用DES数值模拟分离绕流中的旋涡运动

脱体涡模拟(Detached-Eddy Simulation,DES)是近年来出现的一种结合雷诺平均方法和大涡数值模拟两者优点的湍流模拟方法.采用基于Spalart-Allmaras方程模型的DES方法,数值求解Navier-Stokes方程,模拟绕流发生分离后的旋涡运动.其中空间区域离散采用有限体积法,方程空间项和时间项的数值离散分别采用Jameson中心格式和双时间步长推进方法.通过模拟圆柱绕流以及翼型失速绕流,观察到了与物理现象一致的旋涡结构,得到与实验数据相吻合的计算结果.     

包含动边界的非定常流场动网格数值模拟

发展建立了用于多体分离等包含动边界的非定常流场数值模拟方法,建立了笛卡尔坐标系下边界以任意速度运动的控制体上的流动控制方程,结合几何守恒律确定网格速度,发展了基于结构网格的动网格方法,网格移动量采用加权插值方法得到.通过数值模拟二维翼型及三维机翼的强迫振荡非定常流场,表明该方法可以数值模拟包含动边界的非定常流场.     

圆柱绕流问题的初期流动数值模拟

本文继Zheng-huan Teng[1]中介绍的解Navier-stokes方程的椭圆涡团法,研究了一种新的变形涡团法,用以模拟不可压粘性流体绕圆柱的不定常流动。圆柱在静止流体中突然起动并做匀速直线运动。对整个流动区域构造完全Navier-Stokes方程的解并不容易,近十年出现很多数值研究,本文对算法有所推进。把本文的方法称作变形涡团法是因为圆柱边界附近的流体中用椭圆涡团,远离边界时用圆形涡团。计算圆柱绕流比平板绕流在满足附着条件上更为困难,本文分析了怎样在圆柱边界上给出适当的附着条件的数值方法。在算例中雷诺数分别取200、550、3000,得到了不定常边界层分离,二次涡等复杂的物理现象,这些数值结果与近年实验结果[2]是一致的。     

基于浸入式边界的流固耦合的非定常数值模拟研究

本文针对工程中关心的流固耦合以及复杂边界物体绕流问题,采用算子分裂的方法求解二维不可压N-S方程,采用完全正交的矩形网格,用浸入式边界模拟静止和运动物体的边界.使用这种方法,本文分别对低雷诺数下的光滑平板绕流,圆柱绕流,低KC数下的振荡圆柱进行了数值模拟.计算结果与以往的数值和试验结果吻合得很好,证明了浸入式边界方法和所发展的程序的可靠性.     

虚拟网格法模拟静止或运动并列布置双圆柱绕流现象

基于自主开发的虚拟网格浸入边界法求解器,数值模拟并列布置双圆柱绕流问题,分析了不同圆柱间距和振荡频率下双圆柱的水动力载荷和尾涡特性。数值算法采用时间半隐式有限差分虚拟网格法,在固定笛卡尔交错网格上求解不可压缩黏性Navier-Stokes方程。在虚拟网格法中,为了考虑任意多体边界对流场的影响,通过设置物体内的虚拟网格单元,采用适当的插值模块及技术重构虚拟网格,以施加浸入动边界条件。首先,数值模拟不同间距下并列布置双圆柱静止绕流问题,分析了不同间距对圆柱表面载荷和水动力特性的影响,捕捉到单涡脱落、偏斜流和双涡脱落等典型流动形态。其次,数值模拟自由流中并列布置圆柱振荡问题,验证了本文方法的精度和模拟多体动边界的准确性和可靠性。最后,分析了不同间距和不同振荡频率下双圆柱的水动力载荷变化规律,观察到不同振荡频率下偏斜流、双涡对称脱落和涡列融合等典型流动干扰现象。     

几种仿生翼型气动性能及噪声特性研究

依据翼型理论分别提取四种鸟类翅膀沿展向40%截面处的翼型,采用大涡模拟结合声类比的FW-H方程的方法对不同仿生翼型进行流场及声场的模拟。非定常流场的计算结果表明,在逆压梯度作用下,气流在叶片吸力面前缘开始分离;在叶片下游处产生了明显的涡结构,脱离叶片尾缘后涡结构发生破碎。在四种仿生翼型中,海鸥翼型的升阻比最大,鹗翼的升阻比最小,但鹗翼具有优良的降噪特性。声压级的方向性分布揭示了仿生翼型声源具有偶极子声源特性。     

二维圆柱绕流的动模态分析研究

运用Fluent对单/双圆柱绕流非定常流场进行数值模拟计算,分析了涡脱落的发展演变过程。采用DMD方法对圆柱绕流流场进行稳定性判断,利用分解得到的DMD模态数据对流场进行还原,并对还原流场的误差进行分析。分析结果表明:DMD方法得到的模态包含模态的频率信息;DMD方法能通过提取出来的主要结构完成对流场的还原及预测工作。对于复杂流动结构的DMD分解,所提取的数据量极大程度的影响了模态分解的结果,是能否精确还原实验流场的关键因素。     

