基于多相流LBM-VOF联合模式的水泵进水池漩涡流研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51479196
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    84.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0904.水力机械及系统
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2018-12-31

项目摘要

This study focuses on some details and a mechanism for air-liquid two-phase vortex flows at free surface and vapor-liquid two-phase cavitating flows caused by wall-attached vortices in pump suction sumps using theoretic, parallel and testing techniques. Based on sub-grid scale models for large eddy simulation (LES) and mesoscopic multi-scale expansion method, LBM (lattice Boltzmann method) models combined with LES for air-liquid two-phase flows at the free surface are developed using LBM for single-component two-phase flows and VOF (volume of fluid) interface-reconstructed models, and then phase transitions with LBM for vapor-Liquid two-phase flows are described by equation of state for matter so that LBM models combined with LES for vapor-liquid two-phase cavitating flows caused by wall-attached vortices are proposed. High-resolution to capture the free surface and high-accuracy parallel methods are studied and designed for LBM, and thus a framework is formulated to quantitatively represent evolution processes of vortex flows at the free surface and a transformation regulation of mass and momentum caused by wall-attached vortex cavitations, which can be used to effectively and precisely simulate evolutions of various vortex flows in pump suction sumps. Finally, moedern high speed photography and visual particle image velocimetry (PIV) techniques are used to observe and measure experimentally various characteristic flows in pump suction sumps. The experimental data are used to validate the rationality and the reliability of the above-mentioned models and numerical schemes. In short, this investigation aims at putting forth a new technique for free-surface flows and vortex cavitations.
拟采用理论分析法、并行算法和现代测试手段,深入研究水泵进水池的自由表面气-液两相漩涡流和附壁漩涡空化两相汽-液流的若干细节及机理。基于大涡模拟(LES)亚格子模型和介观多尺度展开方法,利用单组分两相流格子Boltzmann方法(LBM)和VOF(volume of fluid)界面重构模型,发展自由表面气-液两相流LBM和LES的联合模式,然后,采用物质状态方程来描述汽-液两相流LBM相变,发展漩涡空化汽-液两相流LBM和LES计算模式。研究设计高分辨率自由界面捕捉算法和高精度LBM并行方法,建立一套方法来定量描述自由表面漩涡的动态演变和漩涡空化相变的质量和动量的转化规律,精确高效地模拟进水池各类漩涡的演变规律。最后,利用现代高速摄影、可视PIV来实验观测和测量进水池内流动特性,通过一系列实验数据验证上述模型和算法的合理性和可靠性。本研究将为自由表面流动和漩涡空化流动研究提供一种新方法。

结项摘要

进水池是通过进水管直接从中取水的水工建筑物,其内部的不良流态往往是引发水泵机组振动、汽蚀和效率降低等一系列问题的主要原因。针对不同流速条件下,利用现代高速摄影、PIV (Particle Image Velocimetry)实验研究了不同的后壁距、临界淹没水深、水中空气含量对进水池内流态的影响,发现了在喇叭管入口靠近后壁面附近出现了速度曲线分叉现象和后壁距与漩涡的数量和强度关系紧密;针对不同压力的封闭式进水池,实验研究了自由液面漩涡及液下漩涡数量、速度分布、涡量随压力变化的演化过程,发现了自由液面漩涡与液下涡的个数随着压力绝对值的升高而升高,概率统计分析了列各测量面上的流动形态漩涡形态并划分了无涡区、单涡区、过渡区、多涡区等四种涡区。基于大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)亚格子模型和介观多尺度展开方法,利用单组分两相流格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)和VOF(Volume Of Fluid),发展自由表面的LBM和LES的联合模式,然后,采用物质状态方程来描述液相相变,发展了空化两相流LBM的Carnahan-Starling-Shan-Chen联合模式。利用LBM-LES-VOF联合模型很好地预测到了进水池内湍流的数量不一的自由液面漩涡、侧壁涡、后壁涡及底面涡,预测的速度分布和涡旋位置与物理模型的实验数据吻合较好。利用空化流Carnahan-Starling-Shan-Chen模型成功地预测了三维气核空化的发生发展和收缩溃灭及复现过程,计算结果符合能障理论,并系统地分析了温度、气核内外压差和气核初始半径等影响。采用MPI (Message Passing Interface)消息传递接口和CUDA (Compute Unified Device Architecture)技术,通过C++开发了相关并行计算程序,研究分析了并行进程数的时间最短、加速比最大、具有较高通信等数值并行效率。本研究通过一系列实验数据验证上述模型和算法的合理性和可靠性,将为自由表面流动和漩涡空化流动研究提供一种新方法。

项目成果

期刊论文数量(12)
专著数量(0)
科研奖励数量(3)
会议论文数量(10)
专利数量(8)
Three-Dimensional Cavitation Bubble Simulations based on Lattice Boltzmann Model Coupled with Carnahan-Starling Equation of State
基于格子玻尔兹曼模型与Carnahan-Starling状态方程耦合的三维空化气泡模拟
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Communications in Computational Physics
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Yanwen Su;Xuelin Tang;Fujun Wang;Xiaoqin Li;Xiaoyan Shi
  • 通讯作者:
    Xiaoyan Shi
电机内推力轴承泵送流体循环的数值研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    大电机技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    唐学林;郭苗;刘树红;左志钢;李小芹
  • 通讯作者:
    李小芹
Numerical Investigations of Turbulent Flows around Hydrofoil by Using Implicit Large Eddy Simulation
利用隐式大涡模拟对水翼周围湍流进行数值研究
  • DOI:
    10.5293/ijfms.2018.11.3.321
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    International Journal of Fluid Machinery and Systems
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Xuelin Tang;Gao Hui;Wu Zhixing;Hao Man;Shi Xiaoyan;Li Xiaoqin
  • 通讯作者:
    Li Xiaoqin
水电站大口径进水球阀流动特性的数值模拟研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    水电站机电技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    高慧;唐学林;李小芹;李长胜
  • 通讯作者:
    李长胜
Analyses of 2D transient models for vaporous cavitating flows in reservoir-pipeline-valve systems
储层-管道-阀门系统中蒸气空化流的二维瞬态模型分析
  • DOI:
    10.2166/hydro.2018.141
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    JOURNAL OF HYDROINFORMATICS
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Hui Gao;Xuelin Tang;Xiaoqin Li;Xiaoyan Shi
  • 通讯作者:
    Xiaoyan Shi

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其他文献

基于流固耦合的灯泡贯流泵叶轮强度分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
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  • 影响因子:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    贾玉霞
小浪底河段浑水流动的三维数值模
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    左利钦
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
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  • 通讯作者:
    唐学林
灯泡式贯流泵空化流的数值研究和性能预测
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    排灌机械工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    唐学林
  • 通讯作者:
    唐学林
Mixed Model for Silt-Laden Solid-Liquid Two-Phase Flows
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2024-09-14
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    7.5
  • 作者:
    唐学林;徐宇;吴玉林
  • 通讯作者:
    吴玉林

其他文献

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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