可压缩气体定常非Darcy渗流的流动分析及其应用

气体通过多孔介质的非Darcy流动具有广泛的工程应用背景，因此对多孔介质中的气体非Darcy流动进行流动分析有着非常重要的意义。然而，在通常的研究中，一般都将气体考虑为不可压缩流体，很少考虑气体的压缩性。对于高压气体以较高的速度通过多孔介质的情况，在进行流动分析时，不仅要考虑非Darcy效应，还必须考虑气体的压缩性。在本文中，对可压缩气体通过多孔介质的定常非Darcy流动进行了一维流动分析，得出了多孔介质中气体的压力分布和速度分布。还进一步给出了在高压差和高流速情况下，测定多孔介质材料渗透率和惯性系数的方法，以及多孔介质材料前后压力差与材料厚度的比Δp/L和材料有气流速度u1的解析关系。     

一种用边界元方法求解二维不可压缩粘性流动的方法

本文用边界元方法求解了二维不可压缩粘性流动的涡量——速度方程,利用求解区域边界上的速度法向导数和速度值直接得到了涡量的边界条件,克服了利用涡量方程求解二维不可压缩粘性流动时涡量边界条件(主要是壁面边界条件)难以给定的困难,算例表明:这种方法比较简单且计算结果基本上是令人满意的。     

注塑成型充填／后充填过程统一的可压缩流动分析

注塑成型是重要的塑料成型工艺,成型过程中熔体在模腔中的流动和传热对最终制品的性能和质量有重要的影响,因此,精确预测注塑过程的流动及传热历史,并进一步预测注塑制品的收缩、翘曲和机械性能等性能和质量指标具有重要意义。为了精确地描述成型过程中材料的流动及传热行为,本文针对注塑成型过程的工艺特点,将充填后充填过程作为一个统一的过程,考虑材料可压缩性及相变对充填和后充填过程的影响,建立了充填后充填过程的统一数学模型。采用有限元/有限差分/控制体积混合数值方法,实现了注塑成型充填后充填一体化模拟。数值模拟结果与实验结果的对比,验证了本文模型和算法。     

无粘可压缩流动的改进高精度方法

为更准确捕捉复杂流场的流动细节,通过对WENO格式的光滑因子进行改进,发展了一种新的五阶WENO格式。对三阶ENO格式进行加权可以得到五阶WENO格式,但是不同的加权处理,WENO格式在极值处保持加权基本无振荡的效果不同,本文构造了二阶精度的局部光滑因子,及不含一阶二阶导数的高阶全局光滑因子,从而实现WENO格式在极值处有五阶精度。基于改进五阶WENO格式,对一维对流方程、一维和二维可压缩无粘问题进行算例验证,并与传统WENO-JS格式和WENO-Z格式进行比较。计算结果表明,改进五阶WENO格式有较高的精度和收敛速度,有较低的数值耗散,能有效捕捉间断、激波和涡等复杂流动。     

数值求解不可压缩流动的投影方法研究进展

在过去的20多年中, 投影方法通过速度和压力的解耦计算, 获得了比全耦合方法更高的计算效率, 这个显著优点使之得以广泛应用. 目前, 在计算非定常不可压缩流动的原始变量形式的数值方法中, 投影方法得到了越来越广泛的应用. 本文根据投影方法的构造思路,将众多的投影方法分成了3类, 即: Helmholtz-Hodge分解类投影方法、算子分裂类投影方法和局部连续投影方法, 并详细的介绍了3类投影方法的发展历程和求解步骤. 从投影方法的求解过程不难发现, 通过速度和压力的解耦计算, 提高了投影方法的计算效率, 但同时也给投影方法的时间精度分析带来了困难, 并长期成为大家争论的焦点. 普遍认为, 速度的时间精度比较容易达到高阶, 但是压力一般来说只有一阶精度. 但通过对3类投影的对比分析后, 我们认为, 局部连续投影方法将有助于澄清目前投影方法存在的相关争议, 并使得发展高阶精度的投影方法在理论上和技术上成为可能.      

