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。     

浸入边界法及其应用

浸入边界法主要用于模拟存在复杂外形结构的流场的运动情况和处理各种动边界问题,目前已广泛应用于计算流体力学领域.浸入边界法既是数学建模方法又是数值离散方法,它将物体边界与流体的相互作用通过在流体运动方程中加体积力项来体现,并在数值计算中采用简单的笛卡尔网格,避免了按照物体边界形状生成贴体网格时所遇到的各种问题.浸入边界法分为连续力法和离散力法:连续力法主要用于处理弹性边界问题,它的力源项满足特定的力学关系式;离散力法主要用于处理固体界面问题,它的力源项由边界条件推导得到.着重阐述了浸入边界法的基本原理和数学构造,对目前已有的几种不同的浸入边界法做了简单地介绍,并给出了一些应用实例,最后提出了浸入边界法未来的发展方向.     

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。     

一种投影浸入边界法的快速直接求解方法

根据投影浸入边界法分步投影求解的特点,同时针对压力泊松方程离散后的大型稀疏线性方程组是非奇异非对称的特点,结合开源函数库UMFPACK,在传递线性方程组的系数矩阵和右端向量时,采用函数库Eigen将系数矩阵的数据结构改写优化,大大降低了存储空间,实现对高维大型稀疏线性方程组的快速求解,同时求解保持良好的稳定性。本文首先利用一具有解析解的数值算例验证了求解泊松方程数值方法的准确性和网格依赖性,进而利用VC++编写投影浸入边界法的数值计算程序,以单圆柱绕流为基准数值算例,通过与其他文献和实验结果的对比,验证了投影浸入边界法数值计算结果的可靠性,并进一步分析了不同雷诺数下圆柱绕流的流场结构特征和尾涡结构的动态演化过程。     

近床面水平圆柱局部冲刷二维数值模拟

为研究近床面水平圆柱的局部冲刷问题,基于N-S方程和有限体积法,在FLUENT中通过二次开发建立了局部冲刷二维数值模型。模型采用标准κ-ε紊流模型来计算水平圆柱周围的流场,同时借助FLUENT软件中的自定义函数功能提取床面剪应力参数来计算该时刻的推移质输沙率及床面节点位移变化值,然后运用动网格技术来模拟床面地形的变化,通过物理模型试验来进行模型验证。结果表明,计算结果与试验结果基本一致,从而证实了冲刷模型的准确性。     

自主泳动弹性绳的轨迹模拟

研究柔性结构与流体间耦合作用,可以促进软体机器人的发展.通过速度快、精度高的数值模拟方法模拟水下机器人的实时运动轨迹,可以为真实实验提供测试方向与理论牵引,增大实验成功的可能性.本文研究有自主运动趋势的弹性绳在二维流场中的运动轨迹.首先,对弹性绳离散化建模并同时考虑拉压与扭转弹性力,从能量角度建立动力学方程,此模型可以较为真实地反映弹性绳内力对其运动产生的作用.然后基于半拉格朗日法建立流体求解器. 最后,提出简化的基于动量方程的浸入边界法作为耦合算法,通过直接修正网格速度代替浸入边界力法中力源项的作用.使用这种算法求解耦合作用兼具简便性与快速性.对弹性绳模型、流体模型与简化耦合模型依次解算,模拟了正弦形式波动弹性绳在水中的运动轨迹.结果显示,弹性绳在弹性内力与流固相互作用力共同影响下,该种新的浸入边界法可以实现对水下弹性绳运动轨迹的模拟.数值实验显示弹性绳的自主运动参考模型的初相位改变时,其前进方向会发生改变.该仿真模拟算法与平台可以为细长形软体水生机器人的研发提供参考.      

自主泳动弹性绳的轨迹模拟

研究柔性结构与流体间耦合作用,可以促进软体机器人的发展.通过速度快、精度高的数值模拟方法模拟水下机器人的实时运动轨迹,可以为真实实验提供测试方向与理论牵引,增大实验成功的可能性.本文研究有自主运动趋势的弹性绳在二维流场中的运动轨迹.首先,对弹性绳离散化建模并同时考虑拉压与扭转弹性力,从能量角度建立动力学方程,此模型可以较为真实地反映弹性绳内力对其运动产生的作用.然后基于半拉格朗日法建立流体求解器.最后,提出简化的基于动量方程的浸入边界法作为耦合算法,通过直接修正网格速度代替浸入边界力法中力源项的作用.使用这种算法求解耦合作用兼具简便性与快速性.对弹性绳模型、流体模型与简化耦合模型依次解算,模拟了正弦形式波动弹性绳在水中的运动轨迹.结果显示,弹性绳在弹性内力与流固相互作用力共同影响下,该种新的浸入边界法可以实现对水下弹性绳运动轨迹的模拟.数值实验显示弹性绳的自主运动参考模型的初相位改变时,其前进方向会发生改变.该仿真模拟算法与平台可以为细长形软体水生机器人的研发提供参考.     