气固两相三维圆柱绕流的直接数值模拟

本文采用直接数值模拟(DNS)方法研究了气周两相三维圆柱绕流的涡量场和颗粒扩散,并着重讨论了圆柱绕流中卡门涡街的形成和涡结构的转捩过程。同时分析了圆柱绕流中不同Stokes数的颗粒在涡结构作用下的横向扩散。结果显示Stokes数为1的颗粒主要分布在流场大尺度涡结构的外边界,而Stokes数为0．01的颗粒在涡结构的作用下,在流场中充分混合。     

圆柱绕流气动声的偶极子及四极子源法定量研究

以亚临界三维圆柱绕流的气动噪声为对象,研究声类比理论中偶极子及四极子源模型在预测低Mach数流动气动声的可靠性及准确性。使用大涡模拟(LES)得到非定常流场,并依据声类比中的Curle等效偶极子面源和Lighthill四极子体源模型,提取相应的声源数据,经Fourier变换得到涡脱落频率处的声源信息,进而定量预测圆柱绕流的气动声。结果表明:Curle模型的结果与实验结果吻合良好,Lighthill体源模型预测的准确性依赖于声源区域截断,不恰当的声源截断将导致错误的声场预测。      

被动控制下双圆柱静止绕流与流致振动研究

采用非稳态RANS方法结合Spalart-Allmaras湍流模型,对高雷诺数下被动控制的串列双圆柱静止绕流和流致振动进行数值计算。详细分析柱体受力、流致振动特性及尾流旋涡形态,结果表明双圆柱静止时,上游圆柱St随Re增加而增大,下游圆柱St先增大后减少,在Re=60000时达到最大值;双圆柱产生流致振动时,上下游圆柱的振幅率变化曲线出现三个不同分支,包括涡致振动初始分支、涡致振动上部分支和驰振分支,圆柱驰振时的最大振幅达到了2.8D。     

应用隐式SMAC格式计算射流放水阀内部非定常不可压粘性流场

为了分析射流放水阀内部的非定常不可压粘性流场,在一般曲线坐标系下求解了以逆变速度为参数的不可压Ｎ－Ｓ方程和压力椭圆方程。计算采用了基于隐式ＳＭＡＣ格式的有限差分格式。在这种格式中,非定常流场的速度是通过使用Ｃｒａｎｋ－Ｎｉｃｈｏｌｓｏｎ格式,并在每一时间步处以牛顿迭代的方法得到的;而压力椭圆方程是通过使用Ｔｓｃｈｅｂｙｓｃｈｅｆｆ ＳＬＯＲ格式并交替改变计算方向而求解。通过使用交错网格和迎风差分,诸如改进的ＱＵＩＣＫ格式;计算过程中的误差和数值不稳定能够得到有效地控制。计算结果和实验观察得到的流动图谱对比表明,二者十分吻合。     

前缘曲率对三维边界层内被激发出非定常横流模态的影响研究

三维边界层感受性问题是三维边界层层流向湍流转捩的初始阶段,是实现三维边界层转捩预测与控制的关键环节.在高湍流度的环境下,非定常横流模态的失稳是导致三维边界层流动转捩的主要原因;但是,前缘曲率对三维边界层感受性机制作用的研究也是十分重要的课题之一.因此,本文采用直接数值模拟方法研究在自由来流湍流作用下具有不同椭圆形前缘三维（后掠翼平板）边界层内被激发出非定常横流模态的感受性机制;揭示不同椭圆形前缘曲率对三维边界层内被激发出非定常横流模态的扰动波波包传播速度、传播方向、分布规律、感受性系数以及分别提取获得一组扰动波的幅值、色散关系和增长率等关键因素的影响;建立在不同椭圆形前缘曲率情况下,三维边界层内被激发出非定常横流模态的感受性问题与自由来流湍流的强度和运动方向变化之间的内在联系;详细分析了不同强度各向异性的自由来流湍流在激发三维边界层感受性机制的物理过程中起着何种作用等.通过上述研究将有益于拓展和完善流动稳定性理论,为三维边界层内层流向湍流转捩的预测与控制提供依据.     

旋涡动力学方程非定常动边界条件

详细讨论了旋涡动力学方程非定常动边界条件。给出了任意非定常运动边界上速度旋度的确定方法。并采用了“局部线性化及再校正”技术、时间滞后求解方法，求解每一时间步边界上速度旋度值。这样可以很大程度上节省计算时间。并讨论了数值实验结果，指出动边界问题的非线性特征，对这样复杂的非线性问题不宜作过份简化。     

基于气体动理论的二维Karman涡街数值模拟

基于从稀薄流到连续流的跨流域气体动理论统一算法（gas-kinetic unified algorithm,GKUA）,通过数值求解考虑转动自由度激发的Boltzmann-Rykov模型方程,得到了一种跨流域非定常流动数值模拟的方法.该求解方法以Boltzmann模型方程为控制方程,在常温状态下如果考虑转动能激发的情况则选用Rykov模型.文中数值求解Rykov模型时,首先基于转动能模对速度分布函数积分以消去分子转动能量这一自变量,在速度空间应用自适应离散速度坐标法与数值积分演化更新计算技术,在位置空间应用3阶WENO空间离散格式和3阶显式Runge-Kutta时间推进.针对经典的二维Karman涡街流动现象进行数值模拟,说明该跨流域非定常流动模拟算法对于连续流区低速流动的适应性.      

