格子Boltzmann亚格子模型的研究

为了将格子Boltzmann法应用于大雷诺数流动的模拟,本文将Smagorinsky亚格子模型和LBGK模型相结合,并对该亚格子LBM模型进行了研究。利用该亚格子LBM模型,对二维顶盖驱动流进行了模拟,得到了若干大雷诺数下流线图和方腔中心线上无量纲速度分布。计算结果与基准解进行比较,两者相互吻合。     

十三点格子Boltzmann模型仿真

格子气和格子Boltzmann方法的迅速发展提供了一类求解流体力学问题的新方法。格子Boltzmann方法在保留了格子气模型优点的同时,克服了它的不足之处。本文讨论了一种三迭加HPP十三点模型,通过选择适当的平衡分布及参数,并用Chapman－Enskog展开和多尺度技术导出了Navier－Stokes方程。在微机上模拟了空腔流的流动问题,并与传统方法的计算结果进行了比较,结果表明该模型能较好的模拟复杂流动现象,并具有较好的工程应用背景。     

带阻尼项定常Navier-Stokes方程的并行两水平有限元算法

基于两重网格离散和区域分解技术,提出数值求解带阻尼项定常Navier-Stokes方程的三种并行两水平有限元算法。其基本思想是首先在粗网格上求解完全的非线性问题,以获得粗网格解,然后在重叠的局部细网格子区域上并行求解Stokes、 Oseen和Newton线性化的残差问题,最后在非重叠的局部细网格子区域上校正近似解。数值算例验证了算法的有效性。     

三维十五点格子Boltzmann模型仿真

格子气和格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方法的迅速发展提供了一类求解流体力学问题的新方法。格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方法在保留了格子气模型优点的同时,克服了它的不足之处。本文讨论了一种三维十五点格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ模型,通过选择适当的平衡分布及参数,并用Ｃｈａｐｍａｎ－Ｅｎｓｋｏｇ展开和多尺度技术导出了Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程．在微机上模拟了工程中比较常见的管排绕流问题,并与实验观察到的结果进行了比较,结果表明该模型能较好的模拟复杂流动现象,并具有较好的工程应用背景。     

不同亚格子模型在亚声速槽道流大涡模拟中的应用对比

湍流边界层流动是一种广泛存在于飞行器内部和外部的流动现象，是基础理论和模型验证的重要研究对象.能够捕捉大部分流动细节且计算量适中的大涡模拟（large-eddy simulation，LES）方法在湍流数值模拟中得到了越来越广泛的应用.文章基于格心有限差分方法，使用4阶紧致中心格式离散N-S方程无黏项，分别应用5种不同的亚格子（subgrid-scale，SGS）模型，即隐式，SM（Smagorinsky model），DSM（dynamic Smagorinsky model），WALE（wall-adapting local eddy-viscosity model）和CSM（coherent structures model），对Re = 3 000，Ma = 0.5的等温壁面槽道流动进行了大涡模拟研究.与实验值和直接数值模拟（direct numerical simulation，DNS）结果对比后发现，流场平均温度、平均密度等热力学量以及平均流向速度对亚格子模型不敏感，不适宜作为判断模型优劣的判据.亚格子模型在壁面附近的耗散越大，壁面摩擦速度以及阻力系数就越小.对于与速度相关的脉动量来说，不同模型得到的结果在壁面和脉动峰值附近误差比较大，中心线附近较小；显式模型结果在流向速度峰值处均高于参考值，而在展向和壁面法向速度脉动峰值处则均偏低.考虑显式的4种模型在壁面附近的涡黏系数分布，DSM和CSM曲线满足涡黏系数与无量纲壁面距离3次方成正比的分布规律，SM曲线斜率偏小而WALE曲线斜率偏大.      

非定常Navier-Stokes方程基于两重网格离散的有限元并行算法

基于两重网格离散和区域分解技巧,提出三种求解非定常Navier-Stokes方程的有限元并行算法.算法的基本思想是在每一时间迭代步,在粗网格上采用Oseen迭代法求解非线性问题,在细网格上分别并行求解Oseen、Newton、Stokes线性问题以校正粗网格解.对于空间变量采用有限元离散,时间变量采用向后Euler格式离散.数值实验验证了算法的有效性.     

