基于Boltzmann模型方程的气体运动论统一算法研究

模型方程出发,研究确立含流态控制参数可描述不同流 域气体流动特征的气体分子速度分布函数方程; 研究发展 气体运动论离散速度坐标法, 借助非定常时间分裂数值计算方法和NND差分格式, 结 合DSMC方法关于分子运动与碰撞去耦技术, 发展直接求解速度分布函数的气体运动论耦合 迭代数值格式; 研制可用于物理空间各点宏观流动取矩的离散速度数值积分方法, 由此提出 一套能有效模拟稀薄流到连续流不同流域气体流动问题统一算法. 通过对不同Knudsen数下 一维激波内流动、二维圆柱、三维球体绕流数值计算表明, 计算结果与有关实验数据及其它 途径研究结果(如DSMC模拟值、N-S数值解)吻合较好, 证实气体运动论统一算法求解各 流域气体流动问题的可行性. 尝试将统一算法进行HPF并行化程序设计, 基于对球体绕流及类 ``神舟'返回舱外形绕流问题进行HPF初步并行试算, 显示出统一算法具有很好的并 行可扩展 性, 可望建立起新型的能有效模拟各流域飞行器绕流HPF并行算法研究方向. 通过将气体运 动论统一算法推广应用于微槽道流动计算研究, 已初步发展起可靠模拟二维短微槽道流动数 值算法; 通过对Couette流、Poiseuille流、压力驱动的二维短槽道流数值模拟, 证实该 算法对微槽道气体流动问题具有较强的模拟能力, 可望发展起基于Boltzmann模型方程能可 靠模拟MEMS微流动问题气体运动论数值计算方法研究途径.     

列车-桥梁耦合振动研究综述

针对列车-桥梁耦合振动问题,从模型分类与建立、轮轨接触、数值计算、工程应用等4个方面综述了20世纪60年代至今,特别是近20年以来的研究进展,总结了已经取得的成就与结论.并指出建立更加精细合理、运算效率高的列车-桥梁耦合振动模型,综合考虑整个体系中的各种因素,更系统地分析车、桥相互作用的影响关系,将成为列车-桥梁耦合振动研究的必然趋势.      

二层密度分层流体重力流的数值模拟

从RANS方程和RNGk-ε湍流模型出发,采用流体体积法(VOF)来模拟密度分层流动,对盐水和淡水因密度差异导致的分层重力流动现象进行了数值模拟.文中报道了平底水槽重力流、狭孔交换流的数值模拟结果,分层重力流锋面运动速度的计算值与现有的半理论半经验公式一致.为了揭示地形变化对分层重力流的影响,对设有缓变潜堤的水槽内分层重力流动的形成过程进行了数值模拟,给出了重力头推进速度和局部流场的计算结果,并讨论了分层流界面、流量和锋面附近的流速分布特征.     

基于输运方程类空化模型的通气空泡流数值模拟

超空泡流动涉及多相、相变、湍流、可压缩性和非定常特性等复杂情况,亟待发展相应的精细数值模拟方法和计算软件.本文基于均质平衡流理论和输运方程类空化模型,提出了复杂气、汽、水多相的通气空泡流数学模型,采用有限体积方法和SIMPLE算法,建立了求解混合介质的雷诺平均N-S方程、湍流方程、各组分质量分数输运方程的数值模拟方法,自主开发了相应的三维计算程序.模拟了绕圆盘的轴对称通气超空泡流,计算结果与经典的近似公式、半经验公式及试验数据吻合良好,验证了数学模型和数值计算方法能够正确预报通气空泡流场的基本空泡形态和流场动力特性.     

侧向多喷口干扰复杂流动数值模拟研究

采用具有高分辨率的NND格式，通过数值求解N-S方程对典型外形多喷口侧向喷流 复杂干扰流动进行了数值模拟. 为了提高计算效率，采用了LU-SGS隐式算法. 采用分块对接 网格技术，生成高质量的贴体计算网格，精确模拟喷口截面. 对比分析了不同计算格式、限 制器形式、网格拓扑及流动形态(层流与湍流)对喷流干扰流场结构和压力分布特性的影响， 研究和分析了喷口附近流场的涡系结构、波系结构和喷流干扰引起的气动力特性. 在上述研 究的基础上，针对典型飞行器外形的侧向喷流干扰特性进行了详细的数值模拟，得到了喷口 参数(喷口位置、数目等)及来流条件对喷流干扰流场结构、气动力特性的影响规律，并对 其流动机理进行了相应的分析. 研究表明，发展的针对多喷口侧喷干扰的数值计算方法 是成功的，可以应用于飞行器侧向喷流干扰的流场结构分析及气动力特性数值预测.     

