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.     

孔隙介质与液体界面上波动方程数值模拟的改进 方案——MPML边界条件的应用*

由于波场数值模拟的计算区域是有限的,为了压制截断边界造成的人工边界反射,通常采用完全匹配层作为吸收边界条件。但是在含液-固界面的弹性介质中进行正演模拟时,完全匹配层边界条件容易造成稳定性方面的问题。因此,该文将多轴完全匹配层应用于该类介质的正演模拟,以改善完全匹配层边界条件引起的不稳定问题。通过在具有弹性海底的海洋环境模型以及充填液体的井孔模型中进行弹性波方程的正演模拟,分别采用传统的完全匹配层和多轴完全匹配层作为吸收边界条件,对比验证了多轴完全匹配层在含液-固界面弹性介质中数值模拟的有效性和稳定性。     

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.     

基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法的流固耦合算法研究

针对流固耦合问题,发展了基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法(immersed boundary method multi-relaxation-time lattice Boltzmann flux solver,IB-MRT-LBFS)的弱耦合算法.依据多尺度Chapman-Enskog展开,建立不可压宏观方程状态变量和通量与格子玻尔兹曼方程中粒子密度分布函数之间的关系;采用强制浸入边界法处理流固界面使固壁表面满足无滑移边界条件,根据修正的速度求解动量方程力源项;结构运动方程采用四阶龙格-库塔法求解.格子模型与浸入边界法的引入使流固耦合计算可以在笛卡尔网格下进行,无需生成贴体网格及运用动网格技术,简化了计算过程.数值模拟了单圆柱横向涡激振动、单圆柱及串列双圆柱双自由度涡激振动问题.结果表明,IB-MRT-LBFS能够准确预测圆柱涡激振动的锁定区间、振动响应、受力情况以及捕捉尾流场结构形态,验证了该算法在求解流固耦合问题的有效性和可行性.     

基于SNGR方法的后缘噪声数值模拟

采用随机噪声产生和传播(SNGR)方法对后缘噪声进行数值模拟.SNGR方法结合随机方法和计算流体力学,耗费较少的计算资源就可以预测噪声水平.数值模拟时采用有限体积法求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程;采用有限差分法求解声学扰动方程,数值格式采用色散关系保持(DRP)格式,远场边界条件采用无反射边界条件.以二维平板和NACA0012翼型为例,编制程序,与参考结果对比表明,程序可以预测后缘噪声.     

用涡方法数值模拟运动物体非定常流场

采用涡方法对静止圆柱绕流、简谐振动圆柱、静止NACA0012翼型绕流和运动扑翼的非定常流场进行了数值模拟和数值验证,对比验证结果较好.控制方程采用二维不可压缩N-S方程,根据算子分裂法,对流和扩散分别采用不同的时间步长.涡方法基于Lagrange坐标系的特点使其方便模拟运动物体的非定常流场.本文的工作为今后的翼型动态失...     

有变高度圆柱干扰的平板表面流谱拓扑结构

采用分区方法和Roe三阶流通量差分分裂格式数值求解雷诺平均N-S方程,湍流附加粘性系数由修正的Baldwin-Lomax模型计算,数值模拟了高超声速绕变高度圆柱流动,进而根据拓扑学理论给出了有变高度圆柱干扰的平板表面流谱拓扑结构,并结合对称截面流谱进行了简要的分析与探讨,指出了需要进一步深入研究的问题。     

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。     

淹没水射流流场的DES模拟与实验研究

为了深入分析淹没水射流流动特征,综合采用数值模拟和流场测量进行研究。数值模拟应用基于S-A模型的DES方法,并通过圆柱绕流验证数值方法的有效性;流场测量采用粒子图像测速技术。研究表明:采用的数值模拟方案可以准确预测圆柱的升力系数、阻力系数和尾流中旋涡脱落的斯特劳哈数;模拟和实验获得的射流速度沿轴向和径向的衰减规律吻合;模拟获得的射流半值宽度线的斜率小于实验结果,主要是由于对剪切层厚度的预测不足所致;在垂直于射流束横截面上,涡量呈现双峰分布;射流的涡量随着射流发展呈总体衰减趋势。     

�Ǿ��ȷֲ�����������Ӿ�����Ӵ�϶����

用时域有限差分法研究了电磁波在等离子体光子晶体中的传播特性。数值模拟中使用完全匹配层吸收边界条件,计算了电磁波通过等离子体光子晶体的反射和透射系数。讨论了等离子体密度、等离子体温度、介电常数比和引入缺陷层对等离子体光子晶体光子带隙的影响。     

可变周期谐波平衡法求解周期性非定常涡脱落问题

谐波平衡法是一种高效周期性非定常流动频域计算方法.本文研究可变周期谐波平衡法,通过求解Navier-Stokes方程模拟低速不可压条件下的二维钝体绕流周期性非定常涡脱落问题.对于这类流动变化周期未知的非定常问题,将涡脱落周期T作为变量,采用基于残差导数的可变周期计算方法推进求解.以圆柱绕流和方柱绕流为例,研究考察了谐波平衡法的计算精度和效率,并分析研究了不同参数对计算结果的影响.针对圆柱绕流问题,采用三种不同优化方法进行周期T的迭代计算,对比研究了它们的计算精度和效率.计算结果表明:谐波平衡法采用3个谐波数就可以准确模拟周期性非定常涡脱落问题,辨识的涡脱落频率和阻力系数与实验值及其他数值结果一致,与时域方法相比该方法具有较高的计算效率.不同优化方法的计算结果相同,共轭梯度法和牛顿法的收敛速度与最速下降法采用较大搜索步长时的收敛速度一致.由于牛顿法没有参数问题,因此该方法在工程计算中更有优势.     

