高雷诺数下求解NS方程的无网格算法

提出了一种适合高雷诺数NS方程求解的隐式无网格算法。针对高雷诺数粘性流动的特点,在附面层内的粘性影响区域采用法向层次推进布点的方法形成离散点云,在附面层外的计算区域内实行填充式布点的方法形成离散点云。根据附面层内外点云的不同构造特点,推导出运用格林公式和最小二乘曲面拟合方法求取空间导数的统一形式,在此基础上运用AUSM _up格式求得数值通量,并引入BL湍流模型对雷诺平均NS方程的湍流应力项进行封闭。时间推进格式方面,采用了计算效率较高的隐式高斯-赛德尔迭代算法。为了验证本文方法的计算精度和鲁棒性,对NACA0012翼型低速流动、RAE2822翼型跨音速绕流和二维圆柱的分离流动进行了数值模拟。     

认识稀薄气体动力学

以通俗易懂的方式介绍了空气动力学当气体间断分子效应显著时发展起来的特殊分文——稀薄气体动力学、讨论了非平衡现象与稀薄气体动力学的关系．通过与8速度气体模型的间断Boltzmann方程的对比，解释了Boltzmann方程碰撞项的物理意义和数学困难，简要综述了其一般解法、讨论了分子在物体表面的反射和问题的边界条件，着重介绍了直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法和为克服低速稀薄流动(如MEMS中流动)中模拟困难的信息保存(IP)方法。     

MEMS稀薄气体内部流动模拟中的信息保存法

首先综述了处理低速稀薄气体流动的一些方法: 线化Boltzmann方程方法、Lattice Boltzmann方法(LBM)、加滑移边界的Navier-Stokes方程、以及DSMC方法, 并讨论它们在模拟MEMS中过渡领域低速流动特别是内部流动所遇到的困难, 其中表明了LBM现有方案不适合模拟过渡领域中的MEMS流动问题. 信息保存(IP)法通过保存一个模拟分子所代表的大量分子的平均信息,克服了流速低使得信息噪声比小而引起统计模拟的困难. 本文给出了方法的一些理论证实. MEMS中内部流动的特点, 即流速低和大的长宽比的特点, 引起椭圆性问题, 即出入口边界条件相互影响需要协调的问题. 通过对(长约几千微米的)微槽道流动应用IP方法的算例,演示了采用守恒形式的质量守恒方程和超松弛法可成功地解决这一问题. 借助同样的方法,用IP方法求解了真实长度(1\,000\,$\mu$m)硬盘驱动器读写头在过渡领域的薄膜支撑问题, 压力分布与具有严格气体动理论基础的概括化Reynolds方程完全相符, 而在此之前, DSMC方法只对短的读写头(5\,$\mu$m)与Reynolds方程做了校验. 作者建议将原来用于求解读写头润滑问题的Reynolds方程退化来求解过渡领域中的微槽道流动问题, 从而提供了一个有严格气体动理论品性的检验方法来验证求解MEMS内部流动的各种方法.      

非正交网格控制容积法分析复杂形状池内的流动

介绍一种基于非正交网格控制容积法的数学模型，及其在圆形沉沙池流动研究中的应用．该模型求解轴对称流动的连续方程及时均Ｎ－Ｓ方程，并采用标准ｋ－ε紊流模型，模拟圆形池内的流动．由于采用非正交网格，此计算模型可精确模拟几何形状较复杂的沉沙池内的流动，利用上述模型对某实际沉沙池进行了流场计算，计算所得流场与模型试验实测值符合良好．     

非正交网格控制容积法分析复杂形状池内的流动

介绍一种基于非正交网格控制容积法的数学模型，及其在圆形沉沙池流动研究中的应用．该模型求解轴对称流动的连续方程及时均Ｎ－Ｓ方程，并采用标准ｋ－ε紊流模型，模拟圆形池内的流动．由于采用非正交网格，此计算模型可精确模拟几何形状较复杂的沉沙池内的流动，利用上述模型对某实际沉沙池进行了流场计算，计算所得流场与模型试验实测值符合良好．     

