计算粘性流体力学中关于连续方程的处理

本文讨论不可压缩粘性流动的计算问题,若采用原始变量速度与压力的表达方式,主要的困难是连续性方程的非耦合性质.笔者从有限差分法和有限元法两方面评述了处理不可压缩性为约束条件的各种途径.     

全机跨音速大迎角绕流的数值分析

应用有限体积法求解Ｅｕｌｅｒ方程计算了真实飞机外形的跨音速大迎角绕流流场及空气动力特性。本方法能自动捕获大后掠机翼前缘脱体涡，侧缘涡，机身体涡以及它们间的相互干扰。计算的机翼压力分布及全机气动力系数与实验值符合良好。表明了本文所采用的计算网格生成技术及流场计算方法是有效、可行的。     

三维涡环与自由表面的粘性相互作用

本文用ＶＯＦ方法数值模拟了三维涡环与自由表面的粘性相互作用，重点考察了Ｆｒｏｕｄｅ数、初始扰动及密度分层对其影响。结果表明：粘性的作用主要体现在涡量的耗散和新的二次涡环的产生：对自由表面变形而言，Ｆｒｏｕｄｅ数是主要的控制参数；当存在初始周向扰动时，水下涡环环量的的非均匀分布会在自由表面上留下与纵向沟槽相类似的水面痕迹；自由表面的存在可削弱流场中的扰动，涡环的不稳定性有抑制作用；密度分层对涡环与自     

基于响应面法的新型排翼式飞艇的气动优化设计

采用均匀试验设计的方法, 以后掠排翼式飞艇为初始气动外形, 后翼的轴、法向坐标为设计变量, 升力、阻力系数和升阻比为目标函数, 通过CFD结合响应面近似理论, 建立了气动参数的二阶响应面优化模型, 并针对排翼式飞艇的升阻特性进行了优化设计. 研究结果表明: 响应面方法是解决气动优化问题的一种行之有效的方法;优化后排翼式飞艇的气动性能得到明显改善, NACA0020, NACA0030, NACA0040排翼式飞艇的升阻比分别提高了9.61%, 6.08%, 13.08%; 飞翼的轴向和法向位置对各气动参数的影响不尽相同, 升力系数C_rm l和升阻比k对轴向位置更为敏感, 而轴向和法向位置对阻力系数C_d的影响则基本相当.      

计算流体动力学的现状和展望

本文综述了计算流体动力学的进展,侧重物理问题(而不是方法)。首先,讨论了描述质量、动量和能量守恒的流体动力学控制方程。其次,在接下去的两节中叙述了无粘流和边界层流的近期计算工作。最后,结合近期文献中的几个例子阐述了数值求解Navier-Stokes方程的粘性流计算。     

全机绕流Euler方程多重网格分区计算方法

全机三维复杂形状绕流数值求解只能采用分区求解的方法,本文采用可压缩Euler方程有限体积方法以及多重网格分区方法对流场进行分区计算。数值方法采用改进的van Leer迎风型矢通量分裂格式和MUSCL方法,基于有限体积方法和迎风型矢通量分裂方法,建立一套处理子区域内分界面的耦合条件。各个子区域之间采用显式耦合条件,区域内部采用隐式格式和局部时间步长等,以加快收敛速度。计算结果飞机表面压力分布等气动力特性与实验值进行了比较,二者基本吻合。计算结果表明采用分析“V”型多重网格方法,能提高计算效率,加快收敛速度达到接近一个量级。根据全机数值计算结果和可视化结果讨论了流场背风区域旋涡的形成过程。     

耦合离散流体理论的差分格式及其应用

求解Navier-Stokes方程组,一直是粘性流动计算的主导途径。但在计算中,都是在一定的网格单元上进行离散,而对不同的离散单元,流动的特征并不相同。本文通过离散单元上网格雷诺数的变化分析,采用耦合离散流体理论（CDFT）差分格式,对向后台阶底部超声速流动问题进行数值模拟,得到了满意的结果。     

计算流体力学在工程流体力学课程中的应用与实践

随着时代发展,适应大学生特点的教学改革在不断进行,要求教师培养学生的学习能力而不是单纯的传授知识.针对本科生工程流体力学课程的教学模式进行改革,将计算流体力学引入到工程流体力学课堂.5年的教学实践,证明其对学生们的工程流体力学课程和后续专业课的学习有很大帮助.文中以实例的形式介绍了将计算流体力学与本科生流体力学课程结合的方法与实践,深入探讨了教学改革.该实践是提高教学质量的有价值的尝试.     

