欧拉坐标系下具有锐利相界面的可压缩多介质流动数值方法研究

可压缩多介质流动问题的数值模拟在国防和工业领域内均具有重要的研究价值,诸如武器设计、爆炸安全防护等,通常具有大变形、高度非线性等特点,是一项极具挑战性的研究课题. 本文提出了一种基于 Euler 坐标系的非结构网格、具有锐利相界面的二维和三维守恒型多介质流动数值方法,可用于模拟可压缩流体和弹塑性固体在极端物理条件下的大变形动力学行为. 利用分片线性的水平集函数重构出单纯形网格内分段线性的相界面,并在混合网格内构建出具有多种介质的相界面几何结构,理论上可以处理全局任意种介质、局部 3 种介质的多介质流动问题. 利用传统的有限体积格式来计算单元边界上同种介质间的数值通量,并通过在相界面法向上求解局部一维多介质 Riemann 问题的精确解来计算不同介质间的数值通量,保证了相界面上的通量守恒. 提出了一种非结构网格上的单元聚合算法,消除了由于网格被相界面分割成较小碎片、违反 CFL 条件,进而可能带来数值不稳定的问题. 针对一维多介质 Riemann 问题、激波与气泡相互作用问题、浅埋爆炸问题、空中强爆炸冲击波和典型坑道内冲击波传播问题开展了数值模拟研究,将计算结果与相关的理论、实验结果进行比对,验证了数值方法的正确性和可靠性.      

叶栅可压缩流场的数值分析

将一维ＡＵＳＭ＾＋格式与三阶精度ＭＵＳＣＬ格式融合,给出了其在任意风线坐标下的二维形式,采用有限体积法,将ＡＵＳＭ＾＋格式与Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ格式结合,对叶栅可压缩流场进行了数值模拟,典型算例的计算结果与有关献结果相符很好,表明ＲＫ－ＡＵＳＭ＾＋混合格式对叶栅可压缩流场进行数值模拟是可行的。     

UNIFIED COMPUTATION OF FLOW WITH COMPRESSIBLE AND INCOMPRESSIBLE FLUID BASED ON ROE''''S SCHEME

A unified numerical scheme for the solutions of the compressible and incompressible Navier-Stokes equations is investigated based on a time-derivative preconditioning algorithm. The primitive variables are pressure, velocities and temperature. The time integration scheme is used in conjunction with a finite volume discretization. The preconditioning is coupled with a high order implicit upwind scheme based on the definition of a Roe's type matrix. Computational capabilities are demonstrated through computations of high Mach number, middle Mach number, very low Mach number, and incompressible flow. It has also been demonstrated that the discontinuous surface in flow field can be captured for the implementation Roe's scheme.     

NND格式在非结构网格中的推广

在张涵信提出的无波动、无自由参数的差分格式（ＮＮＤ格式）的基础上，构造了适用于非结构网格的二阶精度ＮＮＤ有限体积格式，解决了现有非结构网格方法中为抑制激波附近的波动而必须引入含自由参数的人工粘性项的困难，并采用网格自适应技术以提高效率．通过对二维平板激波反射和前台阶在管道内的流动问题的计算，表明本方法可有效地用于Ｅｕｌｅｒ方程的求解．     

在动网格上的多介质界面数值处理方法研究

运用动网格上的ALE方法对一维可压缩多介质Riemann问题进行求解,在处理介质界面上的数值通量时提出了3种不同的数值方法：Lagrange方法、GFM和HLLC方法,并且对这3种方法的数值结果进行了比较,认为GFM方法和HLLC方法在介质界面上出现大压力梯度时能够明显消除界面上密度的非物理震荡,提高介质界面上数值解的精度.     

含内插管扩张型抑制装置的膛口流场数值研究

采用ＴＶＤ格式求解Ｎ－Ｓ方程，数值模拟了含内插管扩张型抑制装置的膛口流场，展示了由膛口冲击波包围着的特征多变的射流结构的演变过程，模拟结果与实验照片相符。分析了膛口冲击波与射流结构的相互作用，揭示了锥状冲击波和锥状燃气团的形成机理。     

可压缩燃烧反应转捩混合层直接数值模拟

针对三维时间发展可压缩氢/氧非预混燃烧反应平面自由剪切混合层,采用5阶迎风/6阶对称紧致混合差分格式以及3阶显式Runge-Kutta时间推进方法,直接数值模拟了伴随燃烧产物生成和反应能量释放, 流动受扰动激发失稳并转捩的演化过程. 在转捩初期, 获得了${\it\Lambda}$涡、马蹄涡等典型的大尺度拟序结构,观察到了流动失稳后发生双马蹄涡三维对并的现象, 大尺度结构呈较好的对称性.在流动演化后期, 大尺度结构逐次破碎形成小尺度结构, 混合层进入转捩末期,呈明显的不对称性.      

