用基于M-SST模型的DES数值模拟喷流流场

脱体涡数值模拟方法(dettached eddy simulation,DES)是把雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)方法及大涡模拟方法(LES)结合起来模拟有脱体涡的湍流流场的数值模拟方法,其主要思想是在物面附近解雷诺平均Navier-Stokes方程、在其他区域采用Smagorinski大涡模拟方法。本文在剪切应力传输(SST)湍流模型的基础上用DES及混合非结构网格数值模拟具有横向喷流的湍流流场,算法采用Osher逆风格式,利用该套程序(包括网格生成及算法),对导弹在不同马赫数下的喷流流场进行了数值模拟,并与同时开展的实验研究的结果进行了对比,结果表明用该方法处理这类问题是较准确的。     

基于卡门尺度和滤波方法的SST方程改进

基于滤波方法和卡门尺度对原始剪切应力输运(shear stress transport, SST)湍流模型进行了改进,提出了一种卡门尺度修正的滤波SST 方法. 湍流多尺度效应必须在分离流场模拟中给予反映,该方法减弱了雷诺平均(Reynolds averaged Navier-Stokes, RANS)方法时间平均特性对于流场脉动量的压迫作用,在流场中引入了大涡模拟(large eddy simulation, LES)方法的亚格子模型,形成一种新型的脱体涡模拟方法(detached eddy simulation,DES)方法;同时,为了降低原始DES方法在网格加密过程中产生网格诱发的雷诺应力损耗,利用卡门尺度对滤波因子进行修正. 平板边界层算例中,卡门尺度对于RANS方法的跟随性远远强于DES方法,在边界层内的速度型和RANS方法吻合很好,而DES方法在加密过程中速度型的鲁棒性较差,说明卡门尺度在有效地保护了边界层内使用RANS求解,降低速度型偏离对数率现象的产生;HGR-01翼型算例证明BY-SST方法可以有效的避免网格诱导分离现象的产生;证明BY-SST方法在分离流动中的精度高于DES方法.     

静气动弹性计算方法研究

对基于结构网格的Euler方程及N-S方程求解器和基于非结构网格的Euler方程求解器,采用结构模态分析方法和柔度矩阵方法,对无人机大展弦比机翼在Ma=0.6,α=2?, 飞行高度20km的巡航状态下的静气动弹性特性进行了数值模拟. 验证了两种求解器对静气动弹性模拟的准确性. 同时,对模态分析方法和柔度矩阵方法进行了对比研究,发现柔度矩阵方法更适用于静气动弹性数值模拟. 另外,对应用物面法向偏转方法替代网格变形技术模拟静气动弹性进行了研究,计算表明物面法向偏转方法可以大大提高静气动弹性计算效率和克服机翼结构变形过大时动网格技术无法处理的不足.      

西南某大型水电站拱肩槽边坡开挖的变形响应研究

对基于结构网格的Euler方程及N-S方程求解器和基于非结构网格的Euler方程求解 器,采用结构模态分析方法和柔度矩阵方法,对无人机大展弦比机翼在Ma=0.6, α=2?, 飞行高度20km的巡航状态下的静气动弹性特性进行了数值模 拟. 验证了两种求解器对静气动弹性模拟的准确性. 同时,对模态分析方法和柔度 矩阵方法进行了对比研究,发现柔度矩阵方法更适用于静气动弹性数值模拟. 另外, 对应用物面法向偏转方法替代网格变形技术模拟静气动弹性进行了研究,计算表明 物面法向偏转方法可以大大提高静气动弹性计算效 率和克服机翼结构变形过大时动网格技术无法处理的不足.     

