数值模拟在钱塘江涌潮分析中的应用──Ⅱ.计算结果和分析

关于钱塘江涌潮分析中用数值模拟的计算结果和分析,对于一维情况,采用有精确解问题的计算、水跃的数值模拟和溃坝的数值模拟来检验数值方法的正确性,并将该方法应用于钱塘江涌潮的计算．对于二维情况,对存在理论解的直道水激波与有实验数据的湾道溃坝和非线性水波爬坡问题进行了计算,并将该方法应用于钱塘江涌潮的计算,数值计算结果表明了方法的有效性．     

数值模拟在钱塘江涌潮分析中的应用──Ⅱ.计算结果和分析

关于钱塘江涌潮分析中用数值模拟的计算结果和分析,对于一维情况,采用有精确解问题的计算、水跃的数值模拟和溃坝的数值模拟来检验数值方法的正确性,并将该方法应用于钱塘江涌潮的计算．对于二维情况,对存在理论解的直道水激波与有实验数据的湾道溃坝和非线性水波爬坡问题进行了计算,并将该方法应用于钱塘江涌潮的计算,数值计算结果表明了方法的有效性．     

用格子Boltzmann方程模拟浅水波问题

提出了用格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方程（ＬＢＥ）模拟浅水波问题的方法．通过无粘气体运动方程与浅水波方程的比较，确定了ＬＢＥ方法中平衡态的形式，使宏观方程与浅水波方程一致．计算了二维浅水波的一个问题，数值结果与精确解做了比较．     

多介质流体非守恒律欧拉方程组的数值计算方法

对多介质流体在界面处满足的Euler方程进行了探讨,方程组中增加了描述材料参数间断性质的对流形式非守恒律方程组 .以波传播算法为基础,通过Roe方程近似求解Riemann问题,同时采用相同的数值差分格式求解流体动力学Euler方程组和界面方程组.该方法可以有效消除多介质流体在界面处压力、速度可能出现的非物理振荡.给出了部分典型一维和二维数值计算结果.     

多介质流体非守恒律欧拉方程组的数值计算方法

对多介质流体在界面处满足的Euler方程进行了探讨 ,方程组中增加了描述材料参数间断性质的对流形式非守恒律方程组。以波传播算法为基础 ,通过Roe方程近似求解Riemann问题 ,同时采用相同的数值差分格式求解流体动力学Euler方程组和界面方程组。该方法可以有效消除多介质流体在界面处压力、速度可能出现的非物理振荡。给出了部分典型一维和二维数值计算结果。     

可压缩多介质粘性流体的数值计算

将考虑热传导和粘性情况下的Navier Stokes方程描述的物理过程分解成3个子过程进行数值计算,即把整个流量计算分解成无粘性流量、粘性流量和热流量3部分,采用多介质流体高精度parabolic piecewise method（PPM）方法、二阶空间中心差方法和两步Rung-Kutta时间推进方法相结合进行数值计算。给出了激波管中Riemann问题和二维、三维Richtmyer-Meshkov界面不稳定性的Navier Stokes方程和Euler方程对比计算结果,显示了粘性对界面不稳定性的影响。     

爆炸载荷下钢板层裂的二维数值计算

采用二维有限元方法对爆炸载荷下钢板的层裂问题进行数值模拟计算。计算中引入了一种普适的弹塑性本构方程,并采用了损伤积累准则和半解耦的损伤本构模型。结果表明,二维计算的主裂片厚度略小于一维计算,裂片飞散速度要比一维计算低得多,更接近实际结果。     

