非定常流函数涡量方程的一种数值解法的研究

对非定常流函数涡量方程的数值求解方法进行了改进,其中流函数一阶导数即速度项采用四阶精度的Hermitian公式,对流项由一般二阶精度的中心差分提高到四阶精度离散差分,包含温度方程在内的离散方程组采用ADI迭代方法求得定常解．以无内热体及有一内热体的封闭方腔内自然对流为例,进行了不同瑞利数（Ra）条件下的数值研究．结果表明,该方法推导简单,求解精度高且计算稳定,适用于封闭腔内高瑞利数复杂混合对流的数值模拟．     

具有强SORET效应的充分发展的混合流体行进波对流

混合流体Rayleigh-Benard对流是研究对流稳定性,时空结构和非线性特性的典型模型之一。本文利用流体力学扰动方程组的数值模拟,讨论了偏离传导状态具有强SORET效应的混合流体行进波对流的温度场和浓度场的成长过程,分析了充分发展对流情况下的对流振幅,Nusselt数及混合参数与相对瑞利数的关系。并给出了行进波相速度对相对瑞利数的依赖关系。结果说明混合参数的曲线与行进波相速度的分布曲线是类似的。文末,给出了垂直速度,温度和浓度场的分布并讨论了相对瑞利数对场的分布及不同场之间的相位差的影响。     

正弦波温度边界下多孔介质方腔内非热平衡对流传热数值模拟

采用局部非热平衡模型,在方腔左侧壁面温度正弦波变化、右侧壁面温度均一的边界条件下,通过SIM-PLER算法数值研究了固体骨架发热多孔介质方腔内的稳态非达西自然对流,主要探讨了不同正弦波波动参数N及方腔的高宽比M/L对方腔内自然对流与传热的影响规律。计算结果表明:正弦波温度边界使得方腔内的流场出现了复杂的变化,流体及固体区域左侧壁面附近出现了周期性的正负变化的温度场分布,左侧壁面局部Nusselt数出现了周期性的震荡现象;存在一个最佳温度波动参数N=1,此时多孔介质方腔内的整体散热量达到最大值;增加方腔高宽比会显著地削弱方腔内的自然对流传热过程,小高宽比也会在一定的程度上削弱多孔介质方腔内的对流传热。     

浮力对混合对流流动及换热特性的影响

用热线和冷线相结合的技术测量垂直圆管内逆混合对流流体的平均速度、 温度以及它们的脉动. 较详细地研究了浮力对逆混合对流的流动特性和传热特性的影响. 评 估了实验中采用的冷线测量温度补偿速度探头温度敏感的影响. 逆混合对流的传热结果用无 量纲参数Ω (Ω= Grd / Red2 )来表示，其中，基于管道直 径的雷诺数Red变化范围为900~18000, 浮力参数Ω变化范围为 0.004899~0.5047. 研究结果表明，浮力对逆混合对流的换热有强化作用. 随着葛拉晓夫数Grd的增加，温度脉动，流向雷诺正应力和流向温度通量增 大，并且在靠近壁面的流体区域尤其明显. 热线与冷线相结合的技术适合于研究非绝热的流 动测量，可以用于研究浮力对流动和换热特性的影响.     

粗糙多孔腔体自然对流的非正交MRT-LB数值模拟

基于非正交多松弛系数格子Boltzmann(MRT-LB)方法建立了适用于多孔方腔自然对流计算模型,选取典型热流动问题分析了非正交转换矩阵的MRT-LB模型数值准确性和运算效率,布置两种粗糙多孔方腔模型进行研究。讨论了Rayleigh数、粗糙单元个数n、粗糙单元横纵比A等参数对方腔内流动传热的影响,同时给出了各个参数条件下腔内流场与温度场分布。结果表明,非正交MRT-LB模型具有很好的数值准确性和收敛速度,布置粗糙单元使得壁面处流线等温线发生变形,增大粗糙元单元个数n或横纵比A均会恶化方腔传热。     