旋涡、湍流与自由表面的相互作用

旋涡及自由表面湍流与自由表面的非定常、非线性相互作用是当前流体力学中一个十分活跃的前沿领域的研究课题,它具有深刻的理论意义和重要的实用背景．旋涡、湍流与自由表面的相互作用是一个非常复杂的非线性、非定常过程,涉及到涡－涡、波－涡相互作用,旋涡在自由表面处的断裂、重联、合并及自由表面湍流中的准拟序结构的形成、发展等复杂动力学过程．关于这一领域的研究已经取得了一些重要成果．对旋涡与自由表面的相互作用的基本过程有了较为清楚的认识;但对湍流与自由表面的相互作用中的许多基本物理过程还知之甚少．本文综述此领域的实验、理论和数值模拟研究的最新进展和主要结果,讨论若干有待解决的问题,并指出进一步的研究方向      

弹性力学与流体力学基本方程的统一性

本文将流体微元看成固体微元的特殊情况,并结合流体静止时无切应力的性质,首先利用弹性力学的柯西公式得到流体静压强的概念,其次利用弹性力学的平衡微分方程得到流体静力学的欧拉方程。然后通过考虑弹性体与不可压缩流体的共性及差异,利用弹性体动力学的基本方程直接推导出流体动力学中不可压缩黏性流体的N–S方程。本文方法避开了流体力学基本方程的传统推导方法,证明了流体力学与弹性力学的基本方程具有高度的统一性。利用该研究结果可以进一步改善力学课程的教学内容,加深理解力学基本原理,有效提高力学课程教学水平。

     

格子Boltzmann模型的改进与流体力学方程

流体的流动可以看成是分子以上水平的粒子基本运动组合而成,任何一个粒子系统的Hamiltonian都是由动能和势能这两部分所组成.借助于Hamiltonian建立了微观粒子和宏观流体之间的能量守恒准则,发展了一个适合于热流场数值模拟的格子Boltzmann模型.从该模型可以还原出宏观的流体力学方程,所得动量方程的黏性输运项除了具有Navier-Stokes黏性力的特征外还与非定常的、非线性的动量通量和非定常的内能相关.用该模型对Benard热对流进行了数值模拟,很好地再现了Benard cell,并且克服了热格子Boltzmann模型数值稳定性差的不足.     

论连续性方程的推导及几种形式转换的方法

连续性方程是流体力学中的一个重要基本方程,在教学过程中往往侧重于其在工程中的应用而忽视了基本概念和物理意义。本文提出了一种系统性的教学方法,对连续性方程的相关基本概念进行串联整合,将雷诺输运定理应用到不同的流动模型来推导出四种不同形式的连续性方程,并通过演算证明它们可以相互转换,本质上是同一个方程。该教学方法能帮助学生加深对流体动力学基本公式物理意义的理解,构建起研究流体力学的基本思路。

     

《工程流体力学》本科课程引入CFD教学的探讨

工程流体力学作为一门本科专业基础课程,它基础性强,应用性很广,概念多且抽象不易理解,偏微分方程多,要使学生能够很好理解、掌握其中的知识对教学手段有较高的要求. 随着数学的发展,计算机的不断进步,目前各种商业CFD (computational fluid dynamics)通用性软件包性能日趋完善,应用范围不断扩大,已为工业界广泛接受和应用. 针对本科《工程流体力学》课程缺少计算流体力学(CFD)数值模拟部分的内容,本文提出了将CFD 理念引入本科工程流体力学课堂的意义、目的和实施方法,以便能促进学生对《工程流体力学》课程内容的理解掌握和应用能力的加强,培养学生对现代工业的设计和研究工作的适应力和创造力.     