轴对称再入舱模型气动热特性数值模拟研究

应用基于块结构网格的有限体积求解方法,对热化学非平衡环境下轴对称再入舱模型的气动热特性进行了数值模拟。控制方程为带化学反应的多组元轴对称N-S方程,空间离散采用VanLeer迎风格式,时间推进为隐式LU-SGS格式;采用7组元7化学反应模型及Park双温模型模拟再入流场的热化学非平衡效应。对Hollis MP-1模型的气动热特性进行了数值模拟,分别就网格效应、湍流模型、流场的热力学性质对流场的气动力、热环境的影响进行了深入研究。研究结果表明:SST模型与k-w1998模型能更准确地计算再入流场热流峰值的位置与大小;在再入舱模型的局部区域,采用热力学非平衡模型计算的物面压强与热流结果要明显低于热力学平衡模型的结果。     

两种湍流模型在高速旋转翼身组合弹箭中的对比研究1）

弹箭设计、弹道计算和稳定性研究都需要准确预测旋转弹箭的马格努斯力和力矩,国内针对旋转弹箭气动特性的数值模拟工作集中在旋成体上,对带翼外形进行完全时间相关的非定常研究鲜有见到;国外虽然有对带翼外形开展研究,但以验证方法为主,对湍流模型在复杂外形弹箭旋转中的研究未曾见到.采用完全时间相关的非定常N-S方程,对带翼弹箭开展计算,对比了一方程SA（Spalart-Allmaras）湍流模型和两方程k-!SST（shear-stress-transport）湍流模型对马格努斯效应产生的影响,并分析了旋转导致的边界层和涡非对称畸变,以及周向压力分布和剪切应力分布非对称畸变.结果表明：旋转引起的物面流场参数变化主要体现在弹体中后部,SA和SST湍流模型预测的全弹马格努斯特性与阿诺德工程发展中心（Arnold Engineering Development Center,AEDC）实验及陆军研究实验室（Army Research Laboratory,ARL）的计算结果一致性很好,对动导数而言两湍流模型计算精度相当.两湍流模型计算的弹体左侧流场参数差异比右侧大,分析认为正向旋转使左侧壁面速度方向与来流速度相反,相互阻碍使气流脉动效应更强.壁面附近湍流黏性系数SA结果大于SST结果,y=0截面物面压力SA结果小于SST结果、最大相差6%,摩阻系数SA结果大于SST结果、最大相差35%.SA对旋转产生的分离抑制作用强于SST.     

两种湍流模型在高速旋转翼身组合弹箭中的对比研究

弹箭设计、弹道计算和稳定性研究都需要准确预测旋转弹箭的马格努斯力和力矩,国内针对旋转弹箭气动特性的数值模拟工作集中在旋成体上,对带翼外形进行完全时间相关的非定常研究鲜有见到;国外虽然有对带翼外形开展研究,但以验证方法为主,对湍流模型在复杂外形弹箭旋转中的研究未曾见到.采用完全时间相关的非定常N-S方程,对带翼弹箭开展计算,对比了一方程SA(Spalart-Allmaras)湍流模型和两方程k-ωSST(shear-stress-transport)湍流模型对马格努斯效应产生的影响,并分析了旋转导致的边界层和涡非对称畸变,以及周向压力分布和剪切应力分布非对称畸变.结果表明:旋转引起的物面流场参数变化主要体现在弹体中后部,SA和SST湍流模型预测的全弹马格努斯特性与阿诺德工程发展中心(Arnold Engineering Development Center,AEDC)实验及陆军研究实验室(Army Research Laboratory,ARL)的计算结果一致性很好,对动导数而言两湍流模型计算精度相当.两湍流模型计算的弹体左侧流场参数差异比右侧大,分析认为正向旋转使左侧壁面速度方向与来流速度相反,相互阻碍使气流脉动效应更强.壁面附近湍流黏性系数SA结果大于SST结果,y=0截面物面压力SA结果小于SST结果、最大相差6%,摩阻系数SA结果大于SST结果、最大相差35%.SA对旋转产生的分离抑制作用强于SST.     

