均匀来流中横向振动圆柱近迹涡结构的数值模拟

从涡量流函数形式的N-S方程出发,在不同的振动频率、振幅及Re数下数值研究了均匀来流中横向振动圆柱粘性统流的涡脱泻现象。着重探讨了近迹复杂的涡结构及其非定常演化过程,以及它们对物体受力特性的影响,并首次成功地模拟了近年来实验研究中所发现的一些重要的流动现象,如相位“开关”现象(phase switch phenomena)及复杂涡结构(complex vortex structure),等等。通过数值模拟,不仅能够再现实验研究中所发现的一些重要的流动现象,还可进一步预示某些新的流动现象,使数值计算起到与实验研究相辅相成的作用。     

三维湍流流动的涡量-向量势法数值模拟

本文采用涡量-向量势法,结合常规的 k-ε双方程湍流模型,并运用重新推导的固体壁面涡量边值计算法,对扁平射流煤粉燃烧器内的冷态三维流场进行了数值模拟。计算结果与实验数据相吻合。本文工作证明,用涡量-向量势法求解三维湍流问题是可行的,该法具有不应忽视的优越性,值得进一步开发。     

涡旋波流场的涡量测试与计算及特征参数的影响

从实验和模拟计算两个方面,对涡旋波流场的速度矢量图和涡量进行了定量测试和综合分析,并对涡旋波流动与其特征影响参数之间的关系进行了研究。结果表明:涡旋波流动只在二维层流状态下产生,涡旋波形成后,Re数对旋涡尺寸的影响较小,涡量随Re数的增大而增大,但涡量不随时间的增加而单调增加。随着St数的减小,旋涡尺寸明显增大,涡量却随之减小。本文也对不同槽道内的涡旋波流场进行了数值模拟计算,进而确定了涡旋波流场的形成条件。     

激波-涡干扰声场的数值研究

采用高精度差分格式求解非定常可压缩Navier-Stokes方程,对激波－单涡／双涡相互干扰产生的声场进行了直接数值。详细研究了波－涡干扰声场结构的早期发展阶段,将激波－单涡的计算结果和相应实验进行 对比,并给出近场声压的衰减规律。在此基础上模拟较为复杂的激波－双涡干扰,给出不同旋涡旋转方向下的声场结构。     

涡量修正方法在切向炉内流场数值模拟中的应用

涡量是流体运动的一个基本物理量，旋涡是流体运动中常见的一种基本形态，又是湍流的一种基本结构，它在理论上和工程实践中占有相当重要的位置。本文在吴镇远（Ｊ．Ｃ．Ｗｕ）方法的基础上，提出了一种新的数值计算方法——涡量修正方法。对炉内速度场及涡量场进行了计算，其速度场的计算结果与实验基本符合，在网格划分基本相同的条件下与ＳＩＭＰＬＥ算法所得结果相比，涡量修正算法更接近于实验结果，为流场的数值模拟提供了一条新的途径。     

侧加热腔体内重力波演化过程的数值模拟

利用二维数值模拟的方法研究了侧加热腔体内的自然对流．基于数值模拟结果,描述了水平热入侵流(intrusion)的整个演化过程,并对该过程的物理机制进行了讨论．结果表明：当热入侵流抵达腔体冷壁后,由于冷壁无法卷入所有的热入侵流,热入侵流在冷上角堆积并产生一个反向流动,在冷壁边界层附近形成一个顺时针涡,该涡在浮力效应驱动下可返回热壁,并在腔体的冷热壁之间形成了腔体尺度的流体振荡,即内重力波．     

水槽涡的变化规律数值模拟

建立了不可压缩Navier-Stokes方程的Crank-Nicolson有限差分方法,数值模拟水槽晃动中流场及其涡流的数值变化规律。将数值解与解析解和前人的数值解进行比较,数值验证了不可压缩Naver-Stokes方程有限差分方法的有效性。通过数值模拟得到水槽在不同程度的倾斜激励晃动下流场及涡流的数值变换规律,当倾斜激励晃动的频率接近或远离共振频率时,水槽涡场的变化逐步由双涡变成单涡,再到不规则的涡场。当倾斜激励晃动的频率靠近共振频率ω_p=0.95ω_1附近时,水槽流场上部形成一个小涡,然后小涡扩大成整个水槽中的大涡,大涡下沉分裂成两个单涡,最后在底部消失;当倾斜激励晃动的频率在ω_p=0.75ω_1附近时,水槽底部形成一个小涡,然后扩大成大的单涡,最后在自由面消失;当倾斜激励晃动的频率在ω_p=0.55ω_1附近时,水槽底部出现小涡,然后扩大成大的单涡,大涡在自由面消失,继而出现不规则的大涡和不规则的小涡。     

