基于无网格法的水中气泡上升运动数值模拟

本文对无网格法的一种-移动粒子半隐式法(MPS)进行了较深入的研究,介绍了该方法的基本原理和算法,推导并建立了表面张力和气液两相流等若干粒子作用模型,编程实现了二维情况下水中气泡自由上升运动的数值模拟;对计算结果进行分析并与相关实验结果进行了定性比较,模拟结果显示了移动粒子半隐式法在模拟自由表面和气液两相流问题的优越性,也为研究涉及到大变形的相关问题提供了很好的解决思路.     

基于大涡模拟的移动粒子半隐式算法

移动粒子半隐式方法(MPS)是一种粒子方法,多用于模拟带有自由表面的不可压缩流动。工程实际中的自由表面流动往往是复杂的湍流流动,本文借鉴网格类方法的亚格子应力模型发展了基于Smagorinsky模型的亚粒子应力模型,并将其耦合到MPS方法中,实现了基于大涡模拟的MPS方法并用于研究自由表面湍流问题。为了提高计算的准确性和稳定性,SPS模型中出现的一阶导数项采用最小二乘法拟合得到,SPS项采用显式算法进行计算。使用这一算法模拟了溃坝问题,结果表明,采用亚粒子应力模型的模拟结果与实验的吻合程度明显提高。     

带运动部件的不可压缩流动MPS法数值模拟

本文对移动粒子半隐式法(MPS),一种适用于计算粘性不可压缩流动的全拉格朗日无网格法进行了研究.在原有MPS方法的基础上建立了移动边界作用模型,实现了由于流体中运动部件的平动或转动而引起的流场变化,扩展了MPS方法的应用范围.将计算结果与精确解进行了比较,验证了带运动部件的MPS方法的正确性.同时对十字搅拌器进行了数值模拟,很好地描述了对液体的搅拌过程.为这一类流体机械问题的研究提供了新的数值研究方法.     

基于MPS方法的汽泡冷凝与融合特性研究

移动粒子半隐式（Moving Particle Semi-implicit,MPS）数值方法在追踪汽液相界面上较传统网格方法有很大优势,本研究基于MPS方法对过冷水中单个蒸汽泡的冷凝行为进行了数值模拟研究。计算结果与Kamei的实验结果符合较好并表明,汽泡冷凝寿命与汽泡初始尺寸呈近似线性关系,低过冷度下大汽泡的变形会加...     

一种隐式预处理方法及其在定常和非定常流动数值模拟中的应用

将Choi-Merkle矩阵预处理方法与LU-SGS隐式方法、双时间法以及多重网格方法结合,发展适用于绕飞行器定常和非定常粘性流动的高效隐式预处理计算方法和程序.介绍一种针对定常和非定常流动的LU-SGS隐式预处理方法的统一表述方法.在不改变流动解的前提下,对Navier-Stokes方程的伪时间导数项实施Choi-Merkle矩阵预处理,从而改善可压缩控制方程在低速情况下的系统刚性,使基于LU-SGS时间推进格式的数值模拟方法同时适用于从极低马赫数到可压缩范围内的数值模拟.对Jameson中心格式的人工粘性进行相应的修改,以提高低速流动的计算精度.翼型、机翼以及翼身组合体绕流的数值模拟研究表明,隐式预处理方法获得了很高的计算效率,可使马赫数0.1左右的低速流动计算时间减少50%以上;通过对现有可压缩计算程序进行小量改动,便可使其均匀覆盖整个低速流动范围,提高CFD程序在飞行器绕流数值模拟中的实用性.     

基于任意拉格朗日—欧拉型移动网格的反应流广义黎曼问题方法（英文）

提出一种在自由重映移动网格下的广义黎曼问题方法模拟反应流.该方法基于显式的自由重映移动网格广义黎曼问题的解.为保证在时间和空间上的高精度,应用广义黎曼问题方法构造数值通量.为保证反应区的高分辨率,采用变分法生成自适应移动网格.该方法不仅能够保证网格质量,而且能有效地避免任意拉格朗日—欧拉方法中由于显式重映过程而带来的数值误差.包括CJ爆轰及不稳定爆轰的数值实验说明该格式的精确性和鲁棒性,证明这种移动网格下的二阶广义黎曼问题方法可以较好地捕捉反应流的间断与光滑结构.     

基于任意拉格朗日—欧拉型移动网格的反应流广义黎曼问题方法

提出一种在自由重映移动网格下的广义黎曼问题方法模拟反应流.该方法基于显式的自由重映移动网格广义黎曼问题的解.为保证在时间和空间上的高精度，应用广义黎曼问题方法构造数值通量.为保证反应区的高分辨率，采用变分法生成自适应移动网格.该方法不仅能够保证网格质量，而且能有效地避免任意拉格朗日—欧拉方法中由于显式重映过程而带来的数值误差.包括CJ爆轰及不稳定爆轰的数值实验说明该格式的精确性和鲁棒性，证明这种移动网格下的二阶广义黎曼问题方法可以较好地捕捉反应流的间断与光滑结构.     