用混合网格求解三维可压雷诺平均Navier—Stokes方程

用混合网格求解了三维紊流 N-S方程。在物面附近采用三棱柱网格 ,其它区域则采用四面体网格。方程的求解采用 Jamson的有限体积法 ,紊流模型采用两层 Baldwin-Lomax代数紊流模型。数值算例表明 ,用混合网格求解三维紊流 Navier-Stokes是非常有效的。     

非均匀矩形网格的局部网格细化LBM算法研究

传统的格子玻尔兹曼方法 (LBM),特别是基于均匀正方形网格的经典单松弛计算模型(SLBM),其算法鲁棒性和数值稳定性较差,限制了LBM的发展和应用.而网格细化策略可以有效缓解这一窘境,但是传统LBM中网格细化必然会导致计算效率骤降,计算设备要求攀高.为了解决这一问题,文章基于非均匀矩形网格结构,结合插值LBM算法的思路,在保证物面处和流动变化剧烈区域的局部网格细化以及计算精度的前提下,提出了25点拉格朗日插值LBM算法.以经典顶盖驱动方腔内流为算例,开展了包括不同网格分辨率和插值格式的对比分析研究.验证算例既包括了定常流动的数值模拟,也涉及了非定常周期性流动的求解.计算结果表明,相较于其他插值格式,拉格朗日插值格式表现优异;文章局部网格细化工作可以确保物面处及流动变化剧烈区域流动细节的捕捉;数值模拟算法可以为数值仿真提供可信的计算结果;同时大幅降低了总网格数量.因此很大程度上提升了计算效率;数值模拟方法鲁棒性较好,适用于包括定常和非定常流动的数值模拟.     

非结构动网格在多介质流体数值模拟中的应用

采用非结构动网格方法对含多介质的流场进行数值模拟.采用改进的弹簧方法来处理由于边界运动而产生的网格变形.采用基于格心的有限体积方法求解守恒型的ALE(Arbitrary Lagrangiall-Eulerian)方程,控制面通量的计算采用HLLC(Hartem,Lax,van Leer,Contact)方法,采用几何构造的方法使空间达到二阶精度,时间离散采用四阶Runge-Kutta方法.物质界面的处理采用虚拟流体方法.本文对含动边界的激波管、水下爆炸等流场进行数值模拟,取得较好的结果,不同时刻界面的位置和整个扩张过程被准确模拟.     

流场物理特性在脉动风压系数估算中的应用

利用数值模拟技术计算脉动风压需要进行非定常瞬态模拟,计算量过大. 为了提高计算效率,文章根据准定常理论,用预测点高度的入口风速代替参考点高度风速,修正了Paterson、黄本才等人提出的脉动风压估算公式. 通过由CFD 模拟得到的独立柱支撑平板结构的平均风压系数、参考点风速、湍流动能等参数估算了其脉动风压系数,发现大多数工况下与风洞试验结果相吻合. 研究表明,可以利用定常模拟计算结果中获得的参数估算出脉动风压系数.     

The AGE method for direct numerical simulation of turbulent shear flow

The advected grid explicit (AGE) method for direct numerical simulation of ‘incompressible’ turbulent shear flows is presented. The Navier–Stokes equations are used for momentum in a velocity–pressure formulation. Mass continuity and an equation of state link pressure with density (which is not assumed identically constant). Time advancement is entirely explicit, and spatial representation is localized (e.g. finite difference) and centred. Magnitudes of non-linear terms are reduced on advected grid(s), and numerical instabilities are efficiently reduced by ‘targeted diffusion’. Computation time scales directly on the number of grid points (virtual memory issues aside), and is very short for a DNS method. A spatially developing two-stream mixing layer was simulated as an example, reaching a vorticity thickness Reynolds number >20 000. Comparison with experimental results from self-similar mixing layers is satisfactory in terms of growth rate and Reynolds stress profiles. Turbulent vortical structures are visualized by means of pressure surfaces. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.     