方腔双壁反向驱动流涡结构演化的数值模拟

采用微分求积法计算分析了不同雷诺数的二维方腔驱动流涡结构特性.数值模拟着重研究了雷诺数从0.01到1000变化对方腔双壁反向驱动流涡结构演化的影响,给出了涡演化过程的流型图和分叉图.结果表明,当雷诺数接近0时,腔内流动呈现对称的涡结构流型;随着雷诺数增加,子涡的大小和中心位置发生变化,鞍点始终位于方腔的中心,腔内流动形成非对称的斜扭流型;当雷诺数增大到某一临界值后,单一大涡占住整个方腔,大涡的形状变得更圆;如果雷诺数继续增加,方腔左上角和右下角同时出现二级涡,大涡中心始终位于方腔中心不变.     

激波冲击火焰的涡量特性研究

激波冲击火焰的现象涉及一系列复杂的物理化学过程,其中涡量的生成与演化对控制火焰发展起重要作用。为系统分析激波冲击火焰过程中的涡量特性,采用二维带化学反应的Navier-Stokes方程对平面入射激波及其反射激波与球形火焰作用的现象进行了数值研究,通过引入并行计算达到高网格分辨率的要求。计算结果表明,斜压项对火焰区内涡量生成起主导作用,压缩项和耗散项在火焰膨胀阶段抑制涡量生成,此外,火焰在激波压缩阶段主要受物理过程而非化学反应过程影响。

     

利用O型环抑制圆柱绕流涡脱落的数值研究

圆柱绕流涡脱落诱发较大的振动和声,如何有效地抑制值得关注。利用大涡模拟技术求解了Navier—Stokes方程,得到了涡脱落频率,升力脉动幅值及平均阻力系数。计算表明二维模拟不能体现流动基本特征．三维计算与实验吻合较好。为了抑制涡脱落,在直径为D的圆柱表面装入间距为1D．直径为0．0167D的O型环。通过升力、速度谱分析以及柱向横截面流场分析可知．在光滑圆柱外表面加入O型环能诱发流体边界层分离,有效地抑制涡脱落现象．升力脉动和观测点速度脉动幅值几乎完全消失,阻力系数也略微降低,适合在实际工程中采用。     

近海水域海洋流体动力学方程的数值模拟

近海水域海洋流体动力学方程数值模拟的研究,最早可追溯到1919年Defant的工作,50年代末开始得到蓬勃发展。60年代和70年代主要发展二维全流模式。现在对于二维全流模式数值模拟的研究应该说是相当完善的,不仅有系统的理论,提出了许多有效的方法,而且广泛地应用于诸如潮汐环流、风暴潮等的工程和预报的实际计算。三维模式是70年代开始发展的,近10年来发展很快。三维模式比较起二维模式来,其数值模拟自然要困难许多。这引起了研究者广泛的兴趣。现在三维模式的数值模拟,虽然提出的方法很多,也已有了不少成果,但研究工作仍是方兴未艾。      

调和函数边界积分方程的充要条件

本文以调和函数的边值问题为例,探讨了边界积分方程的充要条件.文中首次提出了超定问题的概念,并建立了超定问题有解的一个充要条件,它也就是直接变量边界积分方程的一个充要条件.文中首次阐明了边界积分方程与变分原理的内在的联系,还指出了间接变量与直接变量两类边界积分方程之间存在着一一对应的关系.文中的慨念、思路和论点不难用于其它有变分原理的问题的边界积分方程.     

平行涡管三维合并的直接数值模拟

采用拟谱方法求解Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，对两个同向平行涡管的三维合并过程进行直接数值模拟，分析了它的不同于二维合并的“缠绕式”特性，特别地，对在合并过程中产生的垂直于初始涡管方向的非主体涡量的意义和物理机制了探讨。     

关于加权残值法的充要性问题及其权函数的选择

本文论证了偏微分方程初-边值混合问题的加权残值方程的充要性条件和有关定理。关于充要性条件的讨论也为正确选择解析函数作为权函数,建立充要的加权残值方程提供了理论指导。重点讨论了边界积分方程的充要性。指出了两种满足充要条件的权函数和相应的边界积分方程。     

饱和颗粒土-维冰分凝模型及数值模拟

基于相平衡和力甲衡提出了一个关于饱和颗粒土的冰分凝模型，引入了冰分凝时未冻水迁移的驱动势，基于Clapeyron方程和吸附膜的观点简要叙述了相变区内未冻水含量与温度及孔隙水压的关系，数值模拟了饱和颗粒士的一维冻结过程，得到了冰分层分凝的计算结果，与已有实验所观测到的现象较为吻合，计算所得的冻胀量的变化趋势与已有实验所测结果是相符的．