基于简单WENO-RKDG的溃坝问题数值模拟

对溃坝问题水流间断面的高精度、高分辨率数值模拟是水动力学的重要内容。简单加权本质无振荡(WENO)限制器由"问题单元"及其相邻单元的解重构"问题单元"的解,从而抑制数值解的非物理振荡,能够很好地模拟间断问题。本文详细介绍了简单WENO限制器的基本原理和过程。将简单WENO限制器-Runge-Kutta间断Galerkin方法应用于二维浅水控制方程的求解中,对二维矩形明渠中大坝瞬间全溃、局部溃塌所致的水流运动进行了数值模拟,并将数值计算结果与理论分析进行了比较。计算结果表明,方法能够清晰地捕捉到溃坝全过程中的间断,没有非物理的振荡现象发生,简单WENO限制器-RKDG方法能够很好地模拟溃坝波的演进过程。     

一种三阶有限体积法及其在欠膨胀射流激波结构数值模拟中的应用

以喷管出口欠膨胀射流为研究对象,在Lagrange坐标系下建立欠膨胀射流二维积分形式的流动方程。通过在单元交接面处进行三阶ENO(essentially nonoscillatory)格式插值,构造得到一种适用于求解该方程的三阶ENO有限体积法。采用该格式对一维Sod激波管算例和喷管出口欠膨胀射流进行数值计算。计算结果表明,该方法具有高精度、基本无振荡的特点,能很好地捕捉包含激波、滑移线以及三波交点等复杂流场波系结构。计算得到的波系结构中马赫盘的位置与实验结果吻合很好,相对误差小于1.1%。     

椭圆余弦波在垂直薄楔上的绕射

本文讨论了非线性浅水波在薄楔上的绕射问题.在波的反射可以忽略时,控制水波动运的二维Boussinesq方程简化成抛物型方程.作为一个算例,文中数值求解了椭圆余弦波行经垂直薄楔时的绕射影响和演化过程.计算表明,非线性浅水波在薄楔上的绕射也存在“马赫茎”效应.     

含化学反应膛口流场的无网格数值模拟

基于无网格方法,对包含大位移运动边界和非平衡化学反应的膛口流场进行了数值模拟。所发展算法是基于线性基函数最小二乘显式无网格方法,忽略黏性及湍流的影响,对流场采用ALE(arbitrary Lagrangian-Eulerian)形式的Euler方程描述,对流通量和化学反应源项采用多组分HLLC(Harten-Lax-van Leer-Contact)格式和有限速率反应模型计算,对于运动边界造成的点云畸形采用局部点云重构方法处理,重构过程中采用虚拟边阵面推进。对圆柱绕流和激波诱导燃烧流场进行了数值模拟,验证了重构方法和化学反应计算的有效性。最后对12.7 mm口径机枪膛口流场进行了模拟,结果同实验照片、非结构网格方法结果吻合较好,数值结果清晰地再现了膛口初始冲击波、膛口冲击波、欠膨胀射流波系结构的动力学发展过程,以及膛口焰的时间、空间分布特征。     

应力波数值计算中的SPH方法

对一维波动方程的SPH(smoothed particle hydrodynamics)格式和有限差分格式进行比较,并采用SPH法模拟了一维应力/应变波, 获得1个可衡量SPH法模拟应力波准确性的重要指标。结果表明,SPH法模拟应力波传播中采用的光滑长度必须不小于粒子间距;采用B-样条核函数和高斯型核函数能够获得良好的应力波图像,而二次型核函数不能,因此二次型核函数不适用于冲击动力学的数值计算。     

用离散速度方法计算浅水长波方程

用离散速度法计算浅水波方程，将空气动力学方程和浅水波方程作了比较，用Nadiga提出的近平衡流动方法模拟浅水波方程的连续和间断解。计算了一维的溃坝波问题和Thacker提出的连续解问题，结果与精确解作了比较，并且计算了水流跃过障碍物的问题。     

坡面流运动方程和有支流入汇时的一维明渠流方程形式

从带源项的圣维南方程出发,根据坡面流特点,分析给出了坡面水流运动方程的基本形式,通过基本的力学分析,指出了通常应用于有支流放汇时的一维明渠流方程存在的问题,并得到了新的方程形式。     