基于格子Boltzmann方法的超声速非平衡流模拟

基于D1Q4可压缩格子Boltzmann模型,按照流通矢量分裂方法的思路,采用坐标旋转技术构造求解三维带化学反应Navier-Stokes方程对流通量求解器.结合有限体积法求解三维化学非平衡流Navier-Stokes方程,采用时间算子分裂算法解决化学反应刚性问题,数值模拟超声速化学非平衡流的三个经典算例.数值结果表明:在高马赫数下,采用D1Q4可压缩格子Boltzmann模型构造的三维对流通量求解器数值模拟中没有出现非物理解,同时在超声速化学非平衡流场中正确分辨激波、燃烧波等物理现象,精度和分辨率均较高,验证了本文构造的三维对流通量求解器的可靠性,拓宽了D1Q4可压缩格子Boltzmann模型的应用范围,为计算超声速化学非平衡流提供一种新方法.     

Navier-Stokes方程的有限元边界元耦合方法

主要研究了三维外部区域上具有Dirichlet边界条件的非定常Navier-Stokes方程的有限元边界元耦合方法,并分析了这一数值解的收敛速度.     

LB方法的一个简单多速模型

研究一个简单的二维三速格子Boltzmann模型。将微观的离散模型与宏观的连续统模型相结合,以宏观的流体力学方程作为约束条件确定局部平衡分布函数。运用Chapmann-Enskog展开法和多尺度技术导出Euler方程和Navier-Stokes方程以及模型的粘性系数表达式。     

基于修正格子Boltzmann方法的大雷诺数Herschel-Bulkley流动分析

传统LBM方法在用来分析大雷诺数非牛顿流体时,体现出较低的稳定性和精度,当逐步增大雷诺数到一定数值时,此种现象更为突出。文中针对这个问题,提出一种修正LBM可以有效提高大雷诺数的Herschel-Bulkley流体流动分析时的稳定性和精度,将Herschel-Bulkley流体的非牛顿性看作一项特殊的外力项,并将上述提出的方法应用于顶盖驱动流的数值模拟分析中,讨论了在剪切变稀和剪切增稠两种情况下,逐步增大雷诺数时流线图以及主涡中心位置的变化,结果证明提出的方法可以有效应用于大雷诺数Herschel-Bulkley流体流动的分析中。为了验证此方法的可行性,利用泊肃叶流的理论解与上述方法的数值解进行对比,并分析了初始屈服应力,幂律指数以及格子大小对LBM数值模拟结果的影响。     

Two-Level Stabilized Finite Volume Methods for the Stationary Navier-Stokes Equations

In this work, two-level stabilized finite volume formulations for the 2D steady Navier-Stokes equations are considered. These methods are based on the local Gauss integration technique and the lowest equal-order finite element pair. Moreover, the two-level stabilized finite volume methods involve solving one small Navier-Stokes problem on a coarse mesh with mesh size $H$, a large general Stokes problem for the Simple and Oseen two-level stabilized finite volume methods on the fine mesh with mesh size $h$=$\mathcal{O}(H^2)$ or a large general Stokes equations for the Newton two-level stabilized finite volume method on a fine mesh with mesh size $h$=$\mathcal{O}(|\log h|^{1/2}H^3)$. These methods we studied provide an approximate solution $(\widetilde{u}_h^v,\widetilde{p}_h^v)$ with the convergence rate of same order as the standard stabilized finite volume method, which involve solving one large nonlinear problem on a fine mesh with mesh size $h$. Hence, our methods can save a large amount of computational time.     

不可压N-S方程的基于粘接元的区域分裂解法

首先,简单介绍了基于粘接元的无重叠区域分裂方法.这种方法利用变分原理,非常适合有限元近似.然后,着重讨论了这种区域分裂方法在求解不可压Navier-Stokes方程中的应用,具体包括等价变分公式的建立、通过算子分裂的时间离散、区域分裂情形下广义Stokes问题的共轭梯度迭代求解方法、空间的有限元离散.最后,以数值实验结果验证了这种区域分裂方法应用于不可压Navier-Stokes方程求解时的可靠性.     

