虚拟网格法模拟静止或运动并列布置双圆柱绕流现象

基于自主开发的虚拟网格浸入边界法求解器,数值模拟并列布置双圆柱绕流问题,分析了不同圆柱间距和振荡频率下双圆柱的水动力载荷和尾涡特性。数值算法采用时间半隐式有限差分虚拟网格法,在固定笛卡尔交错网格上求解不可压缩黏性Navier-Stokes方程。在虚拟网格法中,为了考虑任意多体边界对流场的影响,通过设置物体内的虚拟网格单元,采用适当的插值模块及技术重构虚拟网格,以施加浸入动边界条件。首先,数值模拟不同间距下并列布置双圆柱静止绕流问题,分析了不同间距对圆柱表面载荷和水动力特性的影响,捕捉到单涡脱落、偏斜流和双涡脱落等典型流动形态。其次,数值模拟自由流中并列布置圆柱振荡问题,验证了本文方法的精度和模拟多体动边界的准确性和可靠性。最后,分析了不同间距和不同振荡频率下双圆柱的水动力载荷变化规律,观察到不同振荡频率下偏斜流、双涡对称脱落和涡列融合等典型流动干扰现象。     

一种径向基函数虚拟网格法数值模拟复杂边界流动

提出了一种径向基函数虚拟网格法浸入边界法以模拟复杂或多体浸入边界黏性绕流问题.在该方法中,采用有限差分法离散固定笛卡尔交错网格上的不可压缩Navier-Stokes方程,以分步法结合三阶Runge-Kutta格式进行时间积分,高阶TVDMUSCL(total variation diminishing monotonic upstream-centered scheme forconservation laws)格式离散对流项;一个边界连续的虚拟网格法施加物面边界条件以考虑尖锐边界对流场的影响;引入具多项式基的径向基函数描述和重构任意复杂浸入界面,并识别背景网格属性状态.采用Fortran90语言开发相应的求解器,模拟了绕圆柱、机翼和交错布置圆柱群的黏性绕流问题,验证了本文方法的正确性、可靠性和对复杂边界流动问题的适用性.     

纵向受迫振荡圆柱绕流问题的数值模拟

用有限体积法对平行于均匀来流方向受迫振荡的圆柱绕流问题进行了二维数值模拟.雷诺数选取Re=200、855、4000等几种亚临界雷诺数情况.通过研究不同振幅和振动频率下的流场结构和一些重要流动参数如升阻力系数、Strouhal数等随Re数、KC数、Stokes数的变化关系,验证了实验中观察到的一定条件下发生的"频率锁定"现象,并将涡脱落方式划分为三种主要模态.文中引入网格速度,对常用的处理速度与压力耦合的SIMPLE算法作了适当的补充和修改,以适应随时间变化的网格坐标.     

势问题的径向基函数——局部边界积分方程方法

将基于径向基函数构造的具有插值特性的近似函数和局部边界积分方程方法相结合，建立了求解势问题的径向基函数——局部边界积分方程方法，推导了相应离散方程.与其他边界积分方程的无网格方法相比，本文方法具有数值实现过程简单、计算量小、精度高的优点，并可直接施加边界条件.最后通过算例说明了该方法的有效性. 关键词： 径向基函数 无网格方法 局部边界积分方程 势问题     

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.     

脉动流方柱绕流特性研究

本文数值模拟雷诺数Re=100的条件下,脉动流振幅和频率分别为0.2≤A≤0.8和0≤f_P≤20 Hz时方柱绕流特性.通过数值计算得到方柱绕流的升、阻力系数,涡脱频率及尾涡特性,且稳定流下计算结果与文献结果一致。研究结果表明脉动流是一种有效的主动流动控制方法;在脉动流频率f_P为1.2~2.6自然涡脱频率f_(sn)时,旋涡脱落频率存在"锁定"现象;在锁定范围内,尾涡形成区域变短,时均阻力系数显著增大,且在脉动流频率等于两倍频率时,时均阻力系数达到峰值;随着振幅的增大,频率"锁定"范围增大。     

一种可压缩湍流RANS模拟的浸入边界方法

提出一种可压缩湍流RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)模拟的浸入边界方法。该方法的解重构中,不再定义用于插值的参考点。利用其周围计算内点上已知的流动变量值,解域内紧靠壁面的网格节点上的流动变量通过距离倒数加权方法插值确定。为降低高雷诺数湍流模拟的近壁区域网格分辨率要求,采用一种显式壁面函数将无滑移边界条件转化为无穿透边界条件和当地剪切应力条件;该壁面函数无需迭代求解,提高了计算效率。RAE2822翼型亚、跨音速绕流的数值模拟验证了方法的可靠性。     

基于间断有限元方法的并列圆柱层流流动特性

基于高阶的间断有限元方法, 数值模拟低马赫数下并列圆柱的可压缩层流流动, 捕捉并列圆柱流场中的漩涡结构, 以便分析并列圆柱尾流的流动特性. 针对二维圆柱的边界形式, 采用曲边三角形单元构造二维圆柱的曲面边界, 以适应高阶离散格式的精度. 在验证方法合理性的基础上, 分析圆柱间距及雷诺数对漩涡脱落及受力特性的影响规律. 研究结果表明: 并列圆柱的间距是影响流场流动特性的一个主要因素, 它会改变圆柱漩涡脱落的形式. 随着圆柱间距的增加, 上下圆柱的平均阻力系数及平均升力系数的绝对值随之显著下降. 雷诺数对于平均阻力系数的影响相对较小. 但随着雷诺数的增加, 上下圆柱的平均升力系数会随之降低, 而漩涡的脱落频率会随之增大.     