驱动长方形腔内流动非稳定性的数值模拟

本文对长宽比为２的驱动腔内流动进行了数值模拟．采用非均匀交错网格上的修正隐式Ｔｅｍａｍ格式，以及压力修正投影法，分别计算了Ｒｅ数为１００、４００、１０００、２０００、３０００、３５００、５０００、１００００的驱动长方形腔内流场。当Ｒｅ≤３０００时，流场收敛到定常状态；而Ｒｅ≥３５００时，只能得到渐近周期结果；其中应用了谱分析等方法说明数值是周期性变化，可见，Ｈｏｐｆ分叉点出现在Ｒｅ数３０００与３５００之间．     

用边界元方法数值分析绕平壁上一薄平板的STOKES流动

本文用边界元方法研究了绕平壁上一薄平板的Ｓｔｏｋｅｓ流动，数值模拟了薄平板与平壁成不同倾角ξ＝π／２时，平板左右两侧形成大小相等的两个涡旋，其涡心到角点的距离为平板高的０．５４倍；当ζ＝５π／１２时，平板两侧仍然形成两个涡旋，不过平板右侧５π／１２角内的涡旋明显大于板左侧的涡旋，其涡心距角点的距离右侧是平板高的０．６８倍，左侧是０．２９倍；当ξ＝π／３时，平板左侧的涡旋已经消失，右侧π／３角内角然     

DIRECT NUMERICAL SIMULATION OF TURBINE CASCADE FLOW WITH HEAT TRANSFER EFFECTS

低雷诺数流动对高空动力装置, 特别是涡轮部件的性能产生重要的影响. 本文采用具有7阶精度的差分格式, 通过直接求解二维瞬态可压缩Navier-Stokes方程组, 对雷诺数为241 800 (基于叶片弦长)时的叶片表面带有热传导效应的平面涡轮叶栅流动进行了二维直接数值模拟, 对低雷诺数平面涡轮叶栅流动的非定常流动现象作了初步的探索.数值结果表明:在叶栅通道入口处, 流场的非定常性很弱;在叶栅尾缘处, 具有正负涡量的尾涡交替地从压力面和吸力面上脱落;周期性的涡脱落使得叶栅通道内和尾迹区的总压发生(准)周期的变化, 并且, 尾迹区总压变化主频率是通道内总压变化主频率的2倍;在时均流场中, 叶片表面压力的分布与实验值吻合良好, 表征热传导效应的斯坦顿数除湍流区外与实验值基本吻合;尾迹区速度脉动的2阶统计量与圆柱绕流尾迹区速度脉动2阶统计量具有基本相似的分布特征.     

尖楔前体飞行器FADS系统测压孔故障对算法精度的影响

测压孔故障是嵌入式大气数据传感(flush air data sensing, FADS)系统实际工程应用中不可避免的工程问题之一,针对尖楔前体飞行器用FADS系统测压孔故障对算法精度的影响进行研究。基于人工神经网络建模技术建立了某型尖楔前体飞行器FADS系统的模型及解算方法,并分析了驻点压力对算法精度的影响。通过人为设置故障测压孔的方法对不同测压孔故障对FADS系统解算精度的影响进行了评估;最终结合实现精度需求给出了某型FADS系统在保证精度要求下的对各个测压孔的误差限需求。结果表明,驻点压力及位于迎风面的测压孔对尖楔前体类FADS系统解算精度影响显著;通过采用相邻的位于同一迎风面或背风面的测压孔替换故障测压孔能够显著降低故障对算法精度的影响;同时表明合理的冗余配置算法会显著提高FADS系统的鲁棒性,使得FADS系统适用性显著增强。     

一维泥石流的静动力阻力特征研究及数值模拟

泥石流是山区多发的一种地质灾害,它的发生和发展威胁着人们的生命和财产安全,影响着人们的正常生活,因而需要加强对其发生和发展过程的研究。结合泥石流的动力模型方程采用数值模拟方法再现泥石流发生和发展的过程,是研究和预测模拟泥石流灾害的有效手段。目前的动力模型方程大多只关注动力过程,却忽视了静动力过程的统一,这将导致在一些情况下产生错误的结果。本文研究了一维泥石流的静动力阻力特征,通过修正泥石流动力学方程的阻力项,得到了具有静动力统一特征的模型方程。并以Roe格式的近似Riemann解为基础,采用MUSCL线性重构方法建立了具有较高精度和分辨率的有限体积数值求解。具体算例的数值验证表明,方程阻力项的修正是合理的,所建立的数值求解也是稳定和有效的。     

FRACTURE ASSESSMENT OF AN INTERFACE CRACK BETWEEN TWO DISSIMILAR MAGNETOELECTROELASTIC MATERIALS UNDER HEAT FLOW AND MAGNETOELECTROMECHANICAL LOADINGS

A magnetoelectrically permeable interface crack between two semi-infinite magnetoelectroelastic planes under the action of a heat flow and remote magnetoelectromechanical loadings is considered, where the assumption of frictionless contact between two dissimilar halfplanes is adopted. Not only the solutions of the interface crack problem are presented in an explicit form, but also the general condition for the transition from a perfect thermal contact of two magnetoelectroelastic bodies to their separation is given.     

