度场,并将其作用于速度场,以考虑压力梯度对流体运动的影响。同时,后续继续使用投影操作保证边界条件以及流体质量守恒。·本文提出了一种压力增量更新策略,以解决本文方案对原有平流-投影框架的改变所带来的压力显式保存和计算的问题。在模拟过程中,本文算法始终显式保存流体压力场,并将其作为流体基本变量之一随时间推进。同时,更改后的投影步骤得到的标量势场不再是压力场,而是压力修正场,用于修正平流后的流体压力场。本文推导了粘性流体和非粘性流体的压力修正公式,并进行了部分修改和简化。·本文提出了一种边界条件修正策略,以保证整个模拟过程的稳定。这是由于本文方案对原有平流-投影框架的改变轻微违反了模拟的边界条件。同时,本文使用了红黑着色算法,以解除该过程中相邻网格的耦合关系,使其适配GPU并行计算。实验结果表明,本文提出的二阶显式压力投影法可将原有方案的误差降低1-2个数量级,数值精度提升至时间二阶,并在模拟过程中稳定保存流体涡量和能量;同时,不增加额外计算开销,甚至可在大规模复杂场景中将计算效率提高2-3倍,达到预期目标。

关键词：计算机动画流体模拟欧拉网格压力投影涡量保存

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超细HMX的微流体结晶调控及高通量制备

火炸药学报 2024年第6期47卷 498-505,I0002页

作者：姜菡雨徐司雨于谨刘博赵双飞王煊军火箭军工程大学智剑实验室陕西西安710025 西安近代化学研究所含能材料全国重点实验室陕西西安710065 南京工业大学生物与制药工程学院江苏南京211816

为了实现含能材料晶体微观结构的精确控制,提升超细含能材料的晶体品质和质量一致性,以HMX为研究对象,搭建微流体结晶平台,研究在微尺度条件下流体的流动特性,开展浓度、流量等反应参数条件对超细HMX晶体颗粒形态的影响研究,并进行了超... 详细信息

为了实现含能材料晶体微观结构的精确控制,提升超细含能材料的晶体品质和质量一致性,以HMX为研究对象,搭建微流体结晶平台,研究在微尺度条件下流体的流动特性,开展浓度、流量等反应参数条件对超细HMX晶体颗粒形态的影响研究,并进行了超细奥克托今(HMX)的批量制备探索。结果表明,与心型芯片相比,涡流型芯片具有更好的传质效果和更薄的边界层效应,更适合于脆性晶体的制备。DMSO作为溶剂时,HMX晶体具有较好的形貌,大小均一,球形度高;当流量比R分别为1、5、10时,HMX的平均粒径分别为8.86、4.14和0.86μm,随着R增大,HMX的粒径逐渐变小,粒径分布变窄;通过改变工艺参数,微流体结晶可实现不同形貌、粒径超细HMX的可控制备;利用多层组合与并联分流的方式,实现了超细HMX的高通量制备,该方法不仅混合效率差异小、产品处理量大且设备整体能耗低,可为高品质窄粒径范围微纳米含能材料的高通量制备提供思路。

关键词：物理化学微流体技术超细HMX 流体模拟结晶调控高通量制备

乌玛高速公路穿沙试验段风况特征及流场分布规律

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公路交通科技 2024年第1期41卷 62-70页

作者：刘志博韩峰李良英尹文华倪国庆中国铁路设计集团有限公司天津300308 兰州交通大学土木工程学院甘肃兰州730070 宁夏公路勘察设计院有限责任公司宁夏银川750001

为探究乌玛高速公路穿沙段风沙活动规律,明晰道路周围风力环境与积沙形成机理,从而为道路提供科学防沙依据,在腾格里沙漠腹地乌玛高速正线附近修建一条长0.5 km的无防护同向试验段公路,通过现场试验量测并辅以计算流体力学(CFD)数值模拟... 详细信息

为探究乌玛高速公路穿沙段风沙活动规律,明晰道路周围风力环境与积沙形成机理,从而为道路提供科学防沙依据,在腾格里沙漠腹地乌玛高速正线附近修建一条长0.5 km的无防护同向试验段公路,通过现场试验量测并辅以计算流体力学(CFD)数值模拟,在分析风动力环境特征的基础上,对路基周围风沙流场结构及积沙规律进行研究。结果表明:(1)道路区段内风向受季节影响较大,年均起沙风速约为6.26 m/s,主导风向WSW方向,占比11.03%,观测期间风速5 m/s以上起沙日数270 d,占全年日数73%,其中风速大于10.8 m/s的强风天气为47 d,占全年日数13.1%。(2)试验区全年沙物质主要由西向东方向输移,春季和夏季输沙环境最强烈,所测风沙流主方向与道路走向呈52°夹角,道路沿线沙害主要发生在西侧。(3)路基周围风速流场内水平速度呈“M”状变化,最大风速集中在沙丘顶部,当沙丘处于道路迎风侧时,风沙流最易在路基与沙丘交界处形成积沙,且沙丘会沿主风向移动掩埋路基;当沙丘处于道路背风侧时,路基背风侧积沙较明显,受多风向影响,路基表面也存在少量积沙,模拟结果与现场观测具有较好的一致性。强劲的风力环境和丰富的沙源是乌玛高速沙害形成的天然条件,防沙工程应着重对沿线西侧设置,增大地表粗糙度控制沙丘流动,进而降低风沙活动对公路危害。

关键词：道路工程公路沙害流体模拟风沙活动流场分布

基于Narrow Band FLIP方法的流体模拟

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计算机辅助设计与图形学学报 2018年第4期30卷 577-583页

作者：邹长军尹勇大连海事大学航海仿真和控制重点实验室大连116021

为了改进fluid implicit particle(FLIP)方法中大量粒子对界面重构没有作用的问题,提出采用narrow-band FLIP(NBFLIP)方法与体积分数方法进行多相流模拟的方法,通过粒子重采样减少内部粒子数量,以提升整体计算效率;体积分数采用总变差... 详细信息

为了改进fluid implicit particle(FLIP)方法中大量粒子对界面重构没有作用的问题,提出采用narrow-band FLIP(NBFLIP)方法与体积分数方法进行多相流模拟的方法,通过粒子重采样减少内部粒子数量,以提升整体计算效率;体积分数采用总变差不增的高精度数值格式进行追踪.与相关文献实验对比表明,文中方法可以实现丰富的单相流和多相流模拟效果.

关键词：流体模拟 NBFLIP 多相流 VOF模型