孤立波与多个潜水障碍物相互作用的数值研究

本文以完整二维Navier-Stokes方程为控制方程,采用VOF界面跟踪技术和差分方法,数值计算孤立波与多个淹没水下物体相互作用的问题。本文对潜水物体的高度接近水深时,孤立波通过水下孤立直立方柱、两个间距较大的水下直立方柱和两个间距较小的水下直立方柱等三种情况分别进行了计算,给出了波形随时间的演化图,可以看到反射波、前传波和跟随振荡型小波列的生成。对孤立波通过水下孤立直立方柱情形的计算结果,与实验结果和势流理论结果进行了比较。     

正向爆轰驱动高焓激波风洞的数值模拟

对充满氢氧可燃气体、带扩容腔的正向爆轰驱动的激波风洞进行了数值模拟。计算采用了欧拉方程,频散可控耗散差分格式（DCD）和改进的二阶段化学反应模型。在扩容腔附近采用二维轴对称计算模型,而在驱动段和被驱动段的直管道部分则采用一维计算模型。本文分析了爆轰波在管道中的传播、反射和绕射过程。计算结果表明扩容腔的尺寸对爆轰波的传播、反射、汇聚等起着决定性的作用;带扩容腔的正向爆轰驱动的激波风洞能够得到平稳的持续时间较长的气流,提高了实验的精确度和可重复性。     

二维数值模拟爆轰中化学反应率的应用

续定常爆轰数值模拟中化学反应率与人为粘性的相关性,本文对体积起爆函数进行了一维、二维系统考查,并与Cochran反应率做了二维对比计算给出数值结果。数值模拟爆轰的复杂相互作用,应用体积起爆函数为好。     

二维溃坝绕流的WENO格式数值模拟

WENO(Weighted essentially non-oscillatory scheme)格式是一类新的高精度无振荡差分格式.本文将WENO格式和Runge-Kutta时间离散的思想应用于二维浅水方程组的求解,数值模拟矩形河道中大坝瞬间局部溃倒,下游有障碍物的洪水演进过程,并对模拟结果进行了分析,表明采用WENO格式所建立的高分辨率模型能够有效地模拟溃坝波的演进过程.     

一维与二维爆轰传播的时空关联特性数值研究

一维爆轰传播的理论完备、计算准确, 二维斜爆轰传播由于壁面与黏性效应, 大尺度、高精度预测还有一定难度. 利用Euler方程和H₂-Air基元反应模型, 对二维有限长楔面诱导的斜爆轰和活塞驱动一维非定常正爆轰进行计算比较研究, 从时空两个维度方面, 分析了两者在起爆过程、稀疏波传播、爆轰波面演化中的关联特性. 研究结果表明: 在过驱动度相同的条件下, 经过时空变换的活塞驱动一维爆轰传播与二维驻定斜爆轰在起爆区波系结构、波面演化特征和主要参数分布规律方面无论定性或者定量对比均符合较好, 所以, 一维非定常爆轰和二维驻定斜爆轰具有时空相关性. 两者的差异主要体现在过驱动斜爆轰受稀疏波影响过渡到近Chapman-Jouguet (C-J)爆轰状态所需的弛豫时间不同, 原因可能是起源于活塞和壁面稀疏波强度的差异. 本文提出的一维与二维爆轰传播的时空关联方法不仅有助于认知斜爆轰起爆、过驱爆轰产生、胞格爆轰演化的三阶段规律, 还可以对比揭示壁面、边界层和黏性效应的影响, 应用在斜爆轰发动机燃烧室设计中能够有效节约计算时间和成本, 并降低复杂度.      

弯道水流数值模拟研究

采用边界拟合坐标技术,生成边界处正交的曲线网格,在曲线坐标系中进行弯道水流数值计算。借鉴现有关于弯道水流流速分布的研究成果,对曲线坐标系平面二维浅水方程作了修正,修正后的方程组能够计入弯道环流引起的横向的动量交换,即考虑了二次流对流线弯曲的复杂水力特性的影响。通过连续弯道实例计算,验证了该模型的可靠性和实用性。