PISO算法在求解方柱绕流非定常尾迹中的应用

应用PISO算法及非交错斜交网格技术,编制了求解二维定常、非定常流动的通用程序。计算分析了定常不可压缩Couette流动以及水平通道内方柱绕流尾迹的非定常流动,并详细分析了不同时刻方柱后尾迹的旋涡结构及发展过程,得到了合理的结果。验证了非迭代PISO算法及非交错斜交网格在分析非定常流动中的有效性,为进一步开展非定常流动的数值分析奠定了基础．     

Aeroelastic analysis and nonlinear dynamics of an elastically mounted wing

The response of an elastically mounted wing that is free to plunge and pitch, supported by nonlinear translational and torsional springs, and interacting with an incoming stream is analyzed. A tightly coupled model of the wing flow interaction is developed. A three-dimensional code based on the unsteady vortex lattice method is used for the prediction of the unsteady aerodynamic loads. The response of the wing shows a sequence of static and dynamic bifurcations and chaotic motions when increasing the flow speed. Pairs of stable solutions are observed over the different response regimes. The effects of the gust and structural nonlinearity on the wing's response are also investigated. The results show that gust may lead to jumps between the pairs of solutions for static and dynamic equilibrium responses without impacting the boundaries of the different response regimes. As for the effect of the structural nonlinearity, increasing the nonlinear coefficient of the stiffness of the torsional spring yields lower static deflections and amplitudes of the limit cycle oscillations.     

Quantized vortex stability and interaction in the nonlinear wave equation

The stability and interaction of quantized vortices in the nonlinear wave equation (NLWE) are investigated both numerically and analytically. A review of the reduced dynamic law governing the motion of vortex centers in the NLWE is provided. The second order nonlinear ordinary differential equations for the reduced dynamic law are solved analytically for some special initial data. Using 2D polar coordinates, the transversely highly oscillating far field conditions can be efficiently resolved in the phase space, thus giving rise to an efficient and accurate numerical method for the NLWE with non-zero far field conditions. By applying this numerical method to the NLWE, we study the stability of quantized vortices and find numerically that the quantized vortices with winding number m=±1 are dynamically stable, and resp. |m|>1 are dynamically unstable, in the dynamics of NLWE. We then compare numerically quantized vortex interaction patterns of the NLWE with those from the reduced dynamic law qualitatively and quantitatively. Some conclusive findings are obtained, and discussions on numerical and theoretical results are made to provide further understanding of vortex stability and interactions in the NLWE. Finally, the vortex motion under an inhomogeneous potential in the NLWE is also studied.     

光学炮塔气动载荷的非稳态特性

采用耦合J-B模型的IDDES模型与双时间步LU-SGS方法开展炮塔非稳态气动载荷的数值仿真研究。炮塔流动会发生分离,天顶位置的分离角大于90°;当流动绕过炮塔时,形成马蹄涡、脱落涡街等非稳态流场结构,导致气动载荷也具有非稳态特性;炮塔顶点的脉动静压功率谱在1.6~40.0 kHz进入各向同性均匀湍流的惯性子区,基本满足Kolmogrov的-5/3定律;气动力以阻力为主,横向力的脉动幅值大,气动力矩则以俯仰力矩为主,滚转力矩的脉动幅值大,偏航力矩可以忽略不计;气动力和力矩的功率谱主要集中在1 kHz以下,存在多个尖峰频率,主频约为230 Hz (斯特劳哈尔数为0.15)。在ATP系统设计之初,需要考虑光学炮塔所受气动载荷的非稳态特性,并规避尖峰频率尤其是主频的谐振破坏问题。     

Where do inertial particles go in fluid flows?

We derive a general reduced-order equation for the asymptotic motion of finite-size particles in unsteady fluid flows. Our inertial equation is a small perturbation of passive fluid advection on a globally attracting slow manifold. Among other things, the inertial equation implies that particle clustering locations in two-dimensional steady flows can be described rigorously by the Q parameter, i.e., by one-half of the squared difference of the vorticity and the rate of strain. Use of the inertial equation also enables us to solve the numerically ill-posed problem of source inversion, i.e., locating initial positions from a current particle distribution. We illustrate these results on inertial particle motion in the Jung-Tél-Ziemniak model of vortex shedding behind a cylinder in crossflow.