均匀流中近壁面垂直流向振荡圆柱水动力特性研究

对均匀来流下靠近壁面处在垂直流向做强迫振荡运动的光滑圆柱的水动力特性进行了试验研究. 试验在拖曳水池中进行, 雷诺数为2× 10⁵, 通过采集顺流向和垂直流向的力, 得到了阻力系数、升力系数、相位角等与间隙比、振荡频率和振幅之间的关系. 通过研究得到如下结论: 1)振荡圆柱的平均阻力系数在近壁面处随间隙比的减小而骤降; 2)振荡圆柱泄涡受到完全抑制的临界间隙比要小于静止圆柱; 3)近壁面的存在对振荡圆柱的能量传递有着重要的影响, 自由边界圆柱强迫振荡所得到的水动力系数不能用来预报海底管道的涡激振动; 4)对于振荡圆柱, 附加质量系数只有在一定的频率范围内才是定值, 且在低频率区域其绝对值随间隙比减小而增大; 5)圆柱在进行强迫振荡时, 其平均阻力系数、振荡阻力系数和振荡升力系数均随无因次振幅的增加而增大. 关键词： 海底管道 强迫振荡 水动力特性 涡激振动     

绕水翼云状空化流动特性的研究

采用高速全流场显示技术分别观测了绕超空化水翼和Clark-Y型水翼的云状空化.结果表明:绕超空化水翼和Clark-Y型水翼的云状空化具有相同的变化过程,即:生成、成长、膨胀、脱落和消失溃灭五种状态,两种空化云流动都具有明显的脱落周期和脱落轨迹.在翼型尾部存在的反方向射流,致使空化旋涡脱落;尽管模型尺度、来流速度和空化数基本相同,但由于超空化水翼与Clark-Y型水翼断面形状不同,使翼型尾部的反方向射流强度不同,故与来流相互作用强度不同,导致绕两种水翼的空化云脱落周期不同.在本文实验条件下,绕超空化水翼空化云和Clark-Y型水翼空化云的脱落频率分别为13.5 Hz和19 Hz.     

水翼表面粗糙带对空化抑制效果的数值研究

为研究水翼表面粗糙带对空化的抑制效果,在修改的NACA16翼型吸力面施加一粗糙带,对在不同粗糙带条件下翼型的水动力学特性和周围流场进行了数值模拟研究,得到了升阻力系数、吸力面最小压力系数和近壁面湍动能随粗糙带变化的趋势,探讨了水翼表面粗糙带对抑制表面空化的效果。结果表明,随着粗糙带宽度和高度的增大,翼型周围流场的压强显著升高并使吸力面的最低压力高于饱和蒸汽压,从而延缓了初生空化的发生。该结果为认识粗糙带对水翼抗空蚀性能的影响提供了参考。     

翼型绕流的洛伦兹力控制机理

在翼型上翼面壁面附近流场中形成的流向洛伦兹力,可提升翼型的升力减小阻力,然而制约其推广应用的主要瓶颈是极为低下的控制效率,为提高洛伦兹力的控制效率,需研究其控制机理.以翼型绕流的洛伦兹力控制为例,利用双时间步Roe格式及水槽对其进行数值及实验研究.结果表明:洛伦兹力的控制效果随着来流速度的增加而下降,升力增幅和阻力减幅与来流速度大小呈反比关系,但升力增加和阻力减小的规律不变,都是升力先急剧增加随后缓慢增加,而阻力先急剧减小然后再缓慢增加,基本原因为升力和阻力先受洛伦兹力推力的影响而分别增加和减小,随后洛伦兹力作用增加翼面壁面摩擦力,导致升力减小和阻力增加,流向洛伦兹力还导致翼型壁面压力下降,增加翼型升力和压差阻力;壁面摩擦力导致的升力降幅比壁面压力变化导致的升力增幅小,壁面压力变化起主导作用;洛伦兹力推力对阻力的降幅比压差阻力的增幅大,洛伦兹力推力起主导作用,因此阻力减小.     