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.     

基于2D网格的轴对称浸没边界法

浸没边界法是处理颗粒两相流中运动边界问题的一种常用数值模拟方法. 当研究的物理问题的无量纲参数满足一定要求时, 该流场结构呈现轴对称状态. 为此本文提出了一种基于2D笛卡尔网格和柱坐标系的轴对称浸没边界法. 该算法采用有限体积法(FVM)对动量方程进行空间离散, 并通过阶梯状锐利界面替代真实的固体浸没边界来封闭控制方程. 为了提高计算效率, 本文采用自适应网格加密技术提高浸没边界附近网格分辨率. 由于柱坐标系的使用, 使得动量方程中的黏性项产生多余的源项, 我们对其作隐式处理. 此外, 在对小球匀速近壁运动进行直接数值模拟时, 由于球壁间隙很小, 间隙内的压力变化比较剧烈. 因此想要精确地解析流场需要很高的网格分辨率. 此时, 需要在一个时间步内多次实施投影步来保证计算的稳定性. 而在小球自由碰壁运动中, 我们通过引入一个润滑力模型使得低网格分辨率下也能模拟小球近壁处的运动. 最后通过小球和圆盘绕流、Stokes流小球近壁运动以及小球自由下落碰壁弹跳算例验证本算法对于轴对称流的静边界和动边界问题均是适用和准确的.      

浸没边界-简化热格子Boltzmann方法研究及其应用

针对流固耦合传热问题,本文提出了一种基于浸没边界-简化热格子玻尔兹曼方法(immersed boundary method-simplified thermal lattice Boltzmann method,IB-STLBM)的耦合模型.不同于传统的格子玻尔兹曼方法使用分布函数演化流场和温度场,简化热格子玻尔兹曼方法(simplified thermal lattice Boltzmann method,STLBM)的演化过程不需要依赖分布函数,只涉及平衡态分布函数和非平衡态分布函数,能够直接演化宏观量,极大减小了计算过程中所占用的虚拟内存,简化了边界条件的实现方式,同时具有较高的稳定性.传统的浸没边界法对流场的计算采用欧拉网格,对固体边界采用拉格朗日网格,认为固体边界是对流场产生某种体积力.在应用浸没边界法时,汲取介观的思想,把固体的介入看作是对流场的干扰,打破了固体附近流体介观微团颗粒原始的平衡状态,这种干扰可以看作是在耦合边界上产生的一个非平衡项,可用非平衡态分布函数来表示.基于此,在模型中浸没边界法与简化热格子玻尔兹曼方法更紧密联系在一起,更大程度发挥二者的优点,整个计算过程更加简单直观,符合物理特性.通过对热圆柱绕流和内含热颗粒的封闭方腔自然对流问题的模拟以及对其结果的分析,验证了该算法在求解流固耦合传热问题的有效性和可行性.      

求解对流扩散方程的一种高效的有限体积法

考虑无结构三角网格上求解对流扩散方程的有限体积法.引入一种梯度函数的计算方法,将现有方法中计算解变量在网格单元中心和网格单元边界的梯度的两个独立过程改造成一个过程来完成,发展了一种求解对流扩散方程的高效的有限体积法.数值实验结果表明,该方法完全达到了已有方法同样的精度,而在计算速度上有明显的提高.     

浸没边界–简化热格子Boltzmann方法研究及其应用

针对流固耦合传热问题,本文提出了一种基于浸没边界–简化热格子玻尔兹曼方法 (immersed boundary method–simplified thermal lattice Boltzmann method,IB-STLBM)的耦合模型.不同于传统的格子玻尔兹曼方法使用分布函数演化流场和温度场,简化热格子玻尔兹曼方法 (simplified thermal lattice Boltzmann method,STLBM)的演化过程不需要依赖分布函数,只涉及平衡态分布函数和非平衡态分布函数,能够直接演化宏观量,极大减小了计算过程中所占用的虚拟内存,简化了边界条件的实现方式,同时具有较高的稳定性.传统的浸没边界法对流场的计算采用欧拉网格,对固体边界采用拉格朗日网格,认为固体边界是对流场产生某种体积力.在应用浸没边界法时,汲取介观的思想,把固体的介入看作是对流场的干扰,打破了固体附近流体介观微团颗粒原始的平衡状态,这种干扰可以看作是在耦合边界上产生的一个非平衡项,可用非平衡态分布函数来表示.基于此,在模型中浸没边界法与简化热格子玻尔兹曼方法更紧密联系在一起,更大程度发挥二者的优点,整个计算过程更加简单直观,符合物理特性.通过对热圆柱绕流和内含热颗粒的封闭方腔自然对流问题的模拟以及对其结果的分析,验证了该算法在求解流固耦合传热问题的有效性和可行性.     

