防风网透流风空气动力学特性大涡数值模拟研究

基于有限体积法建立不可压缩粘性流体运动的大涡模拟模型,采用Smagorinsky-Lilly亚格子模型,并引入浸入边界法(IBM)实现无滑移固壁边界条件,对雷诺数30~30000之间防风网透流风进行模拟研究。基于模拟结果,提出蝶型防风网透流风存在4个典型分区结构,流场中存在由蝶型形态引起的大尺度分层剪切流动,加强流体动能耗散。透流风在雷诺数300时发生层流至湍流的转捩,而在雷诺数增长至3000以上时,湍流充分发展,纵向流速脉动强度可达70%。防风网整体空气阻力远大于单个孔口射流阻力的线性叠加,射流间的相互作用以及大尺度的分层剪切结构大大增加流体阻力损失,这为通过优化孔口布置和网板形态来节省材料提供了科学依据。     

适用于浸入边界法的大涡模拟紊流壁面模型

基于近壁定常剪切应力假设,提出了一种新的适用于浸入边界法的大涡模拟紊流壁面模型。通过引入壁面滑移速度,修正了线性速度剖面计算得到的壁面剪切应力,使之满足Werner-Wengle模型。将其应用于平板紊流和高Re数圆管紊流的数值模拟,对比采用和不采用壁面模型的结果得知,采用此模型的速度剖面与实验值吻合良好,验证了此模型的有效性。研究了不同欧拉/拉格朗日网格相对位置对结果的影响,证明了此模型具有较好的鲁棒性,以及可根据局部流动状态和网格精度自动开闭的特点。     

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.     

基于滑移速度壁模型的复杂边界湍流大涡模拟

采用滑移速度壁模型实现了浸入边界方法与壁模型相结合的大涡模拟.本文首先分别采用平衡层模型和非平衡壁模型对周期山状流进行数值模拟,以考查在壁模型中考虑切向压力梯度的作用.数值结果表明,流场的压力对本文所采用的壁模型形式并不敏感,但是考虑切向压力梯度可以显著改进壁面摩擦力的计算结果,并且能够准确的预测强压力梯度区以及分离区内的流动平均统计特性.不考虑压力梯度效应的平衡层模型显著低估了壁面摩擦力的分布,同时无法准确预测分离区内的平均速度剖面.非平衡模型的修正项正比于切向压力梯度和壁面法向距离,因此在强压力梯度区或者网格较粗时,计算得到的平均压力和摩擦力分布以及流动的低阶统计量均与参考的实验和计算结果吻合.在此基础上,通过回转体绕流的大涡模拟考查了该方法用于模拟高雷诺数壁湍流的适用性,非平衡壁模型可以准确地捕捉流动的物理结构并较准确地预测其水动力学特性.结果表明,将浸入边界方法与非平衡滑移速度壁模型相结合的大涡模拟,有望成为数值模拟复杂边界高雷诺数壁湍流的工具.      

孔隙网络模型在渗流力学研究中的应用

孔隙网络模型广泛地用于同多孔介质有关的微观模拟中. 本文简介了利用网络模型研究储层渗流规律的基本思想、主要步骤以及网络模型同其它微观模型相比较的优缺点, 总结了在微观渗流研究中使用的两大类网络模型(准静态网络模型和动态网络模型)的特征及其适用范围, 综述了目前网络模型在研究渗流中的应用现状以及国内外研究比较活跃的几个方面,最后分析了网络模型今后的发展趋向.      

三维链网模型及其应用

基于质点间相互作用,按照质点间连线的取向统计材料的应变能,提出了材料的三维链网模型.论述了数值计算中的优化离散方式,井得到了相应的最优立体角取值.标定了模型的几何、物理参数.通过典型算例比较了三维链网模型与有限元方法及剪滞模型的预测结果,验证了三维链网模型具有与有限元同等水平的求解能力和计算精度.     

