基于反馈力浸入边界法模拟复杂动边界流动

浸入边界法是模拟流固耦合的重要数值方法之一。本文采用反馈力浸入边界方法,对旋转圆柱和水轮机活动导叶旋转摆动绕流后的动边界流场进行数值模拟。其中,固体边界采用一系列离散的点近似代替,流体为不可压缩牛顿流体,使用笛卡尔自适应加密网格,利用有限差分法进行求解。固体对流场的作用通过构造适宜的反馈力函数实现。本文首先通过旋转圆柱绕流的计算结果同实验结果进行对比,吻合较好,验证了该计算方法的可靠性。然后针对水电站水力过渡过程中水轮机活动导叶旋转摆动绕流后的动边界流场进行数值模拟,得到导叶动态绕流后的流场分布特性和涡结构的演化特性。     

《力学学报》2004年分类目录

流体力学细长体大迎角非对称涡流的数值研究.....……、.....................……杨云军崔尔杰周伟江环形激波绕射、反射和聚焦的数值模拟研究.......……‘............……滕宏辉姜宗林韩肇元气相爆轰在T形管中传播现象的实验研究.................……王昌建郭长铭徐胜利张     

一种层流翼型附面层流动的数值模拟和实验研究

论文通过数值模拟方法对NACA6412层流翼型的低速绕流特性进行了研究,采用修正的BaldwinLomax湍流模型对来流速度为25m/s、8°迎角时翼型的流场、背风区的速度型分布、不同弦向位置附面层厚度的变化规律以及转捩位置进行了模拟,数值模拟结果与风洞实验结果具有一定的相关性.     

串列双圆柱体绕流特性与互扰效应研究

基于大涡模拟(LES)方法对亚临界雷诺数(Re=3900)下三维串列双圆柱体绕流问题进行了数值计算。首先,通过求解单圆柱算例来验证计算模型及参数的正确性。然后,着重分析了不同间距比对双圆柱体的流体力系数的影响,并阐述了双圆柱体流场特性变化及其互扰效应内在机理。研究表明:雷诺数Re=3900时,串列双圆柱体绕流临界间距比在3.9～4.0之间;随着间距比的增加,双圆柱体临近流场中二次涡团形成的区域与三维涡结构均会发生变化,导致其结构表面所受的流体力系数在时间与空间上变化的规律性逐渐减弱;达到临界间距比时,流体力系数的变化会呈现出较强的规律性。     

均匀、振荡及组合流绕平板流动的尾迹研究

本文利用离散涡模型及改进的新生涡产生机制对三种不同来流绕平板的近尾迹进行数值研究。计算讨论了定常流中平板绕流流动的总体特性和近尾迹流场;对于简谐振荡来流,相应于K_c=2.0、4.0 和10.0 分别得到两种不同的尾迹形态。给出了小 K_c 数平板尾迹涡配对、运动的新模式而相应的阻力、惯性力系数计算比以前涡模拟结果更接近于 U 型管实验结果。对于流向组合来流本文模拟了涡锁定及其动力特性并于实验相符,给出了流向扰动对平板绕流流动的影响。     

方形钝体受限绕流的三维数值模拟

采用一种具有二阶精度的分裂步有限元方法作为大涡模拟的空间离散格式,经过标准算例的验证后,对Re=1.0×104条件下的方形钝体三维受限湍流绕流流场进行了数值模拟.计算中,为消除初始效应,略去初始段的计算结果.数值分析表明在均匀来流条件下,该湍流场沿槽道轴面对称,并呈现出一定的拟周期特性.在流场特性分析的基础上,进行了湍流能耗场的分析,结果表明,方形钝体受限绕流的能耗主要集中在大涡丰富的流动区段内.计算过程反映出,采用该空间离散格式的大涡模拟方法,能够捕捉到非常丰富的涡系及涡动的时变过程,适用于方形钝体受限绕流的数值模拟.     