搅拌器内部流动的无网格法三维数值模拟

本文将移动粒子半隐式法(MPS)的基本算法由二维扩展至三维。将圆柱坐标系引入到初场粒子的布置中,避免了在笛卡儿坐标系下处理不规则形状(如斜边或曲边)问题时粒子初场布置困难和精确度较低的问题,改善了对计算边界条件表达的精确性。引入移动边界模型,对直叶片搅拌器的内部流动进行了三维数值模拟。还提出了一种新的初始粒子布置简易方法,明显简化粒子初始布置时的复杂程度,提高了对三维复杂几何形状问题的可操作性。     

一种基于特征理论模拟凝聚炸药爆轰的单元中心型Lagrange方法

提出一种数值模拟凝聚炸药爆轰问题的单元中心型Lagrange方法.利用有限体积离散爆轰反应流动方程组,基于双曲型偏微分方程组的特征理论获得离散网格节点的速度与压力,获得的网格节点速度与压力用于更新网格节点位置以及计算网格单元边的数值通量.以这种方式获得的网格节点解是一种"真正多维"的理论解,是一维Godunov格式在二维Riemann问题的推广.有限体积离散得到的爆轰反应流动的半离散系统使用一种显-隐Runge-Kutta格式来离散求解：显式格式处理对流项,隐式格式处理化学反应刚性源项.算例表明,提出的单元中心型Lagrange方法能够较好地模拟凝聚炸药的爆轰反应流动.     

移动网格与Level Set耦合方法在气-液两相流数值模拟中的应用

本文采用自适应移动网格与Level Set函数相耦合的方法来实现气-液两相流的数值模拟与计算.作为自适应网格方法的一种,移动网格方法主要是为了解决发展方程的计算问题而设计的方法.文中给出了移动网格的生成方程,并针对方程的非线性,给出了一种半隐式的离散方法用于进行求解.本文将移动网格方法与Level Set方法相耦合,将控制流体运动的Navier-Stokes方程以及追踪相界面的Level Set方程转换到曲线坐标下,应用一套曲线坐标方程组来同时描述气、液两相流的运动规律,成功实现了对气-液两相流问题的数值模拟.通过对顶盖驱动流的计算以及对液滴沉降现象的模拟计算,验证了本文方法的可靠性.本文对常重力与微重力下两气泡融合的发展规律进行了数值模拟,通过分析对比,得到了重力对两气泡融合变形的影响规律.     

梯度增量level set/虚拟网格法模拟波浪结构物相互作用

针对波浪结构物相互作用的数值模拟问题,本文结合虚拟网格法和梯度增量level set (GALS)法发展了一个基于直角网格的多相流计算方法,其有能力模拟多个动物体与强非线性自由表面的相互作用。该模型采用时间半隐式有限差分法在固定直角网格上求解不可压缩两相流Navier-Stokes方程。采用虚拟网格浸入边界法通过在物体内部布置虚拟网格以考虑浸入边界对流场的影响。GALS方法捕捉强非线性自由表面如波浪翻卷和射流,并通过同时演化level set (LS)方程和其梯度向量方程以提高经典LS方法的精度。基于提出的数值方法,模拟了一系列典型算例,包括交错布置两圆柱相向运动,横向激励下的液舱共振晃荡和圆柱常速入水问题。本文结果与数值和试验结果吻合较好,从不同方面验证了本文计算方法的精度和可靠性。     

无网格方法中的背景积分方案及单颗粒下降过程的数值模拟

在用无网格方法对有边界移动的气固两相流动进行数值模拟时发现,如果采用背景积分网格对求解域进行积分,将会产生压力场的数值振荡,使计算结果失真.详细分析了产生这种数值振荡的原因,提出了解决方案,并计算了一个颗粒在管道内的下降过程.计算结果表明,提出的解决方案能有效地降低压力场的数值振荡,从而使无网格方法能应用于气固两相流动的直接数值模拟.     

高温热辐射输运模拟的蒙特卡罗全局降方差方法

针对隐式蒙特卡罗方法模拟高温热辐射输运问题时存在的“辐射强度计算误差时间空间分布严重不均匀”现象,通过理论分析和数值模拟手段,找到决定误差大小的主要因素为“网格内的辐射径迹长度记录数”.据此提出“隐式蒙特卡罗全局降方差方法”并推导相应的计算公式.该方法主要包含如下3个关键技术:1)针对辐射输运蒙特卡罗模拟的自适应动态分配源粒子方法; 2)与自适应动态分配源粒子相匹配的动态权窗设计技术及粒子权无偏估计算法; 3)辐射强度的解析估计降方差方法.针对这3个关键技术,设计蒙特卡罗数值模拟方案,编写相应的数值模拟程序模块.典型辐射输运问题模拟结果显示:隐式蒙特卡罗全局降方差方法能够使网格辐射强度计算误差在整个时空范围内分布相对比较均匀,最大误差可控,计算效率提升10倍左右.新方法在激光惯性约束聚变的黑腔辐射输运模拟应用中取得了显著效果.     