表面粗糙度对微细管内气体流动特性的影响

采用了表面粗糙度粘性系数模型对微细管内的气体流动进行数值模拟，以研究微管内壁表面粗糙度对微管内气体流动的影响。运用本文改进的表面粗糙度粘性系数模型，数值模拟与实验数据十分吻合。计算结果表明，进出口压力一定时，表面粗糙度对流场的压力、密度及温度分布的影响不大，但是对速度场的影响十分显著，表面粗糙度使气体流动速度减小，并使壁面附近的速度梯度减小，从而使通过管道的气体质量流量减小，在微管内的气体流动中，表面粗糙度的影响是不能被忽略的。     

基于刚（粘）塑性流动理论的自然单元法研究

将自然单元法与刚（粘）塑性流动理论相结合,对自然单元法在金属塑性成形过程数值模拟中的应用进行了研究。采用基于Voronoi图和Delaunay三角化结构的Non-Sibsonian插值方法构造近似速度场向量,实现无网格方法中速度边界条件的直接精确施加,提出了基于刚（粘）塑性流动理论的无网格自然单元法。运用不完全广义变分...     

一种可压缩与不可压缩气体流动的统一算法及其应用

本文采用伪时间变化率项及其"预处理"矩阵,并结合LU-SGS离散格式,发展了可压缩与不可压缩气体流动求解的统一算法.该方法有效地消除了采用可压缩方法求解低速流动时容易产生的"刚性"问题,减小了由于压力项在低速情况下产生的舍入误差.同时,在求解低速与高速并存的流场流动时,无需进行预处理矩阵的转换,实现了可压缩与不可压缩气体流动的统一理论求解.作为算法有效性的验证,本文分别计算了低速、高速、高低速混合流动的典型算例.计算值的验证结果比较表明,对求解马赫数大范围变化情况下的流场,具有很好的收敛性与稳定性,而且收敛速度基本不受流动速度的影响.这个算法程序为今后发展用于燃烧反应流动和密度梯度驱动流动的分析建立了方法基础.     

翼吊布局民机发动机短舱位置优化研究

利用CFD的方法,对某民机进行短舱安装位置的优化分析。在对全机进行粘性绕流数值模拟的基础上,分析了前伸量和下沉量变化对机翼附近流场的干扰以及对全机气动性能的影响。短舱安装位置的优化选择在以巡航状态高升阻比为主要目标的同时,兼顾低速状态气动特性,分析计算了短舱位置变化对低速翼面流动分离特征的影响。计算分析结果表明：在所选的状态内,短舱前移和下移会降低高速状态的干扰阻力,并增加低速状态内侧翼面分离趋势,得出的规律性结论对工程应用具有一定的指导意义。     

Van Leer格式在全速域范围的推广

通过对格式耗散项的修正将Van Leer格式推广至全速域流场求解范围.对格式耗散项的分析表明,在低马赫数流动情况下格式耗散项中不应包含声速项,以此为依据对Van Leer迎风分裂格式提出了耗散项的修正方法.结合对控制方程时间导数项的预处理,修正后的格式能够成功地模拟低速流动问题,同时在其他马赫数范围内也不损失格式的收敛...     

明渠湍流边界层中颗粒的运动与分布

利用直接数值模拟、点球浸入边界法和颗粒离散元法相结合的方法, 模拟了颗粒在明渠湍流边界层中的运动, 并对颗粒的瞬时位置进行了Voronoi 分析, 定量研究了颗粒在湍流边界层中的运动和分布规律. 研究发现:颗粒的输运对湍流的统计特征有影响, 其运动与近壁区湍流拟序结构密切相关, 在"喷发"结构作用下被带离壁面, 在"扫掠" 结构和自身重力作用下回到壁面; 在湍流边界层中, 颗粒倾向于聚集在低流速带, 呈条带状分布;颗粒在大部分时间处于"簇"状态, 偶尔跳跃到"空" 状态, 但能够很快回到邻近低速区域.      

高速流场气动光学RANS/DSMC混合数值模拟算法研究

提出了适用于高速流场气动光学数值模拟的RANS/DSMC混合算法.通过RANS对全局时均流场进行数值模拟,再对其中局部流场的脉动量采用DSMC进行数值模拟,以Maxwellian速度分布实现RANS宏观量信息向DSMC微观量信息的传递.采用超声速环境下尖劈模型对该混合算法进行校验,对比试验结果论证了算法的正确性.在计算...     