两级分块结构化网格在SK型静态混合器中的应用

给出一种适用于SK型静态混合器流场数值模拟的两级分块结构化网格划分方案和分块圆弧区点的极坐标方程。与常用的非结构四面体网格划分对比,两种方法划分网格数量相近时,两级分块结构化网格达到的迭代精度高于非结构化网格一个等级,而非结构化网格收敛所用时间约为结构化网格收敛所用时间的1.25倍;运用控制体积容积变化值对两种方法划分网格进行质量评估,结构化网格划分方法接近99%网格质量指标在1.0~2.0范围内,而非结构化网格仅接近60%网格质量指标在1.0~2.0范围内。通过实验测量对两种方法划分网格数值模拟结果进行对比验证,结构化网格计算结果与实验值更为接近,表明其可行性和准确性均优于非结构四面体网格划分。     

水下发射航行体尾涡不稳定性分析

在水下连续发射过程中前一发航行体尾流会对后一发航行体运动姿态稳定性产生流动干扰现象. 因此, 研究尾流中涡旋结构演变机理对解决多弹体水下连续发射流动干扰难题具有重要的意义. 本文采用改进型分离涡模型与能量方程, VOF多相流模型与重叠网格技术相结合方法, 对航行体水下发射尾流演变过程开展精细化模拟研究, 其中模拟结果和实验吻合度较好, 验证了本文数值方法的有效性. 以航行体尾流区域为重点研究对象, 分析了尾流区瞬态流场分布, 讨论了横流强度和雷诺数对尾涡结构演变以及脉动压力分布特性的影响. 结果表明: 由于尾流区高速流体核心区与低速自由流相互作用导致Kelvin-Helmholtz不稳定现象出现, 可以清晰地发现涡旋结构在剪切力的作用下发生脱落. 在横流条件下, 航行体尾端脱落的涡环与涡腿形成发卡涡, 而多个发卡涡沿轴向间隔排列组成发卡涡包存在于尾流中. 随着横流强度增大, 形成多级发卡涡包结构, 而导致脉动压力二次峰值均出现的主要原因是尾流涡旋流场演变引起的. 随着雷诺数的增大, 尾流中由圆柱形涡和U型涡组成的二次涡结构逐渐明显, 不稳定性加强.      

A collocated grid,projection method for time‐accurate calculation of low‐Mach number variable density flows in general curvilinear coordinates

A time‐accurate algorithm is proposed for low‐Mach number, variable density flows on curvilinear grids. Spatial discretization is performed on collocated grid that offers computational simplicity in curvilinear coordinates. The flux interpolation technique is used to avoid the pressure odd–even decoupling of the collocated grid arrangement. To increase the stability of the method, a two‐step predictor–corrector time integration scheme is employed. At each step, the projection method is used to calculate the hydrodynamic pressure and to satisfy the continuity equation. The robustness and accuracy of the method is illustrated with a series of numerical experiments including thermally driven cavity, polar cavity, three‐dimensional cavity, and direct numerical simulation of non‐isothermal turbulent channel flow. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

Multiscale simulations and experiments on water jet atomization

Numerical simulation of primary atomization at high Reynolds number is still a challenging problem. In this work a multiscale approach for the numerical simulation of liquid jet primary atomization is applied, using an Eulerian-Lagrangian coupling. In this approach, an Eulerian volume of fluid (VOF) method, where the Reynolds stresses are closed by a Reynolds stress model is applied to model the global spreading of the liquid jet. The formation of the micro-scale droplets, which are usually smaller than the grid spacing in the computational domain, is modelled by an energy-based sub-grid model. Where the disruptive forces (turbulence and surface pressure) of turbulent eddies near the surface of the jet overcome the capillary forces, droplets are released with the local properties of the corresponding eddies. The dynamics of the generated droplets are modelled using Lagrangian particle tracking (LPT). A numerical coupling between the Eulerian and Lagrangian frames is then established via source terms in conservation equations. As a follow-up study to our investigation in Saeedipour et al. (2016a), the present paper aims at modelling drop formation from liquid jets at high Reynolds numbers in the atomization regime and validating the simulation results against in-house experiments. For this purpose, phase-Doppler anemometry (PDA) was used to measure the droplet size and velocity distributions in sprays produced by water jet breakup at different Reynolds numbers in the atomization regime. The spray properties, such as droplet size spectra, local and global Sauter-mean drop sizes and velocity distributions obtained from the simulations are compared with experiment at various locations with very good agreement.     