直线阵光学综合孔径成像中的子孔径尺寸效应

光学综合孔径阵列中的子孔径的位置和直径的大小对成像质量有着重要的影响。详细分析了几种不同优化排列的光学综合孔径直线阵列的无像差点扩展函数、光学传递函数和衍射成像特性．结果表明,子孔径的位置不同．光学传递函数的空间频率覆盖有很大的差异。增大子孔径的直径可以增大空间频率覆盖程度．但子孔径直径过大时义会产生空间频率冗余度和增加制造成本。直线阵光学综合孔径的衍射成像是多重像,子孔径直径的增大还可以减小重影的程度,提高成像质量。结果说明,在进行光学综合孔径阵列优化排列时必须考虑子孔径的直径大小这个重耍的因素。     

Structure of ultra-thin confined alkane films from Monte Carlo simulations

Grand canonical Monte Carlo simulations are reported of thin films of n-alkane confined fluids (1,4, 10 carbons) and i-decane under thermodynamic conditions away from the freezing line. All simulated solvation pressure profiles exhibit damped oscillations with a main period of oscillation equal roughly to the size of a methane, methyl or methylene bead (4-4.5 Å). This reflects an arrangement of the beads in layers parallel with the confining walls, which causes an oscillation of the local density across the film. However, the alkane molecules themselves are not arranged in perfect layers. The oscillations do not vanish for long chain and/or branched molecules: they are only attenuated. Also n-decane films have been simulated under thermodynamic conditions closer to surface force apparatus experiments. In contrast with an earlier molecular dynamics study, an overall continuous variation in the average number of decane molecules with the walls separation was found, consistent with the smooth transition towards slower relaxation and increasing rigidity with decreasing film thickness observed in some experiments. The possible origin of the discrepancy between the different simulation findings is discussed.     

Elastic resonances of a periodic array of fluid-filled cylindrical cavities embedded in an elastic matrix

The resonant scattering by a periodic infinite array of fluid-filled cylindrical cavities in an elastic matrix is studied. The exact reflection and transmission coefficients of the array are calculated by means of a multiple scattering formalism taking into account all the interactions between the cavities. Numerical results are next given for low frequencies for which only the longitudinal and transverse zero modes propagate. A first study based on the analysis of the transmission coefficients clearly shows that the resonances of the array can be classified into two sets: those close to the resonances of a single cavity and those due to a resonant coupling between a cavity and its nearer neighbors. The resonant coupling is due to the interaction between the whispering-gallery surface waves propagating around each cavity. In the case of cavities with very close spacing, it is observed that the dispersion curves of the waves propagating along the array can also be classified into two sets: those with a positive group velocity have cut-off frequencies that correspond to the resonances of a single cavity, those with a negative group velocity have cut-off frequencies that correspond to the resonances resulting from the strong coupling. A new method for the analysis of the resonances is presented. It is based on the properties of the scattering matrix and consists in studying the resonant eigenvalues of the scattering matrix of the array once the background is removed. For the detection of very fine resonances, as well as in the separation of several resonances very close to each other, this method proves to be more efficient than one based on the analysis of the reflection and transmission coefficients.     

三角形网格上多介质流动问题界面处理方法

多介质流动问题的求解一般是在结构网格上实现,而三角形网格对于复杂计算区域具有更好的适应性,本文结合rGFM方法,给出三角形网格上多介质流动问题界面处理方法.利用level-set方法跟踪界面,在界面处构造Riemann问题,得到界面处流体准确的流动状态.通过定义界面边界条件,将多介质流动问题转化为单介质流动问题,利用高精度RKDG方法求解.采用多个算例验证该方法的稳健性和有效性,结果表明该方法能准确捕捉界面和激波的位置,保持界面清晰.     

虚拟流体方法的设计原则

研究模拟可压缩多介质流的虚拟流体方法,建立一般状态方程下定义虚拟流体状态的基本原则.根据波系结构和使用的自由变量分别推导虚拟流体状态的定义方式.结果表明在这些方式下求解多介质Riemann问题理论上完全精确.进一步总结几种简单有效的虚拟流体方法,这些定义方式不依赖于虚拟流体区域可能产生的波系结构.其中一种类似于反射边界条件,只是界面速度需要首先精确预测出来.数值算例验证了研究结果的合理性.     

球体表面圆环阵模态域稳健高增益波束形成方法研究

通过对考虑障板影响下噪声互谱矩阵的精确求解,给出了一种计算刚性球体表面圆环阵阵增益的模型,并在此基础上提出了一种模态域二阶锥规划稳健高增益波束形成方法。该方法根据相位模态波束形成理论,将阵元域稳健加权向量转换为模态域的稳健模态系数,从而设计出不同模态阶数下的稳健高增益波束。由于采用了白噪声增益约束以及低频段较低的模态阶数,该方法提高了超增益波束形成器的稳健性。仿真结果表明该方法能够提供更多的稳健波束形成的方案,在多个关联的波束性能指标之间获得比常规方法和阵元域稳健性方法更合理的折衷。      

绕水翼初生游离型空化流动结构

为了研究初生空化流动形态及其紊流流场结构,采用高速录像技术观察了绕Clark-Y型水翼初生空化的空化形态,应用LDV分别测量了无空化和初生空化条件下的紊流流场分布.结果表明,绕水翼小攻角无分离流动区域的初生空化形态呈游离发夹涡型空泡团结构,但其具有和单泡相同的发展过程;初生空化和无空化紊流流场的速度和紊流强度没有发现有规律性的差异,初生游离型空穴的形成与发展过程,对雷诺平均流场没有显著的影响.