基于热格子Boltzmann方法的自然对流数值模拟

对Eggels和Somers提出的热格子Boltzmann格式进行了改进. 在不可压缩流动的假设下,提出了一种新的温度平衡分布函数,可以克服压缩性对温度统计的影响,并且相应地修正了统计宏观温度的方法. Eggels和Somers的方法对速度和温度均采用半步长反弹格式边界条件,适合无滑移的速度边界条件.但是对温度采用该边界条件在物理本质上显得不够准确,所以在边界上对二者统一采取算法既简单又容易实现的非平衡态外推格式,同时可以与Boltzmann格式的整体二阶精度保持一致. 最后,利用改进的热格子Boltzmann方法(TLBM)模拟了Ra=10^6和Pr=0.71(空气)的方腔中的自然对流,模拟得到的流动参数与其它数值方法的结果吻合得很好,表明改进的热格子Boltzmann方法可以有效准确地模拟非等温流动.      

磁场对多孔介质方腔内空气热磁对流的影响

数值分析了微重力下圆形载流线圈倾斜时多孔介质方腔内空气热磁对流. 磁场计算采用毕奥--萨伐定律求解; 动量方程与能量方程分别采用达西模型与局部热非平衡模型求解. 计算结果表明随着磁场力数\gamma 数和Da数的增加, 方腔内对流变得越来越强. 线圈倾斜角x_{\rm euler}从0^\circ到90^\circ变化时, 对流结果关于x_{\rm euler}=45^\circ呈现对称分布. Nu_{\rm m}数随线圈倾斜角的改变而变化且每个工况下局部最大Nu_{\rm m}数出现在x_{\rm euler}=45^\circ. 局部最小Nu_{\rm m}数出现在x_{\rm euler}=0^\circ, 90^\circ.      

线圈绕Y轴倾斜时方腔内空气磁力与重力耦合对流的数值模拟

数值分析了微重力与重力环境下圆形载流线圈绕Y轴倾斜时方腔内空气热磁对流。磁场计算采用毕奥萨伐定律;控制方程基本变量采用控制容积法离散,求解采用SIMPLE算法。计算过程中Ra数的变化范围为104~105,线圈倾斜角yeuler的变化范围为-90°~90°,磁场力数γ数的变化范围为0~200。获得了空气热磁对流的流场和温...     

封闭方腔内空气和水自然对流每一次分岔数值预报

采用二阶全展开ETG分裂步有限元方法,通过对流动拓扑的详细分析,在排除网格密度影响的基础上,结合二分法给出封闭方腔内空气和水两种典型流体自然对流发生第一次分岔时的临界Rayleigh数。计算结果表明,该方法可用于进行不同Prandtl数条件下方腔内自然对流流动第一次分岔的数值预报,可作为后续各阶分岔及转捩数值预报研究的基础。在相应的条件下,封闭方腔内空气比水更容易发生分岔,且空气的流动结构相对于水表现出一定的倾斜性。     

三维方腔介电液体电对流的数值模拟研究

本文对封闭方腔内介电液体电对流进行了三维数值模拟研究.方腔的6个边界为固壁;4个侧边界为电绝缘边界;上下界面为两个电极.直流电场作用在从底部电极注入的自由电荷上,从而对液体施加库伦体积力并驱动流体流动形成电对流.为了求解这一物理问题,发展了一种二阶精度的有限体积法来求解完整的控制方程,包括Navier-Stokes方程和一组简化的Maxwell方程.考虑到电荷密度方程的强对流占优特性,采用了全逆差递减格式来求解该方程,获得了准确有界的解.通过研究发现,该流动在有限振幅区内的分叉类型为亚临界,即系统存在一个线性和非线性临界值,分别对应流动的开始和终止.由于非线性临界值比线性值小,因此两个临界值之间有一个迟滞回线.与无限大域中的自由对流相比,侧壁施加的额外约束改变了流场结构,使这两个临界值均有所增大.此外,还讨论了电荷密度和速度场的空间分布特征,发现电荷密度分布中存在电荷空白区.最后对更小空间尺寸情况计算结果表明,流动的线性分叉类型为超临界.本文的结果拓展了已有的二维有限空间内电对流的研究,并为三维电对流的线性和弱非线性理论分析提供参考.     

