修正的虚拟介质方法用于水下爆炸冲击薄板的模拟

近期发展的修正的虚拟介质方法(MGFM)已经成功应用于求解多介质流动问题.本文研究了近体水下爆炸中强激波对薄板冲击的演变及薄板的动力响应过程.为了真实地考虑不同介质在界面处的非线性相互作用,本文将MGFM推广应用于处理流体与弹性薄板的相互作用.研究发现尽管流体和薄板结构的模拟基于各自不同的求解方法,但是用修正的虚拟介质...     

欧拉坐标系下具有锐利相界面的可压缩多介质流动数值方法研究

可压缩多介质流动问题的数值模拟在国防和工业领域内均具有重要的研究价值,诸如武器设计、爆炸安全防护等,通常具有大变形、高度非线性等特点,是一项极具挑战性的研究课题. 本文提出了一种基于 Euler 坐标系的非结构网格、具有锐利相界面的二维和三维守恒型多介质流动数值方法,可用于模拟可压缩流体和弹塑性固体在极端物理条件下的大变形动力学行为. 利用分片线性的水平集函数重构出单纯形网格内分段线性的相界面,并在混合网格内构建出具有多种介质的相界面几何结构,理论上可以处理全局任意种介质、局部 3 种介质的多介质流动问题. 利用传统的有限体积格式来计算单元边界上同种介质间的数值通量,并通过在相界面法向上求解局部一维多介质 Riemann 问题的精确解来计算不同介质间的数值通量,保证了相界面上的通量守恒. 提出了一种非结构网格上的单元聚合算法,消除了由于网格被相界面分割成较小碎片、违反 CFL 条件,进而可能带来数值不稳定的问题. 针对一维多介质 Riemann 问题、激波与气泡相互作用问题、浅埋爆炸问题、空中强爆炸冲击波和典型坑道内冲击波传播问题开展了数值模拟研究,将计算结果与相关的理论、实验结果进行比对,验证了数值方法的正确性和可靠性.      

Mie-Grneisen状态方程可压缩多流体流动的PPM方法

采用流体体积分数的混合型多流体数值模型，将piecewise parabolic method (PPM)方法应用于可压缩多流体流动的数值模拟，拓展了以前提出的模型和数值方法，使它能够处理一般的Mie-Grneisen状态方程。采用双波近似和两层迭代算法求解一般状态方程的Riemann问题；并根据多流体接触界面无振荡原则设计高精度计算格式，对典型的纯界面平移问题可以从理论上证明本算法在接触间断附近压力和速度没有振荡，而且数值模拟结果表明界面数值耗散也被控制在2~3个网格之内。模拟了多种复杂的可压缩多流体流动，算例结果表明本文方法可以有效地处理接触间断、激波等物理问题，且具有耗散小精度高的特点。     

水/气多介质问题的界面处理方法

针对不可压缩可压缩水/气多介质问题, 提出一种新的界面处理方法。在可压缩水/气界面处构造Riemann问题, 在水中设音速趋于无穷大, 求解Riemann问题得到不可压缩可压缩水/气界面处流体的准确流动状态; 然后以此状态结合GFM(ghost fluid method)方法分别为2种流体定义界面边界条件, 将两相流问题转化为单相流问题计算, 通过求解level set方程来跟踪界面的位置。对各种不同的界面边界条件定义方法进行了比较, 数值模拟结果表明算法能准确地捕捉各类间断的位置, 证明了算法的有效性和稳健性。     