方柱绕流大涡模拟

采用有限体/有限元混合格式、非结构网格和大涡模拟方法求解可压缩的N-S方程,对Re=22 000的方柱绕流进行数值模拟,并对不同的边界条件进行详细的分析比较.通过对以往研究经验的总结和利用精细的边界条件,使得采用二阶精度的数值格式和较稀疏的网格仍然得到了令人满意的计算结果,甚至优于以往采用密网格的模拟结果.     

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。     

基于非结构网格CE/SE算法圆柱绕流气动声场模拟

本文采用时空守恒(CE/SE)格式求解Navier-Stoks方程与Euler方程,数值模拟了绕圆柱流动引发的气动噪声源及传播问题.对近声场与远声场采用了不同的控制方程和边界条件,分别得到了流场与声场解.将其与采用大涡模拟和FW-H方程得到的结果进行了对比,表明本文的数值方法能够很好地反映流场与声场的形态,能较好地模拟声场指向性及流场中的拟声现象,相比LES/FW-H方法能更精确地反映流场与声场的相互关系.     

粘性涡方法在多圆柱绕流数值模拟中的应用

用粘性涡方法求解了涡量速度形式的二维不可压缩Navier—Stokes方程．利用分步方法分别求解无粘的对流运动和粘性扩散，粘性扩散用随机走步方法来处理，利用涡量交换技术来满足无滑移边界条件，同时为进一步减少计算量，在求解对流速度时，采用了多极子展开法加速技术使得计算量由N2的量级减少到NlogN的量级．数值模拟了单圆柱和双圆柱纵向排列的绕流流场．     

覆盖多柔性层的有限长圆柱壳声辐射特性

研究了有限长圆柱壳覆盖多层柔性材料的声辐射特性.根据相邻柔性层界面上的边界条件推导了柔性层系的传递矩阵,结合薄壳理论和声波动方程建立了分析覆盖多柔性层后圆柱壳声辐射的理论模型.通过数值计算表明,减小柔性层的声速或者密度均能增加辐射声功率降低量,而采用多柔性层结构能比相应的单层均匀柔性材料获得更好的降噪效果.     

基于微分单元的圆柱内辐射导热耦合传热分析

本文充分利用微分单元法不涉及积分、较为稳定、易于实施的特点,进行圆柱坐标系下辐射与导热耦合传热分析.在求解过程中,将热辐射的空间和角度耦合成三维计算域求解,实现空间和角度的高阶离散.针对具有强对流特性的辐射传递方程,采用一种迎风格式可有效抑制数值振荡,实现稳定计算.由于辐射边界条件与导热和对流边界条件不同,它是具有方向性的单向边界条件,且在边界处会存在强烈的间断性和奇异点.为了有效抑制间断并处理奇异点,本文提出双层间断节点方案.通过与文献中圆柱坐标系下辐射与导热耦合传热算例进行对比分析,发现微分单元模型在空间和角度方向上均能实现高分辨率刻画,获得较好的计算精度.     

基于伴随格林函数法射流噪声的研究

本文采用声类比法探讨了射流中小尺度湍流远场噪声特性.此声类比理论基于线化欧拉方程及声源互易原理,建立了关联声源和远场声压的伴随格林函数,适于声波折射现象及小尺度湍流噪声计算.声场的边界采用完全匹配层边界条件,有效地避免了声波产生数值反射.为减小频散及耗散误差,时空导数均采用高阶预测-校正格式离散控制方程.计算结果与前人的实验相一致.     

FVM-MD耦合算法在碳纳米管绕流中的应用

本文采用有限容积法(FVM)-分子动力学(MD)耦合算法,模拟研究了碳纳米管绕流现象.在液体流动方向和垂直于流动的方向同时用非周期性边界条件处理,相比于传统的周期性边界条件,更准确地描述了液体流动.耦合方法与纯MD方法进行比较的结果显示耦合方法不但可以节省计算时间,而且在保证精确刻画局部微观细节的前提下,能更加准确地描...     

数值模拟圆柱绕流旋涡运动及尾流不稳定性分析

1引言流体绕过圆柱所产生的非定常旋涡运动以及由此引起的流动不稳定性在理论和实践上都具有重要的意义。数值模拟圆柱绕流旋涡产生及演化过程，探讨圆柱尾流涡街产生的机制，控制尾迹不同速度型以抑制涡街的产生，避免涡激振动在工程上造成破坏作用具有重大实际意义。为使问题简化，本文以二维圆柱绕流作为研究对象。该流动涉及到非定常分离，旋涡的形成、运动及发展，流动不稳定性质改变等许多未完全解决的问题。B。had等山对圆柱突然起动问题作了一系列实验研究。文献门对二维圆柱绕流问题作了系统数值研究。本文采用文献门提出的差分格…