首次MIT国际计算流体力不与计算固体力学学术会议简介

１会议概况首次ＭＩＴ国际计算流体力学与计算固体力学学术会议于２００１年６月１２日～６月１５日在美国麻省理工学院召开．会议由美国麻省理工学院机械系的Ｋ．　Ｊ．　Ｂａｔｈｅ教授担任主席,是以一个学校的名义主办的计算力学领域高水平的国际学术会议．会议的宗旨是：把工业界和学术界集合到一起,并培育计算力学的一代新人．投稿经过比较严格的筛选,共录用收入论文集的论文４４６篇,其中大会报告８篇,固体与结构１５３篇,流体７２篇,多物理场１０２篇,自然对流问题的计算流体力学１６篇,优化与设计４８篇,独立于物理应用的…     

对流扩散方程的绝对稳定高阶中心差分格式

将作者提出的数值摄动算法改进为区分离散单元内上游和下游并分别对通量进行高精度重构的双重数值摄动算法,与原(单重)摄动算法相比,双重摄动算法既提高了格式精度又明显扩大了格式的稳定域范围.利用双重摄动算法,即分别利用上游和下游基点变量的摄动重构将高阶流体力学关系及迎风机制耦合进二阶中心格式之中,由此构建了对流扩散方程的对网格Reynolds数的任意值均稳定(绝对稳定)高精度(四阶和八阶精度)三基点中心TVD差分格式,通过解析分析以及3个算例计算证实了构建格式的优良性能;3个算例包括一维线性、非线性(Burgers方程)和二维变系数对流扩散方程.数值计算表明:构建的格式在粗网格下不振荡,构建格式在粗网格时的最大误差L_∞和均方误差L_2与二阶中心格式在细网格时的相应误差一致,对线性方程,构建格式在细网格下可达到L_2精度阶.     

非结构动网格在三维可动边界问题中的应用

研究用于非结构动网格的弹簧近似方法，采用顶点弹簧描述，导出并讨论了弹簧倔强系数的取值。通过引入边界修正和扭转效应修正，对标准弹簧近似方法进行了改进，转动翼型算例的结果表明，改进后的方法大大提高了网格变形能力和网格质量，应用该动网格方法耦合求解基于（Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE）描述的三维Euler方程，模拟了作俯抑振动的矩形机翼绕流，计算结果与实验数据及文献计算结果十分一致，作为多个自由刚与流体耦合运动问题的简单例证，耦合刚体动力学方程，模拟了激波与双立方体的相互作用，得到了非定常流场结构，研究表明，基于弹簧近似的非结构动网格与有限体积流式流场解算器相结合，是模拟包含运动边界的非定常流动问题的有效方法。     

在工程流体力学教学中引入CFD工程案例的探讨

在长期的工程流体力学教学过程中,发现学生对这门课普遍存在畏难情绪,对复杂的理论知识掌握困难.考虑到工程流体力学的研究方法分为理论分析方法,实验方法和数值方法,而其中数值方法在传统教学中应用的较少,所以试图通过适当增加数值方法的应用来改善教学效果.随着本科生对计算机应用能力的增强以及知识面的逐渐扩展,本文提出增加结合专业背景,理论知识及软件应用的综合案例以满足当前课程及学生发展的需求.     

有限谱ENO格式及其应用

首先对王健平提出的有限谱法^[1-3]做了进一步的理论研究，发现了一些新的有限谱法的插值基函数组，并互将有限谱法应用在ENO格式中，构造了有限谱ENO计算格式，然后通过对一维Euler方程的几个经典的模型问题和二维湍流与弱激波相互作用问题的数值计算，并且与理论解或准精确解进行比较分析，从而表明了此格式对于激波和其他间断具有较高的分辨率，在激波附近基本上没有明显的数值振荡，而且对于流场中的细致结构也具有相当高的精度。     

伯努利方程对流体力学理论建立的历史贡献

著名的理想流体定常流动的能量方程即伯努利方程,自建立以来在流体力学领域中贡献卓著。本文依据伯努利方程的建立内涵,阐述了其在流体静力学、定常孔口出流、皮托管测速、文丘里管流量和翼型绕流等具体流动中的成功应用。同时,进一步说明了由伯努利方程建立提出的局部跟随流体质点的建模思想,被欧拉概括为描述流体运动的流场法,是建立欧拉方程组和N-S方程组的基本依据,也为后来湍流理论、边界层理论、气动噪声等理论的建立奠定了基础。