高精度PPM格式在湍流燃烧中的应用

利用处理三维可压缩粘性流体流动问题中的沉浸边界法,并结合基于PPM方法的高精度TVD格式,对三维方形管道中部的圆柱火焰绕流及惰性气体绕流问题进行了数值模拟。计算湍流时采用大涡模拟(LES),化学反应速率采用EBU漩涡破碎模型。通过计算结果与实验结果的比较,发现高精度PPM格式能精确模拟两类圆柱绕流问题。计算中还发现,火焰圆柱绕流算例中,在火焰翻越圆柱前,由于燃烧的膨胀作用,使得火焰正面前的未燃气体流动并形成惰性气体绕流,这与无燃烧时的惰性气体绕流类似。但当火焰翻越圆柱过程中及完全翻越圆柱后,两种算例绕流流场出现明显变化。     

大涡模拟及其在湍流燃烧中的应用

大涡模拟作为一种研究湍流流动和湍流燃烧的有效手段,在国际上已经得到广泛应用。本文在回顾了大涡模拟(LES)的基本思想及其实施方法的基础上着重介绍了前人在大涡模拟的亚格子湍流模式和亚格子燃烧模式中的研究成果,同时给出了采用不同亚格子模式的大涡模拟在湍流燃烧中的应用实例,指出了大涡模拟在湍流燃烧中的重要作用,为大涡模拟的进一步发展和应用提供参考。      

PANS模型在空化湍流数值计算中的应用

采用一种基于标准k-ε模型改进的局部时均化模型（Partially-Averaged Navier-Stokes Model,PANS）,并应用于空化流动计算。控制不同的模型参数,分别对绕平头轴对称回转体和Clark-Y型水翼的空化流动进行模拟,并与实验结果进行对比。结果表明：PANS模型中未分解湍动能比率fk的取值对预测空化流动的数值计算精度有重要影响,改变fk的取值可实现对不同滤波尺度范围内的求解;随着fk值的减小PANS的预测精度逐步提高,能在相对较大范围内求解较小尺度的湍流运动过程中,预测到湍流运动中强烈的非定常特性;同时可以比较准确地预测空化流场结构和动力特性。     

一维轴对称杆件爆源模型及其在台阶爆破模拟中的应用

为了解决在实体炮孔建模时需要加密网格、计算量大等问题,提出了一种一维轴对称爆源模型：利用一维线状杆件表述炮孔及炸药,实体单元表述周围岩体,通过杆件节点与实体单元的拓扑关系,将杆件节点上的爆生气体压力施加至周围实体单元上,并根据实体单元的体应变计算出杆件节点处的横截面变化情况,从而实现模拟炸药与周围岩体的相互作用。通过与实体炮孔模型的数值对比分析,发现压力衰减指数为1.25时,一维轴对称爆源模型获得的径向质点峰值振动速度（peak particle velocity, PPV）衰减规律及振动速度时程曲线与实体炮孔模型基本一致,证明了该模型在模拟爆破问题中的精确性。针对混凝土块动态爆破破坏特性的研究,通过与文献对比分析,进一步验证了该模型的正确性。为验证该一维轴对称爆源模型在台阶爆破模拟中的应用,以鞍钢露天铁矿台阶爆破开采为研究对象,建立了5排50炮孔三维台阶爆破概化模型,模拟了爆区内露天边坡的损伤破坏状态。数值计算结果表明,爆区内拉伸破坏为主,并且除了离爆源较近的第一个测点外,其余测点处的振动速度峰值大小及其随距离的变化规律与现场实测数据基本一致,证明了所提爆源模型在三维台阶爆破远场模拟的可行性。

     

A coupling model for terrestrial processes in arid areas and its application

IntroductionItiswell-knownthatland-atmosphereinteractionexertsgreatinfluencesonglobalandregionalenvironment(Woodfool,Yih1994).Inordertodeterminethefluxesandtheparameterizationschemeattheland-atmosphereinterface,itisnecessaryforustoinvestigateterrestrialprocessesontypicalunderlyingsurface.Aridarea(includingextremelyarid,aridandsend-aridareas)ofsabillionklnZ,occupiesalmostonethirdofthelandsurface,mainlyinNorthAfrica,CentralAsia,AustraliaandNorthAInerica.Amongthemdesertcoversnearly6millionkl…     

移动最小二乘浸没边界法中的权函数影响分析

考察了浸没边界法中运用移动最小二乘法构造的插值形函数的影响。通过在移动最小二乘法中采用不同的权函数,分析了相应的插值形函数的性质,并与传统的离散delta函数做了比较。以静止流体中的水平振荡圆柱为例,阐明了形函数对圆柱阻力系数的幅值和光滑性的影响,得到了较优的形函数分布,并将结果与文献对比验证了本文方法的可靠性。     