高超声速尾迹流场稳定性数值研究

通过数值模拟, 对高超声速尾迹流场进行了研究, 对其尾迹流动的失稳过程进行 了分析. 选取计算模型为圆球，Ma= 6.0, Re = 1.71\times 10^6(Re以球头半径为 参考长度). 通过数值模拟，首先得到的流动是稳定解，在底部发展出 一个主分离区和一个二次分离区，流动是轴对称状态. 不添加任何扰动继续进行计算，发现 底部流场缓慢发展出微弱的非定常流动. 随后，该现象继续发展，出现明显的结构失稳，得 到了无量纲周期为12.0的周期解. 给出了高超声速圆球绕流尾迹结构的周期性演化过 程，对其涡系结构的演化及奇点特征进行了分析. 研究表明该数值模拟方法可用于 底部流动稳定性问题的研究，同时证实了高超声速底部流动也存在流动不稳定性.     

绕椭球的低速流动研究

理解和预测绕椭球的流动对指导飞行器和潜艇等交通工具的设计具有很强的工程意义. 近年来, 针对椭球绕流开展了大量的实验和数值模拟研究. 对有攻角下椭球绕流分离的定性描述和定量研究, 促进了对三维分离的辨识和拓扑研究. 文章对流场特性进行了分析, 介绍了分离对气动力、噪声、尾迹的影响, 以及实验条件对流动的影响. 上述定常流动与非定常机动过程之间存在明显差异, 非定常机动过程不能作为定常或准定常问题处理, 在机动过程中, 分离出现明显延迟, 气动力出现明显变化. 随后介绍了数值模拟在求解绕椭球流动中的进展, 当前求解雷诺平均的N-S方程湍流模式仍然是解决绕椭球大范围分离流动的主要工程方法, 大涡模拟和分离涡模拟等也逐渐得到了广泛应用. 受限于计算能力, 直接数据模拟只能用于较低雷诺数, 在高雷诺数流动中还不适用. 非定常机动过程的数值模拟较定常状态, 与实验结果的差距要大一些. 最后, 介绍了对椭球绕流场转捩的研究进展, 对T-S转捩与横流转捩的机理和辨识已经较为准确, 数值模拟结果与实验结果基本相符, 但对再附转捩的认识还不够清晰, 尤其是迎风面, 因此椭球绕流转捩的研究还需要依靠实验.      

防护林带：湍流的数学模型与计算机模拟

虽然防护林用于减小风速、控制热量和水汽传递及污染物扩散、 改善气候与环境、增加作物产量等已经有几百年了, 但直到近几十年, 人们才开始系统地研究防护林空气动力学的遮蔽机制.在本综述中,我 们考察了绕防护林带的流动与湍流控制机制,最新的模型与数值模拟 研究情况;通过数值模拟与实验数据的比较,来了解防护林带结构与防 风效果之间的关系;讨论数值分析如何及为什么能够得到所需要的结果. 本文将从多孔隙防护林带流动基本方程组的推导开始,讨论数值模型及 模拟过程,对附体与分离流动进行预测;分析了遮蔽机制与动量交换;对 风向、防护林密度、宽度和三维性对流动与湍流的影响作了系统的论 述.还对热流和土壤水分蒸发的新模型及数值模拟作了简述.最后,我们 对网络工作站、群和高性能分布式并行计算机及其对防护林带模型预 报能力的提高作了讨论.     

床面上直立圆柱的三维湍流数值模拟

从数值预报桥墩等结构物床面局部冲刷的角度发展绕直立圆柱的三维湍流的数值模拟技术. 基于Wilcox的k-ω两方程湍流模式，采用基于有限体积法的压力修正SIMPLE算法, 计算了绕床面直立圆柱的三维湍流流场，分析了光滑和粗糙床面两种情况下的流动情况. 通过系列的验证计算，表明该计算模型能够比较准确地反映不同外来流条件下绕直立圆柱的流场. 计算结果揭示了床面粗糙度对绕圆柱的湍流流动的影响.     

油藏数值模拟发展现状

油藏数值模拟是以多相流体在多孔介质中流动的理论为基础,目前已广泛应用于油藏工程.本文就流体流动方程、数值计算方法、软件的开发和应用等方面,阐述了所谓黑油模型发展现状,同时介绍了组分模型和热采模型等其他类型模型.还就国内如何开展油藏模拟工作提出了建议.     