计算力学学报第24卷（2007年）总目次

第1期复合表面径向滑动轴承的概念和性能预报……………………………………………吴承伟,马国军(1-6)入口扰动频率对矩形射流影响的大涡模拟………………………………蒋平,郭印诚,张会强,等(7-13)中心刚体-楔形梁-质点刚柔耦合系统动力学分析………………………………黄永安,邓子辰(14-19,49)基于建筑风场数值模拟的网格层块加密法…………………………………王辉,陈水福,唐锦春(20-24)微通道壁面突起对片上电泳分离流动特性影响数值计算研究………徐征,黎永前,刘冲,等(25-29)非结构混合网格高超声速绕流与磁场干扰数值模拟………………………     

棱柱绕流流动的数值模拟

利用数值方法对长宽比为1／3, 1和3的棱柱绕流在雷诺数为100的非稳态流动特性进行了分析和研究。采用有限体积法对棱柱绕流的二维流动N-S方程进行离散求解,分析和研究了非稳态的棱柱绕流流场,升力系数,阻力系数和涡动特性,数值模拟的结果与相关文献的数据比较吻合。通过上述研究能够为了解棱柱绕流的非稳态流动特性提供有力的帮助。而对棱柱三维流动的模拟分析和对雷诺数的变化对棱柱流动特性的影响进行研究,将为掌握棱柱绕流的工程特性打下基础。     

表面活性剂溶液中弹性胶束断裂作用下圆柱绕流特征研究

表面活性剂分子溶于水自组装形成的蠕虫状胶束溶液由于其高表面活性和高黏弹性,具有独特的力学响应特性,呈现出与牛顿流体迥异的流动特征。采用考虑溶液中胶束可逆断裂和重构效应的双组分VCM本构方程,研究了溶液流变学特性,发现溶液拉伸应力随应变率呈现出拉伸硬化-稀化-硬化的强非线性特征。研究了蠕虫状胶束溶液绕圆柱流动的特性,在低雷诺数(Re～0.01)下,当维森贝格数Wi>1时,流场出现较强的不稳定性,绕流尾迹区流场呈现随时间波动的特征,通过功率谱分析发现流场波动具有拟周期特征,当胶束断裂引起流体拉伸应力对弹性响应的非线性增强时,流场波动的不规则性增强。圆柱后缘附近出现一对周期性变化的对称涡,表明流体弹性会促进流动分离的发生,流体拉伸应力对弹性变化的强非线性响应是造成低雷诺数绕流流动不稳定性的根本原因,揭示了蠕虫状胶束溶液在低雷诺数高黏弹性时绕流流动不稳定性的产生机理。     

基于输运方程类空化模型的通气空泡流数值模拟

超空泡流动涉及多相、相变、湍流、可压缩性和非定常特性等复杂情况,亟待发展相应的精细数值模拟方法和计算软件.本文基于均质平衡流理论和输运方程类空化模型,提出了复杂气、汽、水多相的通气空泡流数学模型,采用有限体积方法和SIMPLE算法,建立了求解混合介质的雷诺平均N-S方程、湍流方程、各组分质量分数输运方程的数值模拟方法,自主开发了相应的三维计算程序.模拟了绕圆盘的轴对称通气超空泡流,计算结果与经典的近似公式、半经验公式及试验数据吻合良好,验证了数学模型和数值计算方法能够正确预报通气空泡流场的基本空泡形态和流场动力特性.     

高超声速非定常流动的数值模拟与气动热计算

高超声速飞行器研究中的一个重点问题是飞行器表面的气动加热,它对飞行器的气动、热特性及安全性有重要的影响.受到当前实验技术的限制,地面实验无法准确模拟真实飞行条件,所以采用数值模拟研究气动加热问题成为目前重要的研究手段.本文采用数值方法求解三维N-S方程,得到钝头体再入模型绕流的瞬态流场,驻点温度及表面热流沿轨道变化规律.计算中采用变边界条件模拟沿轨道飞行的非定常性.     

