流固耦合分析的一种改进CBS有限元算法

针对流固耦合问题, 发展了一种基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)描述有限元法的弱耦合分区算法. 运用半隐式特征线分裂算法求解Navier-Stokes方程, 在压力Poisson 方程中引入质量源项以满足几何守恒律; 运用子块移动技术更新动态网格, 并配以光滑处理防止网格质量下降; 采用Newmark-β 法求解结构运动方程. 为保持流体-结构界面处速度和动量守恒, 利用修正结合界面边界条件方法求解界面处速度通量和动量通量. 运用本方法分别模拟了不同雷诺数下单圆柱横向和两向流致振动、串列双圆柱两向流致振动. 计算表明, 本文方法计算效率高, 计算结果与已有实验和数值计算数据吻合.     

比例边界坐标插值方法在谱元法中的应用——无穷域Euler方程的数值模拟

将比例边界坐标插值方法引入谱元法, 构成比例边界谱单元, 对无穷域Euler方程进行数值模拟.阐述了比例边界谱单元的基本使用方法以及基于比例边界谱元的Runge-Kutta间断Galerkin方法求解Euler方程的过程;计算了无穷域圆柱和NACA0012翼型绕流问题, 并与已有结果进行了比较, 显示了计算结果的正确性.用基于比例边界谱元的间断Galerkin方法求解无穷域Euler方程时, 最多只需将求解域划分为2个子域, 避免了一般谱方法将求解域划分为9个或者27个子域的麻烦. 比例边界谱单元为无穷域Euler方程的直接求解提供了一个可供参考的方法.     

串列双圆柱绕流下游圆柱两自由度涡致振动研究

数值研究了串列双圆柱绕流下游圆柱两自由度涡致振动问题，研究发现：(1) 双自由度的圆柱振幅峰值及出现振峰的频率比都比单自由度的大；(2) 尾流圆柱中的升力远大于均匀来流的，而阻力却相反；(3) 下游圆柱的位移响应对于频率比的变化没有均匀来流中的"敏感"；(4) 尾流中，在频率比1.16和0.87之间，出现了明显的"拍"现象，即圆柱的振幅响应包含不同的频率，而在均匀来流中，并无明显的"拍"现象. 采用ALE方法，计算网格采用H-O非交错网格系统，结合分块耦合方法. N-S方程的对流项和扩散项分别采用三阶迎风紧致格式和四阶中心紧致格式离散. 圆柱振动采用弹簧柱体阻尼器模型，柱体的振动方程采用龙格-库塔法求解. 通过模拟柱体和流体之间的非线性耦合作用，成功地捕捉到了"拍"和"相位开关"等现象.     

基于反馈力浸入边界法模拟复杂动边界流动

浸入边界法是模拟流固耦合的重要数值方法之一。本文采用反馈力浸入边界方法,对旋转圆柱和水轮机活动导叶旋转摆动绕流后的动边界流场进行数值模拟。其中,固体边界采用一系列离散的点近似代替,流体为不可压缩牛顿流体,使用笛卡尔自适应加密网格,利用有限差分法进行求解。固体对流场的作用通过构造适宜的反馈力函数实现。本文首先通过旋转圆柱绕流的计算结果同实验结果进行对比,吻合较好,验证了该计算方法的可靠性。然后针对水电站水力过渡过程中水轮机活动导叶旋转摆动绕流后的动边界流场进行数值模拟,得到导叶动态绕流后的流场分布特性和涡结构的演化特性。     

幂律流体圆柱绕流的格子波尔兹曼模拟

基于插值补充格子波尔兹曼方法和幂律流体的本构方程,建立了贴体坐标系下适用于幂律流体的格子波尔兹曼模型,模拟了幂律流体的圆柱绕流问题,采用非平衡外推格式处理圆柱表面的速度无滑移边界,利用应力积分法确定曳力系数和升力系数,并与基于标准的格子波尔兹曼方法和有限容积法获得的数值数据进行对比,吻合良好.进行了网格无关性验证之后,分析了稳态流动时,不同雷诺数下幂律指数对于尾迹长度、分离角、圆柱表面黏度分布、表面压力系数及曳力系数的影响,以及非定常流动中,幂律指数对于流场、曳力系数、升力系数和斯特劳哈尔数的影响.获得的变化规律与基于其他数值模拟方法得到的结果相一致,充分验证了模型的有效性和正确性.结果表明:插值补充格子波尔兹曼方法可以用来模拟幂律流体在具有复杂边界流场内的流动问题,通过引入不同的非牛顿流体本构方程,该方法还可以进一步应用于其他类型的非牛顿流体研究中.     

