非定常流动的快速拉格朗日涡方法数值模拟

采用快速拉格朗日涡方法数值模拟有复杂旋涡运动的非定常流动. 利用离散涡元模拟旋涡的产生、聚集和输送过程. 拉格朗日描述法用来计算离散涡元的移动,而移动速度则利用广义毕奥-萨伐尔公式结合快速多极子展开法计算,修正的涡半径扩散模型用来模拟离散涡元的黏性扩散. 突然起动圆柱和大攻角下突然起动翼型的非定常有涡流动的数值模拟,及其与试验结果的对比验证了方法的有效性. 另外,大攻角下突然起动翼型的计算结果给出了翼型起动后吸力面旋涡的产生、发展,周期性非定常流动的形成,以及尾流旋涡结构等一些重要的流动特征.[关键词] 非定常流有涡流动快速涡方法      

动失速型非定常分离涡结构的控制

本文对动失速型非定常分离涡结构的控制方法，在低速风洞中应用相平均测压技术进行了实验研究。在二元平板模型中部安装一作俯仰振荡的扰流板产生动失速型分离涡，在其上游安装另一用作控制的小扰流板。实验结果表明，应用前置的振荡小扰流板可影响并改变动失速分离涡的强度和对流特性。在最有利的控制相位下，涡吸力峰可降低４８％，涡对流时间可以推迟０．１９周期。对于间歇式振荡扰流板，采用相位提前控制方式比相位滞后控制方式更有效。     

应用PIV对角区非定常马蹄涡结构的实验研究

利用PIV技术研究了柱体与平板层流边界层角区的非定常流动结构,流动显示和PIV测量均 表明角区存在3种非定常的马蹄涡模态,即绕合模态、脱落-绕合模态以及脱落-耗散模态, 一定$Re$数下主涡脱落后既可能表现为脱落-绕合模态,也可能表现为脱落-耗散模态. 这主 要取决于模型头部形状对涡轴造成的拉伸以及耗散和扩散程度. PIV测量表明,随雷诺数增 加主涡下方从壁面喷发的反向二次涡逐步增大形成强度和尺度较大的``涡舌', 该``涡舌' 将突入整个涡系所在的边界层,最终将主涡与上游涡系隔离并使其从旋涡生成区涡系脱落. 马蹄涡非定常摆动时具有较复杂的奇点形态组合和演化,反映涡轴受到了交替的拉伸和压缩 作用.     

叶轮机械非定常流动研究进展

本文就叶片排进出口流场畸变型动力响应、压缩系统气动稳定性、叶轮机械非定常气动问题的数值模拟以及失速颤振轴流压气机系列转子实验等４个方面问题,从非定常气动力学角度作一概述和展望      

非定常流动模拟的时间离散方法

对于不同非定常流动问题, 采用合适的时间离散方法,可有效提高数值精度和计算效率. 本文在总结传统时间离散方法的基础上,对近些年发展的非线性频域法、谐波平衡法、经典时间谱方法、时间谱元法、时间有限差分法等进行了系统地总结.根据离散形式的不同,将上述方法分为时域推进法、频域谐波法、时域配点法和混合方法4大类.首先简要介绍了各类方法的数学思想以及研究进展,并重点比较了(准)周期性非定常流动计算中各方法的精度、效率以及适用范围.然后, 对各种时间离散格式的特点进行总结,并就不同的非定常流动问题如何选择合适的时间离散方法给予了建议.最后, 对这些新型时间离散格式在工程中的应用进行了简要介绍,并对其发展方向进行展望.      

跨音速压气机级的三维周期性非定常流动计算

对跨音速压气机级动静叶排相干形成的三维非定常流场进行了数值研究，利用时间推进ＬＵ－ＳＧＳ稳式迭代法求解三维非定常欧拉方程，对流项采用高分辨率ＮＮＤ格式离散。对某压气机第一级动静叶排相干非定常流场的计算结果表明，本文方法不仅在收敛速度上明显地优于一般显式方法，而且保持了流场中激波的高分辨率，适于推广到计算量巨大的的多级轴流压气机三维非定常流场的数值分析问题     

明渠非定常流动数值计算的间断分解法

给出了用间断分解法进行明渠非定常流数值计算的理论和方法。     

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。     

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。     

非定常激波三维双楔面反射的数值研究

采用基于MUSCL-Hancock插值的有限体积方法, 在非结构自适应网格上求解三维Euler方程, 研究了非定常激波在三维垂直双楔面上的反射现象. 研究结果表明, 由于三维效应的影响, 通过二维非定常激波反射理论预测的三维马赫反射区域范围存在着一定的局限, 在该区域范围内出现了一种非典型的三维突起结构, 即第二类三维马赫干. 另外, 对于不同的激波马赫数和楔面倾角组合, 非定常激波在三维双楔面上会形成具有四波结构的三维马赫反射或具有三波结构的三维规则反射.      