爆炸冲击波绕流的三维数值模拟研究

对爆炸冲击波绕流问题采用可压缩流体模型建立了质量、动量和能量的偏微分守恒方程组,基于多物质流体Euler型算法, 采用算子分裂格式, 运用体积份额法处理多介质界面, 用自行开发的三维数值模拟程序MMIC3D模拟计算了三维空中爆炸的爆源附近和爆炸场中冲击波流场的发展规律, 研究了挡墙拐角处绕流的形成和变化情况, 分析比较了挡墙的位置、形状对挡墙后爆炸冲击波的影响, 并与经验公式进行了比较研究. 数值计算基本符合物理规律,说明文中采用的模型和算法是合理的, 为工程设计减压设施提供了数值计算依据．      

不同壁面绕流特性的格子Boltzmann模拟研究

为了探讨不同壁面的绕流特性,针对粘性流场中,不同壁面诱导的涡脱落现象以及升阻力系数等流场特性进行了格子Boltzmann数值研究。利用基于分子动理论的格子Boltzmann方法(LBM)求解Navier-Stokes方程,实现对流体运动的描述,针对不同的壁面条件,分别采用不同的格子Boltzmann流-固壁面处理方法。采用Half-way反弹边界条件来处理平直壁面,而曲壁面则采用LBM与有限差分法相结合的形式进行处理,计入了壁面与标准网格不重合对结果造成的影响。开发相应的计算程序,计算结果与已发表文献结果吻合良好,验证了数值模型的正确性。同时,探讨了进出口边界与钝体中心的距离对结果的影响。对比分析了不同壁面的绕流模型中升阻力系数、斯托罗哈数和涡量云图等,并进一步研究了雷诺数条件的影响。结果表明,不同壁面的绕流特性具有明显差异,且同时受雷诺数的显著影响;一般地,平直壁面对于来流作出的响应更迅速。     

应用流体双折射方法计算二维二尖瓣模型的流场

本文运用流体双折射的实验数据与数值差分计算的杂交法对模拟二尖瓣模型的二维稳态流场进行定量计算,得到流场的流函数、速度等流场参量。     

不同攻角下2:1矩形截面棱柱绕流的大涡模拟研究

本文研究了高雷诺数下(Re=24000),宽高比为2:1的矩形截面棱柱在不同风攻角下的绕流问题.基于大涡模拟理论和Smagorinsky亚格子应力模型,运用开源CFD软件OpenFOAM对Navier-Stokes控制方程进行求解,对均匀来流作用下的矩形截面棱柱绕流问题进行了三维数值模拟.通过对平均分量、脉动分量的比较,验证了数值模拟结果的准确性与可靠性,并给出了阻力系数、升力系数、斯特罗哈数随攻角的变化规律以及平均流场和湍流流场的流场特征.基于本文研究结果,通过开源CFD可视化软件ParaView给出了不同攻角下的流型变化,结合平均压力系数的分布,详细解释了不同流型的特征,这些结果验证了基于风洞实验所提出的假设流型,相关结论可为结构风工程设计提供参考依据.本文所采用的软件均为开源软件,其开源特性具有良好的科研价值.     

圆柱绕流流场结构的大涡模拟研究

为进一步揭示绕流现象的形成机理,本文分别对处于层流稳态区、尾流过渡区、剪切层转换区Re分别为26、200、1.4×105的三种典型流态下的单圆柱绕流进行了二维数值模拟研究。Re为26时应用层流模型直接求解N-S方程,而Re分别为200、1.4×105时使用大涡模拟的方法进行计算。数值模拟很好地再现了稳定的涡旋结构、周期性交替脱落的卡门涡街结构、不规则的涡旋结构,在此基础上分析了尾流结构的基本特征及其压强分布规律、平均的流场特性、积分参数(如升力系数、阻力系数、斯特劳哈尔等),并与有关研究成果进行了对比。研究发现,采用不同流动介质时流场特性有所差异,空气为介质时的计算结果更符合实验的成果,而水为介质时计算结果偏差较大,这主要是由尾流涡旋产生的不合理负压造成的。     