混合层流动拟序结构的大涡模拟

采用大涡模拟方法对空间发展的二维平面混合层进行了数值模拟 ,动量方程采用分步投影法求解 ,亚格子项采用标准Smagorinsky亚格子模式模拟 ,压力泊松方程采用修正的循环消去法快速求解 ,同时求解了标志物输运方程以实现数值流场显示。模拟结果给出了混合层流动的瞬态发展过程以及流动中拟序结构的发展演变过程 ,成功地模拟了混合层发展中的各种瞬态细节过程 ,如涡的卷起、增长 ,涡与涡之间的配对、合并过程 ,以及大涡破碎为小涡的级联过程 ,为各种以混合层流动为原型流动的射流、尾流等工业流动的控制和优化提供了理论基础。     

水下爆炸柱形高压气泡膨胀过程的RGFM和高精度格式数值模拟

为了对柱形装药水下爆炸高压气泡膨胀过程进行三维数值模拟,用level set方法追踪气水界面,详细描述了精确对柱形气泡进行level set建模;对于流场,使用Euler方程描述,并用高精度格式(五阶WENO和四阶R-K法)离散空间项和时间项;对于level set方程,使用五阶HJ-WENO离散;用RGFM处理气水界面附近网格节点。给出了水下流场不同时刻的压力云图、柱形高压气泡的形状演变以及流场中几个指定点的压力峰值。通过三维建模和计算验证,用RGFM结合高精度格式可以很好地对柱形高压气泡膨胀问题进行三维数值模拟,同时也可以较精确地追踪高密度比、高压力比的三维气水界面。计算结果表明,柱形高压气泡在膨胀过程中,形状逐渐向椭球形变化;位于固壁附近的柱形高压气泡受固壁反射波的影响,在固壁法线方向上的膨胀会受到抑制;双圆柱形高压气泡膨胀产生的冲击波,可以彼此抑制对方的膨胀。     

Numerical Simulation of Single-Stream Jets from a Serrated Nozzle

Hybrid large-eddy type simulations for cold jet flows from a serrated nozzle are performed at an acoustic Mach number Ma _ac ?=?0.9 and Re?=?1.03×10⁶. Since the solver being used tends towards having dissipative qualities, the subgrid scale (SGS) model is omitted, giving a numerical type LES (NLES) or implicit LES (ILES) reminiscent procedure. To overcome near wall streak resolution problems a near wall RANS (Reynolds averaged Navier-Stokes) model is smoothly blended to the LES making a hybrid RANS-ILES. The geometric complexity of the serrated nozzle is fully considered without simplification or emulation. An improved but still modest hexahedral multi-block grid with circa 20 million grid points (with respect to 12.5 million in Xia et al., Int J Heat Fluid Flow 30:1067–1079, 2009) is used. Despite the modest grid size, encouraging and improved results are obtained. Directly resolved mean and second-order fluctuating quantities along the jet centerline and in the jet shear layer compare favorably with measurements. The radiated far-field sound predicted using the Ffowcs Williams and Hawkings (FW-H) surface integral method shows good agreement with the measurements in directivity and sound spectra.     

基于建筑风场数值模拟的网格层块加密法

在建筑风场的数值模拟中,当前普遍采用的离散网格多是计算前一次性布置的固定网格,通常很难适应实际流场变量的变化要求.为提高数值模拟的精度,基于结构化同位网格系统及控制容积离散微分方程的方法,将适应性网格局部加密(AMR)的思想引入到采用压力校正迭代算法的建筑风场模拟中,提出了一种半自适应的层块网格加密方法.该方法可结合误差分析对误差较大的区域网格实行自动判别并实施逐层块状加密.算例分析表明,该方法能在较高的效益下提高数值解的精度.