NUMERICAL SCHEME OF MULTI-MATERIAL COMPRESSIBLE FLOW WITH SHARP INTERFACE ON EULERIAN GRIDS

可压缩多介质流动问题的数值模拟在国防和工业领域内均具有重要的研究价值,诸如武器设计、爆炸安全防护等,通常具有大变形、高度非线性等特点,是一项极具挑战性的研究课题. 本文提出了一种基于 Euler 坐标系的非结构网格、具有锐利相界面的二维和三维守恒型多介质流动数值方法,可用于模拟可压缩流体和弹塑性固体在极端物理条件下的大变形动力学行为. 利用分片线性的水平集函数重构出单纯形网格内分段线性的相界面,并在混合网格内构建出具有多种介质的相界面几何结构,理论上可以处理全局任意种介质、局部 3 种介质的多介质流动问题. 利用传统的有限体积格式来计算单元边界上同种介质间的数值通量,并通过在相界面法向上求解局部一维多介质 Riemann 问题的精确解来计算不同介质间的数值通量,保证了相界面上的通量守恒. 提出了一种非结构网格上的单元聚合算法,消除了由于网格被相界面分割成较小碎片、违反 CFL 条件,进而可能带来数值不稳定的问题. 针对一维多介质 Riemann 问题、激波与气泡相互作用问题、浅埋爆炸问题、空中强爆炸冲击波和典型坑道内冲击波传播问题开展了数值模拟研究,将计算结果与相关的理论、实验结果进行比对,验证了数值方法的正确性和可靠性.     

管系内一维可压缩流动数值建模与特性分析

针对复杂管系内可压缩流体,基于有限体积法,采用HLLC(Harten-Lax-vanLeerContact)格式和黎曼求解器构建了有限控制体数值离散方法,引入虚拟节点用于连接有限控制体,借助虚拟节点给出控制体之间数值通量的计算格式,发展了一种管道内一维流动数值建模方法。针对含有分支管路的管系,在管道连接部位构建了分支管路拟一维流动数值计算模型。基于所发展的一维流动数值方法,建立了变径管道和含60°分支管道内流动计算模型,验证了该方法的收敛性和有效性;基于虚拟节点的数值格式处理变径管激波问题具有一定精度优势。研究了变径管和分支管模型中可压缩流体激波、稀疏波等的传播机理,分析了管径对相邻支管压力的影响,为工程管路设计提供了参考。     

可压缩多介质流动的间断有限元方法

采用间断有限元方法、LS方法和通量装配技术相结合,建立了一种计算可压缩多介质流动的有效 方法。计算中以光滑Heavside函数构造流体比热比和重新初始化方程中的符号距离函数,并采用通量装配 技术抑制界面附近的非物理振荡。为解决可压缩多介质流动提供一种新的手段。     

格子Boltzmann方法模拟多孔介质惯性流的边界条件改进

格子Boltzmann方法可以有效地模拟水动力学问题,边界处理方法的选择对于可靠的模拟计算至关重要.本文基于多松弛时间格子Boltzmann模型开展了不同边界条件下,周期对称性结构和不规则结构中流体流动模拟,阐述了不同边界条件的精度和适用范围. 此外,引入一种混合式边界处理方法来模拟多孔介质惯性流, 结果表明:对于周期性对称结构流动模拟,体力格式边界条件和压力边界处理方法是等效的,两者都能精确地捕捉流体流动特点; 而对于非周期性不规则结构,两种边界处理方法并不等价,体力格式边界条件只适用于周期性结构;由于广义化周期性边界条件忽略了垂直主流方向上流体与固体格点的碰撞作用,同样不适合处理不规则模型;体力-压力混合式边界格式能够用来模拟周期性或非周期性结构流体流动,在模拟多孔介质流体惯性流时,比压力边界条件有更大的应用优势,可以获得更大的雷诺数且能保证计算的准确性.      

Level Set方法和多介质可压缩流

多介质可压缩流问题计算的关键是如何精确的捕获不同时刻物质界面的位置,从而将多介质问题分解成多个单介质问题去处理.Level Set方法的优点是不用显示的追踪物质界面,而用距离函数就能精确定位界面.同时,用Level Set方法追踪界面运动易于处理界面拓扑结构的变化、易于处理大变形问题.本文成功地将Level Set方法应用在二维多介质可压缩流计算.     