基于光滑粒子流体动力学的滑油泵数值仿真

基于光滑粒子流体动力学方法,构建齿轮泵壳体及内部流体的粒子模型,对内啮合齿轮泵在不同工况下的流量特性进行数值模拟。首先设置了均匀分布的油泵出入口压强,计算得到的流量结果与试验结果吻合,且在中低转速下流量与转速呈线性关系;针对高转速下油泵流量降低的问题,通过适当减小周期模型内部的流体粒子数反映流量降低,获得了与试验值相吻合的连续转速流量的模拟结果;针对影响齿轮泵性能的间隙和空化现象,结合模型特点给出了相应的近似处理方法。通过以上研究,将SPH方法成功地应用于滑油泵问题的分析计算。     

不同形状微管道中的气体流动

不同形状微尺度管道(圆形、六边形、半圆形、不同宽高比的矩形)中的气体流动特性是微机电系统设计最为关心的问题之一.文中利用信息保存(IP)方法和直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法进行研究,给出两种方法的计算结果相互符合,并与其它研究者的BGK模型方程计算结果进行了比较.对于微尺度管道中关心的低Mach数流动, IP方法的统计收敛效率明显优于DSMC方法.通过拟合IP和DSMC结果,给出了圆形、六边形、半圆形、不同宽高比的矩形截面情况下无量纲质量流率与等效Knudsen数的关系.     

A preconditioned dual time-stepping procedure coupled with matrix-free LU-SGS scheme for unsteady low speed viscous flows with moving objects

In this paper an effective method is developed to solve unsteady low speed viscous flow problems with moving objects by using the governing equations of compressible fluids. The method is based on a dual time-stepping scheme, combined with low Mach number preconditioning and an implicit matrix-free Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel iteration on unstructured dynamic meshes. Because preconditioning modifies the governing equations, that induces the change of system's eigenvalues and eigenvectors, characteristic boundary conditions are also modified to suit the preconditioned characteristic system. Several test cases are simulated, including an in-line oscillating cylinder in a fluid at rest, flow over a flapping NACA0014 airfoil and low speed flow past a flapping-wing micro-air vehicle. Compared with experimental results whenever possible, the computed results indicate that this algorithm shows satisfactory improvement of solution efficiency and accuracy for low speed flow problems.     

A COMPUTATIONAL METHOD FOR THE NAVIER-STOKES EQUATIONS AT ALL SPEEDS

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＦｏｒｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｖｉｓｃｏｕｓｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅｆｌｏｗｓｔｈｅＮａｖｉｅｒ＿Ｓｔｏｋｅｓｅｑｕａｔｉｏｎｓａｒｅｇｅｎｅｒａｌｌｙｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｔｈｅｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎｌａｗｆｏｒｍａｓａｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃｓｙｓｔｅｍ .Ｌａｃｋｉｎｇｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｔｏｏｌｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｉｓｎｏｎｌｉｎｅａｒｓｙｓｔｅｍ ,ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓｕｓｅｄｉｎｓｏｌｖｉｎｇｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｈｙｐｅ…     

颈动脉分支的血流动力学数值模拟

采用有限元法数值模拟颈动脉分支的血流动力学。根据在体测量的实际尺寸来构造颈动脉分支的几何模型，以保持模型的解剖精确度；利用在体测量的颈内动脉和颈外动脉流量波形以及主颈动脉的压力波形来确定数值计算的边界条件，以保持数值计算的生理真实性。关注的重点是颈动脉窦内的局部血流形态、二次流和壁面剪应力。在心脏收缩的减速期和舒张期的某些时刻，颈动脉窦中部外侧壁面附近产生了流动分离，形成了一个低速回流区。该流动分离是瞬态的，导致了壁面剪应力的振荡，其振荡范围在-2～6dyn／cm^2之间。同时，颈动脉窦中部横截面内的二次流存在于整个心动周期，最大的二次流速度为同时刻轴向速度平均值的1／3左右。     

测量低密度气流速度和运动激波马赫数的火花放电法

本文在讨论了各种测量气流速度的方法,特别是Miller的放电法基础上,提出了一种测量低密度流场气流速度和运动激波马赫数的改进方法。本方法采用双曝光技术,有助于提高测量精度;在结构上和电路上的改进,克服了低密度流场中漏电问题。该方法适用于气流速度1200m/s以上,密度约0.05kg/cm~3的高速瞬态流场中的气流速度和运动激波马赫数的测量。