三维方腔介电液体电对流的数值模拟研究

本文对封闭方腔内介电液体电对流进行了三维数值模拟研究.方腔的6个边界为固壁;4个侧边界为电绝缘边界;上下界面为两个电极.直流电场作用在从底部电极注入的自由电荷上,从而对液体施加库伦体积力并驱动流体流动形成电对流.为了求解这一物理问题,发展了一种二阶精度的有限体积法来求解完整的控制方程,包括Navier-Stokes方程和一组简化的Maxwell方程.考虑到电荷密度方程的强对流占优特性,采用了全逆差递减格式来求解该方程,获得了准确有界的解.通过研究发现,该流动在有限振幅区内的分叉类型为亚临界,即系统存在一个线性和非线性临界值,分别对应流动的开始和终止.由于非线性临界值比线性值小,因此两个临界值之间有一个迟滞回线.与无限大域中的自由对流相比,侧壁施加的额外约束改变了流场结构,使这两个临界值均有所增大.此外,还讨论了电荷密度和速度场的空间分布特征,发现电荷密度分布中存在电荷空白区.最后对更小空间尺寸情况计算结果表明,流动的线性分叉类型为超临界.本文的结果拓展了已有的二维有限空间内电对流的研究,并为三维电对流的线性和弱非线性理论分析提供参考.      

不同属性肋片对复杂方腔自然对流影响的数值分析

采用二阶全展开Euler-Taylor-Galerkin分裂步有限元方法,在指定的网格密度条件下,在流动对应的普朗特数取为0.71,雷诺数取为104的情况下,数值分析了热肋、冷肋、上绝热肋、下绝热肋等四种不同属性肋片对封闭方腔内典型自然对流流动的影响.计算结果表明,肋片的存在对封闭方腔内的自然对流及相应的传热效率具有较强的影响,对流流动结构以及平均Nusselt数随肋片的属性发生较大的改变.     

二维矩形腔体中混合流体行进波对流

Rayleigh-Benard模型是研究对流稳定性,时空结构和非线性特性的典型模型之一。本文的兴趣集中在二维矩形腔体中混合流体对流场的结构方面。利用SIMPLE算法数值求解流体力学方程组,模拟了充分发展的二维矩形腔体中混合流体对流。结果说明偏离传导失去稳定的系统经过亚临界分叉产生了振动对流。进一步,我们给出了分叉曲线及其沿分叉曲线的上部分支三个Rayleigh数对应的对流图案的垂直速度场,流线,温度场,浓度场和Shadowgraph强度的等值线图。所有场的结构分析表明浓度场及Shadowgraph强度的等值线图可以很好的特征行进波的运动特性。     

N-S方程基于投影法的特征线算子分裂有限元求解

提出了一种求解非定常不可压缩纳维-斯托克斯方程（N-S方程）的新型有限元法:基于投影法的特征线算子分裂有限元法.在每一个时间层上将N-S方程分裂成扩散项、对流项、压力修正项.对流项采用多步显式格式,且在每一个对流子时间步内采用更加精确的显式特征线-伽辽金法进行时间离散,空间离散采用标准伽辽金法.应用此算法对平面泊肃叶流、方腔流和圆柱绕流进行数值模拟,所得结果与基准解符合良好.尤其对于Re=10000的方腔流,给出了方腔中分离涡发展和运动的计算结果,并发现在该雷诺数下存在周期解,表明该算法能较好地模拟流体流动中的小尺度物理量以及流场中分离涡的运动.      

NUMERICAL SIMULATION FOR NAVIER-STOKES EQUATIONS BY PROJECTION/CHARACTERISTIC-BASED OPERATOR-SPLITTING FINITE ELEMENT METHOD

提出了一种求解非定常不可压缩纳维-斯托克斯方程（N-S方程）的新型有限元法：基于投影法的特征线算子分裂有限元法.在每一个时间层上将N-S方程分裂成扩散项、对流项、压力修正项.对流项采用多步显式格式,且在每一个对流子时间步内采用更加精确的显式特征线-伽辽金法进行时间离散,空间离散采用标准伽辽金法.应用此算法对平面泊肃叶流、方腔流和圆柱绕流进行数值模拟,所得结果与基准解符合良好.尤其对于Re=10000的方腔流,给出了方腔中分离涡发展和运动的计算结果,并发现在该雷诺数下存在周期解,表明该算法能较好地模拟流体流动中的小尺度物理量以及流场中分离涡的运动.     