用扰动涡方法模拟叶轮机内动静叶的相互作用

发展了一种研究叶轮机内动、静叶间的相互作用的新方法———扰动涡方法，它利用全三维的定常解为基础解，并由此给出非定常扰动场的初始解．为计算叶片对扰动场的响应过程，采用拉格朗日方法追踪扰动涡团的对流流动过程，用确定性涡方法来描述流体的粘性扩散过程．发展了代数湍流模型（Ｂａｌｄｗｉｎ Ｌｏｍａｘ湍流模型）在尾迹中的应用方法，克服了其它数值方法中无法准确捕捉尾迹中心线的运动轨迹，以及计算出的边界层外的湍流涡粘性系数偏大的缺陷．利用该方法计算轴流叶轮机内由于动、静叶间的相互作用而引起的非定常流动过程，与实验的对照表明，模拟结果与实验数据吻合得相当好，从而说明本文发展的方法是可信的，为更直观地描述尾迹等非定常因素的流动及叶轮机内的掺混问题提供依据．     

NUMERICAL SIMULATION OF THE PHENOMENA DUE TO THE PASSING-BY OF TWO BODIES USING THE UNSTEADY BOUNDARY ELEMENT METHOD

In this paper a numerical analysis was made to investigate the aerodynamic forces surrounding two bodies in relative motion in a fluid at rest in three dimensions. The unsteady boundary element method was employed in the numerical calculations. This method is very convenient for obtaining an approximate expression of the velocity potential, especially for practical use. The passing-by of two spheres in an incompressible perfect fluid which extends to infinity is treated by the present method. The resultant pressure coefficients on two spheres passing each other in opposite directions are calculated and discussed numerically. Numerical examples are presented to show the validity of the present method. The method is also applied to the calculation of the passing-by of two trains in an open area in order to investigate its applicability.     

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。     

幂率流体圆管非定常流动的数值分析

本文讨论水平圆管中幂率流体的起动问题。用显式和隐式两种格式,我们得到了问题的数值解并从而得到流动建立时间的近似公式。     

Three‐dimensional vortex simulation of unsteady flow in hydraulic turbines

On the basis of the Helmholtz decomposition, a grid‐free numerical scheme is provided for the solution of unsteady flow in hydraulic turbines. The Lagrangian vortex method is utilized to evaluate the convection and stretch of the vorticity, and the BEM is used to solve the Neumann problem to define the potential flow. The no‐slip boundary condition is satisfied by generating vortex sticks at the solid surface. A semi‐analytical regularization technique is applied to evaluate the singular boundary surface integrals of the potential velocity and its gradients accurately. The fast multipole method was extended to evaluate the velocity and velocity gradients induced by the discretized vortex blobs in the Lagrangian vortex method. The successful simulation for the unsteady flow through a hydraulic turbine's runner has manifested the effectiveness of the proposed method. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

天然河流流场数值模拟的预处理方法

提出了求解一种二维原始变量湍流模型方程组的预处理方法。应用此方法对驱动方腔内的涡流及天然河流流场作了数值模拟计算，结果表明预处理方法具有较好的稳定性及较快的收敛速度，对天然河流流场的计算只有实用价值。     

NUMERICAL SIMULATION OF UNSTEADY VISCOUS FLOWS USING AN IMPLICIT PROJECTION METHOD

In this paper an implicit projection method for the solution of the two-dimensional, time-dependent, incompressible Navier– Stokes equations is presented. The basic principle of this method is that the evaluation of the time evolution is split into intermediate steps. The computational method is based on the approximate factorization technique. The coupled approach is used to link the equations of motion and the turbulence model equations. The standard k-ϵ turbulence model is used. The current methodology, which has been tested extensively for steady problems, is now applied for the numerical simulation of unsteady flows. Several cases were tested, such as plane or axisymmetric channels, a backward-facing step, a square cavity and an axisymmetric stenosis.     

非稳态Couette流动阶段的边界位移与黏性能量耗散

本文研究了牛顿流体非稳态Couette流动阶段的边界位移与流体黏性摩擦能耗.在上边界始终保持静止,下边界以恒定速度或恒定内壁剪切应力突然运动的情况下,建立了Couette非稳态流动的数学模型.求解定解问题,获得流体速度分布函数;通过渐近分析,获得不同边界条件下流动充分发展的临界时间,进而获得非稳态过程中的边界位移量.利用边界剪切应力和位移量的结果,计算非稳态过程中移动平板做功;再结合流体动能增加量,计算得出不同边界条件下非稳态流动阶段流体黏性摩擦能耗.     

VISCOUS FLOWFIELD BASED ON DISCONTINUOUS BOUNDARY ELEMENT METHOD AND VORTEX METHOD

基于非协调边界元方法和涡方法的联合应用, 模拟了二维和三维黏性不可压缩流场. 计算中利用离散涡元对漩涡的产生、凝聚和输送过程进行模拟, 并将整体计算域分解为采用涡泡模拟的内部区域和用涡列模拟的数字边界层区域. 计算域中涡量场的拉伸和对流由Lagrangian涡方法模拟, 用随机走步模拟涡量场的扩散. 内部区域涡元涡量场速度由广义Biot-Savart公式计算, 势流场速度则采用非协调边界元方法计算. 非协调边界元将所有节点均取在光滑边界处, 从而避免了法向速度的不连续现象; 而对于系数矩阵不对称的大型边界元方程组,引入了非常高效的预处理循环型广义极小残余(the generalized minimum residual, GMRES)迭代算法, 使得边界元法的优势得到了充分发挥, 同时, 在内部涡元势流场计算中对近边界点采用了正则化算法, 该算法将奇异积分转化为沿单元围道上一系列线积分, 消除了势流计算中速度及速度梯度的奇异性. 二维、三维流场算例证明了所用方法的正确性, 也验证了该算法可以大幅度提高模拟精度和效率.