悬浮RDX炸药和铝颗粒混合粉尘爆轰的数值模拟

采用两相流方法对炸药颗粒直径为20.0 m时与铝颗粒混合物的爆轰波的发展与传播过程及爆轰波参数进行了数值计算。结果表明,在炸药粉尘中加入铝颗粒,可以大大提高爆轰波参数。当铝颗粒直径为3.4 m时,尽管铝颗粒的直径较炸药颗粒直径小,但由于炸药颗粒的点火温度低,二者的点火时间相差不多。如果铝颗粒的直径为7.0 m,由于铝颗粒的点火滞后于炸药颗粒的点火,混合颗粒粉尘中可能形成双波阵面的爆轰波。     

准静态离散元方法和线性粘弹性问题的模拟

离散元方法是近年发展起来的一种新数值方法,但原则上只能用于动态问题。从静力平衡条件出发建立了离散元系统的准静态演化方程并证明了系数矩阵具有对称正定、稀疏、带状分布等特点,适用于“有效列”方法求解,该解法比高斯消去法节省更多的内存和机时。通过引入广义Maxwell体的元间作用模型建立起线性粘弹性材料准静态响应的离散元模拟方法。该方法独立于传统动态离散元方法,是传统动态离散元方法的拓展,可望在更多领域获得应用。     

Scaling law of resolved-scale isotropic turbulence and its application in large-eddy simulation

Eddy-damping quasinormal Markovian （EDQNM） theory is employed to calculate the resolved-scale spectrum and transfer spectrum, based on which we investigate the resolved-scale scaling law. Results show that the scaling law of the resolved-scale turbulence, which is affected by several factors, is far from that of the full-scale turbulence and should be corrected. These results are then applied to an existing subgrid model to improve its performance. A series of simulations are performed to verify the necessity of a fixed scaling law in the subgrid modeling.     

Blended-fuel based EDC combustion model and its application in heptane-ethanol fire simulation

The blended-fuel based eddy-dissipation-concept combustion model was newly developed in the FireFOAM framework, and applied to simulate 30 cm×30 cm heptane-ethanol pool fire. Comparison was made of fire height, centerline temperature against experimental measurements, which shows that they match very well with each other. However, further studies are needed to examine the validation of this model in fire simulations with various scales.     

Direct-forcing immersed boundary lattice Boltzmann simulation of particle/fluid interactions for spherical and non-spherical particles

The lattice Boltzmann method (LBM) is a useful technique for simulating multiphase flows and modeling complex physics. Specifically, we use LBM combined with a direct-forcing (DF) immersed boundary (IB) method to simulate fluid–particle interactions in two-phase particulate flows. Two grids are used in the simulation: a fixed uniform Eulerian grid for the fluid phase and a Lagrangian grid that is attached to and moves with the immersed particles. Forces are calculated at each Lagrangian point. To exchange numerical information between the two grids, discrete delta functions are used. The resulting DF IB-LBM approach is then successfully applied to a variety of reference flows, namely the sedimentation of one and two circular particles in a vertical channel, the sedimentation of one or two spheres in an enclosure, and a neutrally buoyant prolate spheroid in a Couette flow. This last application proves that the developed approach can be used also for non-spherical particles. The three forcing schemes and the different factors affecting the simulation (added mass effect, corrected radius) are also discussed.     

改进的容重增加法原理及离心模型试验数值模拟

容重增加法作为一种边坡稳定分析方法本身具有一定的缺陷,计算结果常常偏差较大,甚至可能无法得出结果。针对容重增加法的缺陷,定量分析了容重增加法的误差来源,并通过公式推导对改进容重增加法的原理进行了分析。针对改进的容重增加法,设计了不同参数的边坡模型,将容重增加法、强度折减法与改进的容重增加法进行对比分析,研究改进方法的改进效果。然后,利用ACADS边坡稳定分析例题,验证了改进方法在非均质边坡中的应用效果。最后,将改进前后的容重增加法运用到土工离心模型试验的结果分析中,并将试验结果与模拟结果进行对比分析,验证了用改进的容重增加法分析离心模型试验结果的可行性。本文的研究为容重增加法改进方法的应用提供了理论依据,并为土工离心模型试验的相关分析提供了参考。