非结构动网格在三维可动边界问题中的应用

研究用于非结构动网格的弹簧近似方法，采用顶点弹簧描述，导出并讨论了弹簧倔强系数的取值。通过引入边界修正和扭转效应修正，对标准弹簧近似方法进行了改进，转动翼型算例的结果表明，改进后的方法大大提高了网格变形能力和网格质量，应用该动网格方法耦合求解基于（Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE）描述的三维Euler方程，模拟了作俯抑振动的矩形机翼绕流，计算结果与实验数据及文献计算结果十分一致，作为多个自由刚与流体耦合运动问题的简单例证，耦合刚体动力学方程，模拟了激波与双立方体的相互作用，得到了非定常流场结构，研究表明，基于弹簧近似的非结构动网格与有限体积流式流场解算器相结合，是模拟包含运动边界的非定常流动问题的有效方法。     

两种浸入式边界方法的比较

介绍两类不同的浸入式边界方法及其对它的改进. 然后采用均匀矩形交错网格和压力校正投影法,对不可压流场中的二维圆柱绕流进行了数值求解并对比了两类方法的精度.计算分析表明,连续显力法具有构造简单,适用性强的优点. 但离散隐力法在物面边界精度上要优于前者. 改进后,在二阶精度的离散格式下物面边界精度较低的显示力源法的精度有一定提高,同时发现,加密网格以提高数值精度的方法对于连续显力法并不总是有效.而同样格式下,离散隐力法具有更高精度,其中预测-校正离散隐力法可以在此基础上获得更小的计算误差和更快的收敛速度. 数值解与文献已有的数值和实验结果吻合得很好,表明边界算法及其程序是可靠和有效的.      

紧致插值曲线方法在流向强迫振荡圆柱绕流中的应用

利用紧致插值曲线(constrained interpolation profile method in Zhejiang University, CIP-ZJU) 数学模型, 对低科勒冈-卡朋特(Keulegan–Carpenter) 数KC 静止流体中振荡圆柱以及雷诺数Re = 200 时流向强迫振荡圆柱绕流进行了数值模拟. 模型在直角坐标系统下建立, 采用紧致插值曲线方法作为流场的基本求解器离散了纳维-斯托克斯方程, 基于多相流的理论实现流固耦合同步求解, 利用浸入边界方法处理固体边界. 模拟结果与现有文献结果进行比较, 二者吻合情况较好, 验证了此方法对于计算复杂流动问题的可靠性.      

非流线体分离流动态载荷的数值模拟方法研究

以圆柱绕流为研究对象,针对圆形边界,采用O型网格对流场进行离散,用二阶精度的中心差分有限体积法作空间离散,用二阶精度的中心差分处理时间问题,用双时间方法求解了二维非定常Navier-Stokes方程,系统研究了计算方法对收敛精度、时间步长和网格数量的依赖性.计算结果表明,对于长时间历程的非定常问题,虽然双时间方法收敛性很好,但对于分离流而言,时间步长的选取并非没有限制;每一步伪时间的推进中,收敛精度也有要求;而要模拟圆柱分离流的非线性气动力现象,计算网格至少要达到260×80的数量.     

直接边界元法三维自由面兴波时域模拟

应用直接边界元法在时域中求解稳定航速运动的三维自由面兴波问题.基于格林定理,在所有边界面上划分网格,对边界积分方程进行数值离散,采用线性自由面边界条件,随时间步进更新自由面势.由于物体空间位置移动辐射条件不需要单独表述,迭代过程中自由面计算域保持不变.以割划水面NACA0024为例,计算模拟了自由面兴波稳定波形;提出了求解矩阵方程组奇异性的处理方法和解决割划问题的动网格技术.本文计算结果和有限体积法及有关试验结果对比表明,该方法是可靠的.     

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.     

曲线坐标下连通域河道平面二维水流的数值模拟

在边界拟合曲线坐标系下,运用B型交错网格模式和动边界扫描技术建立了基于连通域的二维水流数学模型,并提出了模型中有关参数的处理方法.采用贴体坐标变换将复杂的物理域变换成规则的计算域,在计算域上采用控制容积法离散方程,应用SIMPLEC算法计算速度-压力耦合.研究结果表明:采用控制容积法和SIMPLEC算法离散求解方程,具有良好的守恒性和稳定性; 该模型能够较准确地模拟连通域河段的流场变化、水位变化等过程,可供实际工程应用.