基于实体的注射成型流动模拟

提出了应用中面模型技术模拟实体模型的注射成型流动过程的新方法。对实体模型的表面进行二维网格划分，将结点在厚度方向上配对．配对点之间添加虚拟热流道单元，建立二维有限元分析的网格模型。将HeleShaw流动应用于非等温条件下的粘性、不可压缩流体，建立基于中面模型流动分析的数学模型，用充填园子的输运方程描述流动前沿。用有限元计算充填过程的压力场．有限差分计算温度场，高阶的Taylor展开式计算每一时间步长的充填因子。针对Han设计的试验模具，用相同的材料及工艺条件，比较中面模型和实体模型的模拟结果。算例分析表明，这种方法可以有效地模拟基于实体模型的注射成型流动过程。     

非定常流动的快速拉格朗日涡方法数值模拟

采用快速拉格朗日涡方法数值模拟有复杂旋涡运动的非定常流动. 利用离散涡元模拟旋涡的产生、聚集和输送过程. 拉格朗日描述法用来计算离散涡元的移动,而移动速度则利用广义毕奥-萨伐尔公式结合快速多极子展开法计算,修正的涡半径扩散模型用来模拟离散涡元的黏性扩散. 突然起动圆柱和大攻角下突然起动翼型的非定常有涡流动的数值模拟,及其与试验结果的对比验证了方法的有效性. 另外,大攻角下突然起动翼型的计算结果给出了翼型起动后吸力面旋涡的产生、发展,周期性非定常流动的形成,以及尾流旋涡结构等一些重要的流动特征.[关键词] 非定常流有涡流动快速涡方法      

激波作用下三维涡的形成及其界面捕捉计算

针对三维多介质可压缩流体,给出了可压缩多介质流体三维高精度数值计算方法,以及界面捕捉方程和带重新初始化的三维LevelSet方法,对初始压力间断和密度间断条件形成激波、接触间断以及稀疏波的三维复杂流场相互作用情况进行数值计算,给出流场中涡的形成过程和界面位置。并对计算方法进行理论验证。     

时刻追踪多介质界面运动的动网格方法

在对可压缩多介质流动的数值模拟中,定义介质界面为一种内部边界,由网格的边组成,界面边两侧对应两种不同介质中的网格。通过求解Riemann问题追踪介质界面上网格节点的运动,同时采用局部重构的动网格技术处理介质界面的大变形问题,并将介质界面定义为网格变形边界,以防止该边界上网格体积为负。运用HLLC格式求解ALE方程组得到整个多介质流场的数值解。最后从几个多介质流模型的计算结果可以看出,本文的动网格方法是可行的,而且可以时刻追踪介质界面的运动状态。     

轴对称几何下耦合MOF界面重构的多介质ALE方法

推导了轴对称几何下的MOF(Moment of Fluid)界面重构,将其与多介质ALE方法相耦合,形成MOFMMALE方法,并应用于多介质大变形流动问题的数值模拟研究。数值算例表明,耦合MOF界面重构的多介质ALE方法是求解多介质大变形流动问题的有效手段,并且具有很好的界面精度和分辨率。     

可压缩多介质粘性流体和湍流的大涡模拟

在可压缩多介质粘性流体动力学高精度计算方法MVPPM(multi-viscous-fluid piecewise parabolicmethod)基础上,引入Smagorinsky和Vreman亚格子湍流模型,采用大涡数值模拟方法求解可压缩粘性流体NS(Navier-Stokes)方程,给出适用于可压缩多介质流体界面不稳定性发展演化至湍流阶段的计算方法和二维计算程序MVFT(multi-viscosity-fluid and turbulence)。在2种亚格子湍流模型下计算了LANL(Los Ala-mos National Laboratory)激波管单气柱RM不稳定性实验,分析了气柱的形状、流场速度以及涡的特征,通过与LANL实验和计算结果的比较可知,Vreman模型略优于Smagorinsky模型,MVFT方法和计算程序可用于对界面不稳定性发展演化至湍流阶段的数值模拟。     

预处理方法在全速度流场中的应用研究

应用预处理方法求解二维可压缩Navier-Stokes方程,发展出一套既适用于低速流动,也可用于可压缩流动的全速度流场解算方法.空间格式选用Ausm类格式,并采用多步Runge-Kutta时间推进方法.数值模拟了鼓包(Bump),RAE2822翼型,多段高升力翼型的不同速度绕流流场,并与实验数据进行了对比.结果表明预处...     