任意形冒落非均质采空区流场流态数值模拟

为研究冒落非均质采空区流场流态及其随边界条件的变化，基于多孔介质渗流方程建立了采空区漏风流态的有限元数值模型，结合现场实例，从宏观上描绘了复杂几何形状采空区的漏风流态（风压分布等值线和流函数线），给出更准确的流态图形分布解．指出用流函数Laplace方程修正函数，对复杂形状和沿多边界方向非均质的采空区流场计算，仍能满足流网正交，其正交性可通过剖分网格精度来控制，得到采空区漏风强度沿固壁边界附近的冒落非压实区相对较大，工作面上下端附近处的漏风强度很大，并直通采空区深部。     

奇点法在叶轮机械任意回转面亚音速可压缩流动计算中的应用

本文在[3]的基础上,进一步将传统奇点法的应用范围从计算不可压缩流动推广到叶轮机械任意回转面亚音速可压缩流动的计算,并在数值处理方面做了有益的改进.算例和设计实例表明本方法计算可靠并具有实用性,为叶轮机械准三元流动计算中S_1和S_2两类流面间的反复迭代提供了一个有力的计算工具.     

包覆电磁场激活板的圆柱尾迹的数值研究

利用电磁场作用于电介质溶液的Lorentz力可以控制溶液的流动.对置于弱电介质溶液中,包覆电磁场激活板的圆柱周围的绕流进行数值研究,讨论了电磁场激活板的安装位置,激活方式等对圆柱尾迹的影响.     

NUMERICAL STUDIES OF TRANSITIONAL TURBULENT PULSATILE FLOW IN PIPES WITH RING–TYPE CONSTRICTIONS

Pulsatile flows in the vicinity of mechanical ring-type constrictions in pipes were studied for transitional turbulent flow with a Reynolds number (Re) of the order of 10⁴. The Womersley number (Nw) is in the range 30–50, with a corresponding Strouhal number (St) range of 0·0143–0·0398. The pulsatile flows considered are a pure sinusoidal flow, a physiological flow and an experimental pulsatile flow profile for mechanical aortic valve flow simulations. Transitional laminar and turbulent flow characteristics in an alternating manner within the pulsatile flow fields were studied numerically. It was observed that fluid accelerations tend to suppress the development of flow disturbances. All the instantaneous maximum values of turbulent kinetic energy, turbulent viscosity and turbulent shear stress are smaller during the acceleration phase than during the deceleration period. Various parametric equations have been formulated through numerical experimentation to better describe the relationships between the instantaneous flow rate (Q), the pressure loss (ΔP), the maximum velocity (V_max), the maximum vorticity (ζ_max), the maximum wall vorticity (ζ_w,max), the maximum shear stress (τ_max) and the maximum wall shear stress (τ_w,max) for turbulent pulsatile flow in the vicinity of constrictions in the vascular tube. An elliptic relationship has been found to exist between the instantaneous flow rate and the instantaneous pressure gradient. Other linear and quadratic relations between various flow parameters were also obtained.     

同位网格摄动有限体积格式求解浮力驱动方腔流

利用对流扩散方程的摄动有限体积格式,在Rayleigh数从10$^{3}$ 到10$^{8}$的范围内对浮力驱动方腔流动问题作了数值模拟. 对流扩散方程的摄动 有限体积格式具有一阶迎风格式的简洁形式,使用相同的基点,重构近似精度高,特别是两 相邻控制体中心到公共界面的距离相等或不相等,PFV格式公式相同等优点. 在数值模拟中, 无论均匀网格还是非均匀网格均获得与DSC方法、自适应有限元法、多重网格法等Benchmark 解相符较好的数值结果,证明UPFV格式对高Rayleigh数对流传热问题的适用性和有效性.     

Bingham流体在旋转圆盘上流动的数值解

导出了描述Ｂｉｎｇｈａｍ流体在旋转圆盘上流动的基本方程，用差分方法数值解薄膜厚度分布方程，得到二种类型的厚度分布。数值解分别和计算机磁盘的厚度分布，Ｊｅｎｅｋｈｅ等的实验结果定性一致。     

三维大钝头体简谐振动绕流的数值模拟

用数值模拟方法研究了大钝头体外形（双子星座飞船）在超声速下俯仰振动的绕流特性，数值模拟的出发方程为三维全Ｎ－Ｓ方程，格式为二阶迎风ＴＶＤ格式，研究结果给出了物体在俯仰振动过程中激波、分离结构和物面压力分布等非定常特征。