非牛顿流体二维溃坝问题的数值模拟

移动粒子半隐式法(Moving Particle Semi-implicit,MPS)是一种广泛应用于不可压缩自由表面流动的粒子方法。本文通过把非牛顿流体转化为变黏度牛顿流体的处理方法将MPS方法拓展至非牛顿自由表面流动,以Casson流体和Cross流体为例计算了非牛顿流体的二维溃坝问题。将计算结果与前人数据进行了对比,结果吻合较好。同时对比了非牛顿流体与牛顿流体的计算结果,发现非牛顿流体的溃坝前端发展速度较慢。     

一种求解可压缩Navier-Stokes方程的隐式迭代时间推进方法

针对有壁面边界的可压缩流动问题,提出与基于非等距网格的高精度紧致型差分格式相结合的简化隐式迭代时间推进法,建立求解可压缩Navier-Stokes方程的直接数值模拟方法,提高了计算效率.应用该方法,直接数值模拟两种有壁面边界的二维可压缩流动问题,即可压缩平板边界层流动和可压缩槽道流动.     

虚拟网格法模拟静止或运动并列布置双圆柱绕流现象

基于自主开发的虚拟网格浸入边界法求解器,数值模拟并列布置双圆柱绕流问题,分析了不同圆柱间距和振荡频率下双圆柱的水动力载荷和尾涡特性。数值算法采用时间半隐式有限差分虚拟网格法,在固定笛卡尔交错网格上求解不可压缩黏性Navier-Stokes方程。在虚拟网格法中,为了考虑任意多体边界对流场的影响,通过设置物体内的虚拟网格单元,采用适当的插值模块及技术重构虚拟网格,以施加浸入动边界条件。首先,数值模拟不同间距下并列布置双圆柱静止绕流问题,分析了不同间距对圆柱表面载荷和水动力特性的影响,捕捉到单涡脱落、偏斜流和双涡脱落等典型流动形态。其次,数值模拟自由流中并列布置圆柱振荡问题,验证了本文方法的精度和模拟多体动边界的准确性和可靠性。最后,分析了不同间距和不同振荡频率下双圆柱的水动力载荷变化规律,观察到不同振荡频率下偏斜流、双涡对称脱落和涡列融合等典型流动干扰现象。     

一种适用于气泡运动模拟的半隐式粒子法

粒子法完全基于拉格朗日框架求解流体的流动,可以自动追踪界面的运动,因此在多相流模拟方面具有很大的潜力。本文将移动粒子半隐式算法(MPS)扩展至多相流动,通过在两相过渡区域内定义平均的密度和黏度将MPS方法中的粒子相互作用模型扩展成为多相粒子相互作用模型。采用连续表面张力模型(CSF)将表面张力转化为体积力,采用光滑颜色函数等高线的曲率来表征界面的曲率,而光滑颜色函数的导数则通过最小二乘法拟合得到。最后,采用气泡在静止液体内的上升运动验证了本文的算法。     

淹没水射流流场的DES模拟与实验研究

为了深入分析淹没水射流流动特征,综合采用数值模拟和流场测量进行研究。数值模拟应用基于S-A模型的DES方法,并通过圆柱绕流验证数值方法的有效性;流场测量采用粒子图像测速技术。研究表明:采用的数值模拟方案可以准确预测圆柱的升力系数、阻力系数和尾流中旋涡脱落的斯特劳哈数;模拟和实验获得的射流速度沿轴向和径向的衰减规律吻合;模拟获得的射流半值宽度线的斜率小于实验结果,主要是由于对剪切层厚度的预测不足所致;在垂直于射流束横截面上,涡量呈现双峰分布;射流的涡量随着射流发展呈总体衰减趋势。     

毛细血管内原位血栓形成的MPS模拟

血小板在原位血栓形成过程中起着重要作用.本文将血液离散为具有血浆和血小板特性的粒子,根据原位血栓的生理形成过程提出了壁面吸附的血小板与被吸附的血小板间的吸附作用力模型,使用移动粒子半隐式方法(MPS)模拟了毛细血管受损壁面处血小板聚集形成原位血栓的过程.模拟结果再现了管壁面受损处原位血栓的形成过程,结果显示原位血栓形成...     

水陆两栖飞机静水面高速滑行性能数值计算与试验分析

针对水陆两栖飞机静水面高速滑行过程的运动响应大、流场强非线性等问题，提出了一种基于传统动网格技术的"状态预估——精确计算"的数值模拟方法:通过求解Reynolds平均N-S方程结合运动方程来模拟飞机静水面滑行时的流场特征和运动特性，数值模拟方法为隐式有限体积法，湍流模型采用k-ω（SST Menter）结合壁函数进行处理，自由液面捕捉采用VOF方法；数值计算时，首先采用粗网格对简化后的飞机在不同航速下的姿态和升沉进行快速预估，再将飞机置于预估状态下进行精确网格划分，最后进行精确数值计算分析.为了验证数值模拟结果的正确性，在物理水池中进行了静水拖曳试验，将数值计算结果与试验结果进行对比分析可得:数值计算与水池试验的流场特征吻合，且阻力、姿态和升沉的计算精度达到90%，验证了数值模拟方法的可行性.