界面不稳定性引起混合过程的二维数值计算

在可压缩多介质流体动力学高精度欧拉计算方法多介质流体分段抛物方法(multi-fluid piecewise parabolic method, MFPPM)基础上,运用算子分裂技术,增加二阶空间中心差方法和两步Rung-Kutta时间推进方法计算动力学黏性以及热流部分对流场的影响,发展适用于NS(Navier-Stokes)方程的可压缩多介质黏性流体计算方法多介质黏性流体分段抛物方法(multi-viscousity-fluid piecewise parabolic method, MVPPM). 文中采用MVPPM对英国AWE(atomic weapons establishment)激波管实验进行二维计算,给出了与实验图像基本一致的计算结果;应用MFPPM和MVPPM分别对二维柱对称内爆动力学界面不稳定性及其后期混合过程进行数值模拟,给出内外界面演化、速度历史以及后期中心气穴不同半径内因RT(Rayleigh-Taylor)界面不稳定性引起的混合量分布情况,从计算结果比较可见黏性对物质界面处混合量的分布影响明显.      

水力压裂中裂纹扩展的数值模拟

水力压裂是在高压粘滞流体或清水作用下地层内裂缝起裂与扩展的过程。由于包含岩石断裂和流-固耦合等复杂问题,对该过程的数值模拟具有相当大的挑战性。本文建立基于有限元与离散元混合方法的裂纹模型,模拟岩石裂纹扩展,实现了连续向非连续的转化;建立双重介质流动模型,裂隙流作为孔隙渗流的压力边界,孔隙渗流反作用裂隙的压力求解,处理了流体在基岩与人工裂缝中的协调流动;将裂纹模型与流体流动模式进行结合,建立断裂-应力-渗流耦合形式的力学模型,进一步分析了水力压裂的基本过程,综合多种数值计算方法,编写程序,在验证岩体裂纹模型与双重介质流动模型有效性的基础上,对压裂过程进行复现,将模拟结果与文献结果进行了对比,并讨论了所构建模型的优缺点。     

可变形儒可夫斯基翼型亚音速非定常气动力的研究

对于翼面变形速度远小于来流速度情况下的儒可夫斯翼型亚音速绕流问题,通过仿射变换将可压缩流动转换成不可压缩流动,将解析解和离散涡方法相结合计算变形机翼的不可压缩流动速度场,再利用逆变换得到变形机翼的亚音速流动速度场,进而分析非定常气动力特性,建立变形机翼的准定常升力系数和非定常附加升力系数在可压缩和不可压缩两种状态下的简单近似对应关系。计算结果显示变形机翼的非定常气动升力近似等于准定常计算结果叠加上虚拟质量力导致的非定常附加升力,该非定常附加升力随翼型变形速率呈线性关系,由机翼当前时刻飞行姿态、翼型及其变形速率确定,与具体变形历史过程无关。低来流马赫数时虚拟质量力导致的非定常效应显著,高亚音速流动时准定常升力起主导作用。同时还分析了不同马赫数下机翼往复变形过程中升力的变化特性,指出尽管高亚音速变形机翼的气动升力近似等于准定常气动升力,但不能忽视非定常附加升力的影响,非定常附加升力将导致完成往复变形需要外界输入正比于Ma∞/[(1-Ma2∞)]的功。     

在超声速流动中激波与边界层的干扰特性

激波与物面边界层的干扰涉及可压缩流动的稳定性、转捩、分离等问题,直接影响到飞行器的阻力、表面热防护和飞行性能等工程技术问题。首先总结了前人对于激波与边界层的干扰所做的工作,之后重点研究和对比分析了超声速与跨声速流动中,正激波、斜激波以及头部激波对于飞行器层流和湍流边界层的干扰影响。激波强度的不同对边界层干扰作用不同,在强干扰情况下将会引起边界层分离和翼型失速。