一种求解抛物化Navier-Stokes方程的空间推进算法

讨论了抛物化NS方程(parabolized Navier-Stokesequations, PNS)的数学性质,对比分析多种处理流向压力梯度的方法的优缺点. 以此为基础,成功地将LU-SGS隐式时间积分方法推广到PNS方程的流向空间积分上,发展了基于PNS方程的有限体积单次扫描空间推进算法(single-sweep parabolized Navier-Stokesalgorithm, SSPNS). 在该算法中,横向无黏数值通量和黏性通量分别采用混合型迎风格式和中心格式求解. 用SSPNS算法计算了4个典型流场,包括超声速平板流、15$^\circ$楔板压缩高超声速流、带攻角的高超声速锥形流和侧压式高超声速进气道流动. SSPNS计算结果与NASA UPS程序数值结果、文献提供的实验数据及理论分析结果符合得很好.对比研究表明,SSPNS 法与传统时间迭代法相比,二者计算精度相当,而SSPNS计算速度快1~2个量级,存储量至少低1个量级.关键词 抛物化NS方程;空间推进算法;LU-SGS隐式积分方法;超声速/高超声速流动      

二维定常不可压缩粘性流动N-S方程的数值流形方法

将流形方法应用于定常不可压缩粘性流动N-S方程的直接数值求解,建立基于Galerkin加权余量法的N-S方程数值流形格式,有限覆盖系统采用混合覆盖形式,即速度分量取1阶和压力取0阶多项式覆盖函数,非线性流形方程组采用直接线性化交替迭代方法和Nowton-Raphson迭代方法进行求解.将混合覆盖的四节点矩形流形单元用于阶梯流和方腔驱动流动的数值算例,以较少单元获得的数值解与经典数值解十分吻合.数值实验证明,流形方法是求解定常不可压缩粘性流动N-S方程有效的高精度数值方法.     

管系内一维可压缩流动数值建模与特性分析

针对复杂管系内可压缩流体,基于有限体积法,采用HLLC(Harten-Lax-van Leer Contact)格式和黎曼求解器构建了有限控制体数值离散方法,引入虚拟节点用于连接有限控制体,借助虚拟节点给出控制体之间数值通量的计算格式,发展了一种管道内一维流动数值建模方法.针对含有分支管路的管系,在管道连接部位构建了分...     

空间模式下可压缩气固两相混合层流动特性研究

采用Euler-Lagrange颗粒-轨道双向耦合模型对空间模式下含有固粒的二维可压缩混合层流场进行了研究。气相流场采用具有空间三阶精度的WNND格式进行数值模拟,固相方程采用单边三点差分离散。在考虑流场对固粒作用的同时,也计及了固粒对流场的反作用。在对流马赫数为0.5时,研究了颗粒相对密度、颗粒尺寸、Stokes数等因素对粒子运动和流场结构的影响。研究结果表明:在可压缩空间模式混合层中,固粒的Stokes数仍然是主要影响参数之一;相同Stokes数下不同密度的固粒对流场的干扰不同,轻固粒对流场的干扰明显要小。     

Incompressible Limit for the Compressible Flow of Liquid Crystals

The connection between the compressible flow of liquid crystals with low Mach number and the incompressible flow of liquid crystals is studied in a bounded domain. In particular, the convergence of weak solutions of the compressible flow of liquid crystals to the weak solutions of the incompressible flow of liquid crystals is proved when the Mach number approaches zero; that is, the incompressible limit is justified for weak solutions in a bounded domain.     

Subsonic Compressible Flow Past a Body with Developed Cavitation

The essence of the Prandtl rule consists in the fact that in a flow at a Mach number M < 1 the transverse dimensions of a sharp-ended slender body must be reduced by a factor of 1/(1 - M²)^1/2 to conserve the same pressure distribution over the body surface as in a flow with the same velocity at M=0.Following Prandtl [1], the derivation is repeated with reference to axisymmetric flow with developed cavitation.     