CFD study: Effect of pulsating flow on gas–solid hydrodynamics in FCC riser

Gas–solid flow in a fluid catalytic cracking (FCC) riser exhibits poor mixing in the form of a core–annulus flow pattern and a dense bottom/dilute top distribution of solids. To enhance gas–solid mixing, studies on dense fluidized beds have suggested using a pulsating flow of gas. The present study investigates the effect of pulsating flow on gas–solid hydrodynamics inside the FCC riser employing computational fluid dynamics. Two flow conditions are investigated: a cold flow of air-FCC catalyst in a pilot-scale riser and a reactive flow in an industrial-scale FCC riser. In the cold-flow riser, pulsating flows cause the slug flow of solids and thus increase the average solid accumulation in the flow domain and solid segregation towards the wall. In the industrial FCC riser, pulsating flows produce radial profiles that are more homogeneous. Pulsating flows further improve the conversion and yield in the initial few metres of height. At 7 m, the conversion from pulsating flow is 59%, compared with 44% in without pulsating flow. The results and analysis presented here will help optimize flow conditions in the circulating fluidized bed riser, in not only FCC but also applications such as fast pyrolysis and combustion.     

计算流体力学中的验证与确认

计算流体力学(CFD)在航空航天等诸多领域的应用越来越广泛.特别是近年来, CFD在 实际飞行器的设计中扮演着越来越重要的角色, 许多设计参数直接来源于CFD的计算结果. 由此, 飞行器设计师对CFD提供结果的可信度提出了更高的要求.验证(verification)与 确认(validation)是评价数值解精度和可信度的主要手段.本文综述了国内外开展CFD验 证与确认研究的进展.在引言中论述了开展CFD验证与确认的重要性和必要性, 简述了国内 外CFD验证与确认研究的历史和发展现状.第2节中讨论了CFD验证与确认的一些基本概念, 以及这些概念定义的形成过程, 并指出了进行CFD验证与确认的基本步骤.第3节和第4节分 别讨论了CFD验证与确认的方法, 如CFD验证中的精确解比较方法, 制造解比较方法, 网格 收敛性研究;CFD确认中的层次结构, 流动分类法, 确认实验指南.在第5节中我们列举了 几个CFD验证与确认的应用实例.最后, 对我国开展CFD验证与确认研究工作提出了若干建 议, 包括:(1)开展流动分类法研究,(2)推行软件质量工程方法,(3)开展规范精细的实 验, 建立国内的网络数据库.     

Multiscale coupling of compliant and rigid walls blood flow models

Numerical methods based on geometrical multiscale models of blood flows solve for averaged flow statistics on a network of vessels while providing more detailed information about fluid dynamics in a specific region of interest. In such an approach, a 3D model based on the Navier–Stokes equations posed in a domain with rigid walls is often used to describe blood flow dynamics in the refined region. While ignoring elasticity effects in 3D models is plausible in certain applications and saves computational time significantly, coupling such models with 1D flow models may result in non‐physiological phenomena in the computed solutions. Thus, the immediate coupling conditions based on continuity of normal stresses, flow rate, pressure, or a combination of thereof do not account for the inconsistency between elasticity effects in the 1D model and the non‐compliance of the 3D model. In this paper, we introduce and study an auxiliary absorbing 0D model, which is placed at the interface between 1D and 3D models. A virtual device mimics the effect of the 3D model compliance and hence reduces pressure wave reflection and instabilities caused by the inconsistency. The absorbing model is developed from basic mechanical principles. As a result, parameters of the 0D model can be designed based on hemodynamic data. We analyze the stability of the geometrical multiscale model and perform several numerical experiments to assess its computational efficiency. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

椭圆截面曲线管道内二次流动的Galerkin解

推导了任意空间曲线直角坐标系内的张量流体力学方程．采用Galerkin方法和计算机符号运算技术求解了椭圆截面螺旋管道（电括弯管、扭管）内的二次流动．计算结果表明了Galerkin方法的适用和有效性，克服了振动法的小参数局限．对所得结果的分析揭示了椭圆截面螺旋管道内流动的特性，给出了k,r和Re较大情况的研究结论．     

Re-entry body drag: shock tunnel experiments and computational fluid dynamics calculations compared

The best approach for conducting the research necessary for developing hypersonic flight vehicles is a close coupling between experiments that employ rapid measurement techniques and computational fluid dynamics (CFD) that appropriately accounts for the freestream nonuniformities, as well as for hypervelocity flow phenomena. This approach has been employed here, where stress wave force measurements and CFD calculations have been combined in an investigation of the axial drag on a generic re-entry body. Experiments were performed in argon and nitrogen, with test flows ranging in total enthalpy between 3 MJ/kg and 12 MJ/kg and Mach numbers varying from 6 to 13. The associated measured drag forces ranged from 300 to 360 N. For Mach 12 argon flows, the CFD overpredicted the drag by 8%, while for two hypervelocity nitrogen flows the CFD overpredicted the drag by at most 5%. Considering uncertainties in the force measurements and the CFD boundary conditions, the agreement is good, and the work highlights both the ability of the force measurement technique to respond to rapid changes in flow conditions and the importance of carefully accounting for flow gradients in the CFD boundary conditions. This paper was based on work that was presented at the 3rd International Symposium on Interdisciplinary Shock Wave Research, Canberra, Australia, March 1–3, 2006.     