二阶非定常多宗量热传导反问题的正则解

引入Bregman距离函数及其加权函数作为正则项，应用Tikhonov正则 化方法，对二阶非定常多宗量热传导反问题进行求解. 利用测量信息和计算信息构造最小二 乘函数，将多宗量反演识别问题转化为一个优化问题. 空间上采用8节点等参元进行离散， 时域上采用时域精细算法进行离散，建立了二阶非定常多宗量热传导问题的有限元正/反演数 值模型. 该模型不仅考虑了非均质和参数分布的影响，而且也便于正反演问题的敏度分析， 可对导热系数和边界条件等宗量进行有效的单一和组合识别. 给出了相关的数值验证，对信 息测量误差以及不同正则项的计算效率作了探讨. 数值结果表明，该方法能够对二阶非定常 多宗量热传导反问题进行有效的求解，并具有较高的计算精度.     

线性定常对流占优对流扩散问题的无网格解法

应用无网格Galerkin方法求解对流占优对流扩散问题时会出现非物理现象的数值伪振荡,本文将SUPG方法、GLS方法、SGS方法与无网格Galerkin方法相耦合,成功解决了对流扩散方程中对流项占优时的数值伪振荡问题。运用本文构造的方法,采用线性基和具有C2连续的权函数,应用移动最小二乘法可容易地构造高阶导数连续的形函数,从而避免了有限元方法中当采用线性元插值时,因忽略稳定项中二阶导数项而降低计算精度和稳定性的问题。数值实验表明:本文构造的方法具有计算精度高、稳定性好、计算算法实施简单、前后处理方便的优点,这些方法不仅能适用于对流项占优问题,而且也能很好地消除反应项占优时的数值伪振荡问题。     

液桥中不同Prandtl数流体的热毛细对流

本文研究从上面加热的液桥中不同 pr 数流体的热表面张力驱动对流。在 Ma 数相同的条件下,不同 pr 数流体液桥中的温度分布和流场结构定性相似,但定量结果不同。小pr数(pr<<1)流体液桥中的粘性边界层远小于热边界层,最大流函数所在位置向冷端偏移,有较大的流动速度。结果表明,Ma 数是描述这种流动的敏感参数。     

利用格子Boltzmann方法数值模拟Rayleigh-Benard对流

采用格子Boltzmann方法对较大Rayleigh数范围下的二维Rayleigh-Benard对流进行了模拟研究.引入能量分布函数,利用该能量分布函数与粒子速度分布函数耦合来求解一个热流场,能量分布函数与粒子速度分布函数和Boltzmann方程构成了一个新的双分布格子Boltzmann模型.在考虑密度随温度变化的情况下,进行数值模拟,得到了Rayleigh-Benard对流速度、温度随时间的变化规律、系统的流线和等温线分布及平均Nusselt数与Rayleigh数的之间的关系,与相关文献数据进行了对比,模拟结果非常吻合,证明了改进的双分布格子Boltzmann模型的有效性.     

界面不稳定性引起混合过程的二维数值计算

在可压缩多介质流体动力学高精度欧拉计算方法多介质流体分段抛物方法(multi-fluid piecewise parabolic method, MFPPM)基础上,运用算子分裂技术,增加二阶空间中心差方法和两步Rung-Kutta时间推进方法计算动力学黏性以及热流部分对流场的影响,发展适用于NS(Navier-Stokes)方程的可压缩多介质黏性流体计算方法多介质黏性流体分段抛物方法(multi-viscousity-fluid piecewise parabolic method, MVPPM). 文中采用MVPPM对英国AWE(atomic weapons establishment)激波管实验进行二维计算,给出了与实验图像基本一致的计算结果;应用MFPPM和MVPPM分别对二维柱对称内爆动力学界面不稳定性及其后期混合过程进行数值模拟,给出内外界面演化、速度历史以及后期中心气穴不同半径内因RT(Rayleigh-Taylor)界面不稳定性引起的混合量分布情况,从计算结果比较可见黏性对物质界面处混合量的分布影响明显.