幂律流体圆柱绕流的格子波尔兹曼模拟简

基于插值补充格子波尔兹曼方法和幂律流体的本构方程,建立了贴体坐标系下适用于幂律流体的格子波尔兹曼模型,模拟了幂律流体的圆柱绕流问题,采用非平衡外推格式处理圆柱表面的速度无滑移边界,利用应力积分法确定曳力系数和升力系数,并与基于标准的格子波尔兹曼方法和有限容积法获得的数值数据进行对比,吻合良好. 进行了网格无关性验证之后,分析了稳态流动时,不同雷诺数下幂律指数对于尾迹长度、分离角、圆柱表面黏度分布、表面压力系数及曳力系数的影响,以及非定常流动中,幂律指数对于流场、曳力系数、升力系数和斯特劳哈尔数的影响. 获得的变化规律与基于其他数值模拟方法得到的结果相一致,充分验证了模型的有效性和正确性. 结果表明：插值补充格子波尔兹曼方法可以用来模拟幂律流体在具有复杂边界流场内的流动问题,通过引入不同的非牛顿流体本构方程,该方法还可以进一步应用于其他类型的非牛顿流体研究中.     

碳纳米管在水中的运动阻力特性

采用分子动力学(MD)方法,模拟了(5,5),(7,7),(10,10)以及(5,5)/(10,10)碳纳米管在水中的速度衰减过程,得到了它们的阻力-速度与阻力-雷诺(Re)数关系曲线,进而将MD模拟的阻力结果与低Re数宏观流体力学(MFD)中圆柱绕流的阻力解进行了对比。研究表明,低Re数下,碳纳米管在水中的阻力要比传统MFD中圆柱绕流的阻力解高数十倍。碳纳米管在水中的阻力可通过圆柱的MFD解乘以(48.58-0.54Re)近似估算。     

不可压粘性流体浸入边界直接力法及软件实现

浸入边界法通过在N-S方程中施加体积力模拟不可滑移固壁边界及动边界,避免生成复杂贴体网格及动网格,极大地节省了网格建模时间及动网格计算消耗。本文提出一种新型附加体积力简化计算方法,将简化附加体积力以源项形式嵌入动量方程迭代中,通过用户自定义函数对CFD软件FLUENT二次开发,实现了浸入边界法和通用流体力学求解器的耦合计算。通过静止圆柱和动圆柱绕流数值模拟进行了验证,并探讨了插值函数对计算精度的影响。研究表明,通过引入浸入边界模型,能够提高计算效率,并实现结构网格背景下复杂边界和动边界的高效建模。     

不可压粘性流体浸入边界直接力法及软件实现

浸入边界法通过在N-S方程中施加体积力模拟不可滑移固壁边界及动边界，避免生成复杂贴体网格及动网格，极大地节省了网格建模时间及动网格计算消耗。本文提出一种新型附加体积力简化计算方法，将简化附加体积力以源项形式嵌入动量方程迭代中，通过用户自定义函数对CFD软件FLUENT二次开发，实现了浸入边界法和通用流体力学求解器的耦合计算。通过静止圆柱和动圆柱绕流数值模拟进行了验证，并探讨了插值函数对计算精度的影响。研究表明，通过引入浸入边界模型，能够提高计算效率，并实现结构网格背景下复杂边界和动边界的高效建模。     

FVM与LBM分区耦合模拟圆柱绕流

构造了用于模拟远场边界下圆柱绕流的有限容积法(FVM)与格子Boltzmann方法(LBM)的分区耦合模型.模型中,靠近圆柱处采用多块网格的LBM,远离圆柱处采用FVM,并将计算结果同适体网格LBM以及多块网格LBM进行了比较.结果表明,耦合模型能在保证计算精度的前提下,显著提高计算效率.     

Adaptive mesh refinement for simulating fluid-structure interaction using a sharp interface immersed boundary method

In this article, adaptive mesh refinement (AMR) is performed to simulate flow around both stationary and moving boundaries. The finite-difference approach is applied along with a sharp interface immersed boundary (IB) method. The Lagrangian polynomial is employed to facilitate the interpolation from a coarse to a fine grid level, while a weighted-average formula is used to transfer variables inversely. To save memory, the finest grid is only generated in the local areas close to the wall boundary, and the mesh is dynamically reconstructed based on the location of the wall boundary. The Navier-Stokes equations are numerically solved through the second-order central difference scheme in space and the third-order Runge-Kutta time integration. Flow around a circular cylinder rotating in a square domain is firstly simulated to examine the accuracy and convergence rate. Then three cases are investigated to test the validity of the present method: flow past a stationary circular cylinder at low Reynolds numbers, flow past a forced oscillating circular cylinder in the transverse direction at various frequencies, and a free circular cylinder subjected to vortex-induced vibration in two degrees of freedom. Computational results agree well with these in the literature and the flow fields are smooth around the interface of different refinement levels. The effect of refinement level has also been evaluated. In addition, a study for the computational efficiency shows that the AMR approach is helpful to reduce the total node number and speed up the time integration, which could prompt the application of the IB method when a great near-wall spatial resolution is required.     