高雷诺数流动理论、算法和应用的若干研究进展

在黏性流体力学的历史发展中,Navier-Stokes (NS)方程组的 简化理论、相应算法和应用构成了不同历史时期的学科前沿、核心内 容的应用热点。以此为线索,简要评述经典边界层、多层(三层)边界 层、干扰边界层、扩散抛物化(DP) NS方程诸理论、相应算法和应用的 若干研究进展;诸理论之间以及他们与实验的关系;简化湍流计算的 一点注释以及物理分析和数值模拟相结合的一些问题。     

串列风力机尾流干扰的研究简

广义致动盘方法是通过引入体积力代替叶片的致动盘技术与三维Navier-Stokes 方程相结合来获得风力机周围流场信息的一种方法. 该方法避免了花费大量网格与计算资源去求解风力机叶片的附面层,从而可以把更多的网格与计算资源用于风力机尾流流场的模拟,非常适合用于风力机尾流流场的研究. 以NH1500风力机为计算模型,将常规CFD (computational fluid dynamics) 方法与广义致动盘方法计算所得的叶片载荷分布进行比较,以验证广义致动盘方法的可行性. 然后使用广义致动盘方法对风场中串列风力机进行数值模拟,研究串列风力机之间间距变化时,上游风力机产生的尾流对下游风力机的干扰影响.     

CFD on moving grids: from theory to realistic flutter,maneuvering, and multidisciplinary optimization

As application of computational fluid dynamics (CFD) technology grows from the simulation of flows around fixed and rigid obstacles to the prediction of flows past flexible and/or moving bodies, interest in CFD on dynamic meshes increases. This paper reviews some of the theoretical and computational advances made in this area, highlights sample applications they have enabled in aeroelasticity and multidisciplinary optimization, and concludes with a brief discussion of a specific barrier to progress.     

非牛顿流体固粒悬浮流的若干问题

非牛顿流体固粒悬浮流具有广泛的应用背景,其特殊的流动属性使其成为一些新兴技术领域的核心突破点.同时,该流动又比较复杂,即便是在低固粒浓度的情况下,非牛顿流体特性也会对整个系统的微结构产生重要的影响,从而进一步影响固粒的运动.本文给出了非牛顿流体方程、固粒运动方程和非牛顿流体固粒悬浮流的特征参数,分析了这些参数的作用;阐述了单个固粒在管道中的径向移动、多固粒的相互作用和聚集、多固粒形成的链状结构以及非圆球固粒运动等方面的研究成果、结果分析以及尚未解决的问题,并对以上问题进行了总结和展望,给出了需要深入研究的具体问题和内容,旨在为进一步的研究提供参考和依据.     

高雷诺数流动的基本控制方程体系和扩散跑物化Navier-Stokes方程组的意义和用途

在计算机发达的时代, 高雷诺($Re$)数绕流计算中有无必要使用简化NS方 程组, 本文讨论这个问题. 主要内容如下: (1) 高$Re$数绕流包含3种基本流动: 所有方向对流占优流动、所有方向对流扩散竞争流动和部 分方向对流占优部分方向对流扩散竞争流动(简称干扰剪切流动), 3个基本流动的特征彼 此不同且在流场中所占领域大小彼此相差悬殊, NS方程区域很小, 它们的最简单控制方程组Euler、Navier-Stokes (NS)和扩散抛物化(DP) NS方程组的数 学性质彼此不同, 因此利用Euler-DPNS-NS方程组体系分析计算高$Re$数绕流流动就是一 个合乎逻辑的选择, 该法与利用单一NS方程组的常用方法可以彼此检验和补充. (2) 流体之间以及流体与外界的动量、能量和质量交换, 流态从层流到湍流的演化主要发生在干 扰剪切流动中, 干扰剪切流及其最简单控制方程------DPNS方程组具有基础意义; DPNS方程组 笔者在1967年已提出. (3) 诸简化NS方程组: DPNS、抛物化(P)NS、薄层(TL)NS、黏性层(VL)NS方程组的发展、 相互关系, 它们的历史贡献和今后的用途; 它们的数学性质均为扩散抛物型, 但它们包含的 黏性项彼此有所不同; 从流体力学角度来看, 它们中只有DPNS方程组能够准确描述干扰剪 切流动. 提出把诸简化NS方程组统一为DPNS方程组的建议. (4)干扰剪切流------DPNS方程组 与无干扰剪切流------边界层方程组之间的关系以及进一步研究干扰 剪切流的意义.