Incompressible Limit for Compressible Fluids with Stochastic Forcing

We study the asymptotic behavior of the isentropic Navier–Stokes system driven by a multiplicative stochastic forcing in the compressible regime, where the Mach number approaches zero. Our approach is based on the recently developed concept of a weak martingale solution to the primitive system, uniform bounds derived from a stochastic analogue of the modulated energy inequality, and careful analysis of acoustic waves. A stochastic incompressible Navier–Stokes system is identified as the limit problem.     

Isentropic Gas Flow for the Compressible Euler Equation in a Nozzle

We study the motion of isentropic gas in a nozzle. Nozzles are used to increase the thrust of engines or to accelerate a flow from subsonic to supersonic. Nozzles are essential parts for jet engines, rocket engines and supersonicwind tunnels. In the present paper, we consider unsteady flow, which is governed by the compressible Euler equation, and prove the existence of global solutions for the Cauchy problem. For this problem, the existence theorem has already been obtained for initial data away from the sonic state, (Liu in Commun Math Phys 68:141–172, 1979). Here, we are interested in the transonic flow, which is essential for engineering and physics. Although the transonic flow has recently been studied (Tsuge in J Math Kyoto Univ 46:457–524, 2006; Lu in Nonlinear Anal Real World Appl 12:2802–2810, 2011), these papers assume monotonicity of the cross section area. Here, we consider the transonic flow in a nozzle with a general cross section area. When we prove global existence, the most difficult point is obtaining a bounded estimate for approximate solutions. To overcome this, we employ a new invariant region that depends on the space variable. Moreover, we introduce a modified Godunov scheme. The corresponding approximate solutions consist of piecewise steady-state solutions of an auxiliary equation, which yield a desired bounded estimate. In order to prove their convergence, we use the compensated compactness framework.     

Fluctuation Splitting Schemes for the Compressible and Incompressible Euler and Navier-Stokes Equations

Introduced in the late eighties by Roe, fluctuation splitting (or residual distribution) schemes have recently emerged as a viable alternative to Finite Volume and Finite Element methods for PDE based, fluid dynamics simulations using unstructured meshes. Their application to the numerical approximation of the compressible and incompressible Euler and Navier-Stokes equations is described, emphasizing low Mach number and incompressible applications. The advantages provided by time-preconditioning techniques are discussed and details of the implementation are given.     

不可压缩流动的移动粒子半隐式法数值模拟

介绍了一种新的移动粒子半隐式方法。该方法采用Lagrange描述,用一系列离散粒子代替流体,通过半隐式求解和时间推进法来进行计算,弥补了传统网格法对复杂形状、大变形、高速撞击等情况下网格划分和重构过于繁琐的缺点,在模拟不可压缩流动问题中得到了较好的效果。     

用间接边界元方法求解不可压缩孤立翼型绕流的一种库塔条件处理方法

本文对不可压二维翼型势流绕流的边界元法求解作了分析,在对基本方程与边界条件进行数值离散化时,将库塔条件代入基本方程。按本方法编制的计算机程序对若干算例进行了验算。结果表明,本文提出的方法是可靠的,该法计算简捷、方便,占用计算机内存少,具有实用意义。     

薄体位势问题边界元法中的解析积分算法

薄体结构的数值分析是边界元法的难点问题之一。该文导出了一种完全解析积分算法，用这种算法计算了薄体平面位势问题边界元法中出现的几乎弱奇异、强奇异和超奇异积分。当边界离散为一系列线性单元，边界积分方程离散计算的积分可归纳为三种形式。对薄体问题，源点与积分单元距离通常相距很近，这些积分产生显著几乎奇异性，直接采用常规高斯积分不能有效计算。为此该文导出了这些几乎奇异积分的全解析计算公式。按源点与单元的距离是否为零，公式分两种情况。新算法采用全解析积分公式处理几乎奇异积分，首先精确计算出薄体问题边界未知位势和法向位势梯度，然后再进一步计算了域内点的物理参量。算例表明该文算法可处理狭长比为1．E-08的薄体问题，显示了边界元法分析薄体问题具有独特的优势。