研究了雷诺数Re=200, 1000, 线速度比$\alpha =0.5$,

研究了雷诺数Re=200, 1000, 线速度比$\alpha =0.5$, 2.0, 4.0, 强迫振荡频率$f_{s}=0.1\sim 2.0$情况下的旋转振荡圆柱绕流问题. 通 过基于非结构同位网格有限体积法对Navier-Stokes方程进行数值求解. 对流项、扩 散项和非恒定项的离散格式均具有二阶精度，利用SIMPLE算法处理压力-速度耦合. 计算得到了作用力系数随不同控制参数的变化规律. 通过对升力系数的频谱分析得到 自然脱落频率和强迫振荡频率下的作用力振幅. 通过对不同频率作用力幅值的分析， 得到频率之间的竞争关系，进而定量地给出了不同尾迹涡脱落模式的分区图.     

Application of local DFD method to simulate unsteady flows around an oscillating circular cylinder

In this paper, the recently proposed local domain‐free discretization (DFD) method is applied to simulate incompressible flows around an oscillating circular cylinder. It is found that it is very easy for the local DFD method to handle such moving boundary flow problems. This is because it does not need to move the mesh, which is indeed needed in traditional methods. Numerical experiments show that the present numerical results agree very well with the available data in the literature, and that the local DFD method is an effective tool for the computation of moving boundary flow problems. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

不可压缩粘性流动的CBS有限元解法

对于二维不可压缩粘性流动,首先通过坐标变换的方式得到了的不含对流项的NS方程,并给出了CBS有限元方法求解的一般过程。结合一类同时含有压力和速度的出口边界条件,对方腔顶盖驱动流、后向台阶绕流和圆柱绕流进行了计算。所得结果与基准解符合良好,验证了CBS算法对于定常、非定常粘性不可压缩流动问题的可行性和所用出口边界条件的无反射特性。特别的,对于圆柱绕流,Re=100时非定常升、阻力系数及漩涡脱落等非定常都得到了较好地模拟,为一进步研究自激振动等更加复杂的非定常流动问题奠定了基础。     

流向强迫振荡圆柱绕流的涡脱落模态分析

通过求解采用ALE方法描述的运动坐标系Navier-Stokes方程组，分析均匀来流下雷诺 数为150的静止和流向振荡的圆柱绕流. 主要研究了强迫振荡频率和较大振幅比 (A/D=0.3-1.2)对圆柱升力、阻力变化特性以及涡脱落模态的影响. 研究表 明，流向振荡圆柱绕流存在多种涡脱落模态，如对称S以及反对称A-I, A-III, A-IV等多种形式；比较研究结果，拓展了各模态下对应的锁定区域，并将其分为5个 子区；A-I模态中圆柱受力较以前所知更复杂；通过分析计算结果，发现最大加速度 比Af_{c}^{2}/Df_{s0}^{2}可能是涡脱落模态(尤其是对称S模态)最有效的控制参数.     

A local domain‐free discretization method for simulation of incompressible flows over moving bodies

This paper presents a local domain‐free discretization (DFD) method for the simulation of unsteady flows over moving bodies governed by the incompressible Navier–Stokes equations. The discretization strategy of DFD is that the discrete form of partial differential equations at an interior point may involve some points outside the solution domain. All the mesh points are classified as interior points, exterior dependent points and exterior independent points. The functional values at the exterior dependent points are updated at each time step by the approximate form of solution near the boundary. When the body is moving, only the status of points is changed and the mesh can stay fixed. The issue of ‘freshly cleared nodes/cells’ encountered in usual sharp interface methods does not pose any particular difficulty in the presented method. The Galerkin finite‐element approximation is used for spatial discretization, and the discrete equations are integrated in time via a dual‐time‐stepping scheme based on artificial compressibility. In order to validate the present method for moving‐boundary flow problems, two groups of flow phenomena have been simulated: (1) flows over a fixed circular cylinder, a harmonic in‐line oscillating cylinder in fluid at rest and a transversely oscillating cylinder in uniform flow; (2) flows over a pure pitching airfoil, a heaving–pitching airfoil and a deforming airfoil. The predictions show good agreement with the published numerical results or experimental data. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

可压缩流场中气泡脉动数值模拟

在应用边界元方法对气泡动力学的研究中, 绝大多数模型是建立在不压缩势流理论基础之上, 针对可压缩流场中气泡运动特性的研究很少. 从波动方程出发, 分别在气泡运动前期和后期对波动方程进行简化, 得到气泡运动局部和全局简化方程, 采用双渐进方法对简化方程进行匹配, 提出了考虑流场可压缩性的非球状气泡运动模型. 该模型的计算结果与Prospertti 等的解析结果吻合很好, 气泡脉动最大半径和内部最大压力随气泡脉动逐渐减小. 基于该模型对比了自由场中药包爆炸考虑可压缩性与不考虑可压缩性的计算结果, 发现考虑可压缩性气泡射流速度较小, 随后基于该模型计算了刚性边界下气泡的运动特性.