Numerical Study of Mixed Convective Peristaltic Flow through Vertical Tube with Heat Generation for Moderate Reynolds and Wave Numbers

The current study focuses on the numerical investigation of the mixed convective peristaltic mechanism through a vertical tube for non-zero Reynolds and wave number. In the set of constitutional equations, energy equation contains the term representing heat generation parameter. The problem is formulated by dropping the assumption of lubrication theory that turns the model mathematically into a system of the nonlinear partial differential equations. The results of the long wavelength in a creeping flow are deduced from the present analysis. Thus, the current study explores the neglected features of peristaltic heat flow in the mixed convective model by considering moderate values of Reynolds and wave numbers. The finite element based on Galerkin's weighted residual scheme is applied to solve the governing equations. The computed solution is presented in the form of contours of streamlines and isothermal lines, velocity and temperature profiles for variation of different involved parameters. The investigation shows that the strength of circulation for stream function increases by increasing the wave number and Reynolds number. Symmetric isotherms are reported for small values of time-mean flow. Linear behavior of pressure is noticed by vanishing inertial forces while the increase in pressure is observed by amplifying the Reynolds number.     

A New Finite Volume Element Formulation for the Non-Stationary Navier-Stokes Equations

A semi-discrete scheme about time for the non-stationary Navier-Stokes equations is presented firstly, then a new fully discrete finite volume element (FVE) formulation based on macroelement is directly established from the semi-discrete scheme about time. And the error estimates for the fully discrete FVE solutions are derived by means of the technique of the standard finite element method. It is shown by numerical experiments that the numerical results are consistent with theoretical conclusions. Moreover, it is shown that the FVE method is feasible and efficient for finding the numerical solutions of the non-stationary Navier-Stokes equations and it is one of the most effective numerical methods among the FVE formulation, the finite element formulation, and the finite difference scheme.     

高磁雷诺数下剪切流对双撕裂模中二级磁岛的影响

在高磁雷诺数下,当双撕裂模发展进入快速磁场重联阶段时,会发生二级磁岛不稳定性,加剧磁场能量的释放。本文基于扰动形式的守恒磁流体方程组发展高精度的数值模拟程序,在平板位形下研究反对称位形剪切流对双撕裂模中二级磁岛的影响。结果表明：随着剪切流强度和剪切梯度的增加,二级磁岛的数目以及电流片横纵比变小。此外,较强的极向剪切流能够抑制二级磁岛不稳定性的发生。     

非定常Navier-Stokes方程基于完全重叠型区域分解的有限元并行算法

基于完全重叠型区域分解技巧,提出三种求解非定常Navier-Stokes方程的有限元并行算法.其基本思想是首先对空间施行完全重叠区域分解,然后各个处理器使用向后Euler格式独立并行求解关于时间t的常微分方程;对于非线性的对流项,分别采用半隐格式和全隐格式进行处理.算法中每个处理器所负责的子问题是一个全局问题,它定义在整个求解区域上,但绝大部分自由度来自其所负责的子区域,从而使得算法实现简单,通信需求少.数值算例验证了算法的有效性及其良好的并行性能.     

一种求解可压缩Navier-Stokes方程的隐式迭代时间推进方法

针对有壁面边界的可压缩流动问题,提出与基于非等距网格的高精度紧致型差分格式相结合的简化隐式迭代时间推进法,建立求解可压缩Navier-Stokes方程的直接数值模拟方法,提高了计算效率.应用该方法,直接数值模拟两种有壁面边界的二维可压缩流动问题,即可压缩平板边界层流动和可压缩槽道流动.     

非结构混合网格上的NS方程求解方法

提出了一套较为通用的,完全自动化的非结构混合网格生成方法.在物面粘性作用区,采用一种改进的推进层方法生成三棱柱形和金字塔形网格;在其他流动区域采用阵面推进方法生成四面体网格.采用一种改进精度的格心有限体积法对三维NS方程进行了求解,在加速收敛措施方面,提出了一种新的当地时间步长取定方法来减小质量较差的网格单元对流场计算稳定性和收敛速度的不利影响.以M6机翼和DLR/F4翼身组合体外形的粘性流场作为数值算例,验证了上述网格生成和流场求解方法的正确性和实用性.     

The Optimal Error Estimate of the Fully Discrete Locally Stabilized Finite Volume Method for the Non-Stationary Navier-Stokes Problem

This paper proves the optimal estimations of a low-order spatial-temporal fully discrete method for the non-stationary Navier-Stokes Problem. In this paper, the semi-implicit scheme based on Euler method is adopted for time discretization, while the special finite volume scheme is adopted for space discretization. Specifically, the spatial discretization adopts the traditional triangle P1−P0 trial function pair, combined with macro element form to ensure local stability. The theoretical analysis results show that under certain conditions, the full discretization proposed here has the characteristics of local stability, and we can indeed obtain the optimal theoretic and numerical order error estimation of velocity and pressure. This helps to enrich the corresponding theoretical results.