基于车身绕流的低雷诺数湍流模型改进研究

本文将汽车绕流模块化为各典型局部流动,通过常用湍流模型对各典型局部流动进行数值模拟,结果验证了湍流模型对转捩的捕捉能力是准确模拟汽车绕流的关键. 在分析汽车绕流分离及转捩机理的基础上,优化了稳态和瞬态求解方法,改进了湍流模型对转捩的预测能力,进而提高了湍流模型在汽车流场模拟上的精度. 针对汽车绕流的稳态问题,将流线曲率因子及 响应阈值引入 LRN $k$-$\varepsilon $ (low Reynolds number $k$-$\varepsilon $) 模型,获得了一种能够更准确预 测转捩的改进低雷诺数湍流模型 (modified LRN $k$-$\varepsilon $),改善了原模型对湍流耗散率的过强依赖性及全应力发展预测不足等问题;针对汽车绕流瞬态求解,通过分析 RANS/LES 混合湍流模型的构造思想及特点,引入约束大涡模拟方法,结合本文提出的改进的 LRN $k$-$\varepsilon $ 湍流模型,提出了一种能准确捕捉转捩现象 的转捩 LRN CLES 模型. 分别将改进的模型用于某实车外流场和风振噪声仿真中,通过 Ansys Fluent 求解器计算,并将计算结果与常用湍流模型的仿真结果、HD-2 风洞试验结果和实车道路实验结果进行对比,表明改进后的湍流模型能够更准确模拟复杂实车的稳态和瞬态特性,为汽车气动特性的研究提供了可靠理论依据及有效数值解决方法.      

RESEARCH ON IMPROVEMENTS OF LRN TURBULENCE MODEL BASED ON FLOW AROUND AUTOMOBILE BODY 1)

本文将汽车绕流模块化为各典型局部流动,通过常用湍流模型对各典型局部流动进行数值模拟,结果验证了湍流模型对转捩的捕捉能力是准确模拟汽车绕流的关键. 在分析汽车绕流分离及转捩机理的基础上,优化了稳态和瞬态求解方法,改进了湍流模型对转捩的预测能力,进而提高了湍流模型在汽车流场模拟上的精度. 针对汽车绕流的稳态问题,将流线曲率因子及 响应阈值引入 LRN $k$-$\varepsilon $ (low Reynolds number $k$-$\varepsilon $) 模型,获得了一种能够更准确预 测转捩的改进低雷诺数湍流模型 (modified LRN $k$-$\varepsilon $),改善了原模型对湍流耗散率的过强依赖性及全应力发展预测不足等问题;针对汽车绕流瞬态求解,通过分析 RANS/LES 混合湍流模型的构造思想及特点,引入约束大涡模拟方法,结合本文提出的改进的 LRN $k$-$\varepsilon $ 湍流模型,提出了一种能准确捕捉转捩现象 的转捩 LRN CLES 模型. 分别将改进的模型用于某实车外流场和风振噪声仿真中,通过 Ansys Fluent 求解器计算,并将计算结果与常用湍流模型的仿真结果、HD-2 风洞试验结果和实车道路实验结果进行对比,表明改进后的湍流模型能够更准确模拟复杂实车的稳态和瞬态特性,为汽车气动特性的研究提供了可靠理论依据及有效数值解决方法.     

翼吊式双发民机机体/动力装置一体化数值分析

介绍了多块网格技术与流场分区求解方法在翼吊式双发民机机体／动力装置一体化研究中的应用。数值求解Ｅｕｌｅｒ方程模拟复杂组合体绕流。采用边界层方程／Ｅｕｌｅｒ方程耦合迭代技术进行翼面粘性修正。为保持Ｅｕｌｅｒ注解中计算网格固定,粘流／无粘流耦合迭采用表面源模型。该方法对某民用飞机模型跨音速绕流流场进行了数值模拟,机翼表面计算压力分布与实验吻合良好。     

细长体大迎角非对称涡流的数值研究

通过数值方法对大迎角细长体低速湍流流场的模拟,探讨头部顶端极小扰动对细长体非对称绕流形成与发展的影响.结果表明在细长体顶端附近施加极小扰动可以模拟出实验观测到的非对称流场,非对称的涡系结构沿轴向是逐步发展的,截面侧向力沿轴向的分布呈现正弦型曲线的变化特征,扰动能量经过指数增长后达到饱和,有效扰动的规模影响涡流非对称性的大小及分布,单侧扰动产生的流场非对称性随扰动周向位置的变化呈现单周期性规律.小扰动诱发非对称的数值算例表明非对称绕流的形成是源于流场的空间不稳定性机制.