计算地球物理流体力学中的非线性计算不稳定问题

一、序论§1 引言计算地球流体力学中的非定常问题(包括数值天气预报、气候数值模拟、海流数值模拟和风暴潮数值预报等)大多是非线性时变偏微分方程的求解问题,无论是用有限差分法、有限元法还是用谱展开法都可能出现非线性计算不稳定。就以数值天气预报和大气环流数值模拟问题来说,一般是对一组复杂的非线性偏微分方程的初、边值问题数值求解,譬     

均匀大气中的强爆炸一维辐射流体力学数值解

利用实际空气的状态方程和辐射平均自由程,对均匀大气中能量为8.36×1013焦耳（相当于二万吨TNT的爆炸能量）的强爆炸进行了一维辐射流体力学的数值计算。获得了冲击波参数、火球参数及等温球参数。其冲击波阵面参数与流体力学结果基本一致,波后参量比流体力学结果有明显改进,所得到的火球及等温球参数与实测结果基本符合。     

关于宇宙气体动力学

宇宙气体动力学是研究天文环境的气体动力学。它用气体动力学的理论和方法解释、分析星际介质与恒星大气中出现的天文现象,从而阐明天体的演化与运动规律,是一门涉及天体物理学、气体动力学、等离子体物理学与磁流体力学的边缘学科。天文介质(包括星际介质与恒星大气)的主要特点是低密度,有强辐射物,其中的微观过程与通常的气体动力学介质有很大区别,必须加以详尽分析。因此,宇宙气体动力学又可称为“有辐射场的微观气体动力学”     

大气动力学的一些问题

大气动力学和流体力学的关系人类生活在地球上的大气圈里,气候状态和天气变化影响着人类的生产活动和社会活动.所谓气候,就是大气状态和大气运动的长期(例如多年以及上百年)的统计平均状态;所谓天气或气象就是指发生在大气圈中的物理-力学(有时甚至是物理-化学)现象,其中尤以大气的热力状态和 ...     

爆炸冲击研究中的数值模拟

在对爆炸和冲击问题进行数值模拟时,使用的基本方程是理想流体力学方程组。 爆炸和冲击是一种十分复杂的现象,它包括化学的、物理的和力学的过程。这些过程在时间发展上可能是定常的或不定常的,在空间上可以是维、二维或三维的,不论哪种情况,都应遵循基本的质量、动量和能量守恒定律。流体力学方程组就是这些守恒定律的一种数学表达形式。     

有相变的颗粒群-气体系统的多相流体力学

研究有相变(蒸发、燃烧)的颗粒群-气体系统的多相流体力学、对探讨大气中的云雾,反应堆安全的冷却,火炮的发射,固体火箭尾喷管的流动,各种液雾、金属粉、煤粉与空气的混合与燃烧,煤粉的气化,流态化燃烧,燃烧产物中烟粒的生成与清除,以及各种喷雾冷却、喷雾干燥过程等等都有重要意义。随着计算机技术、数值计算方法及计算流体力学、计算传热学、计算燃烧学的发展,已逐渐有可能对工程中各种实际的有多相流体的装置建立数学模型,进行数值计算,对各种流动、传热、传质的参数作出预估,从而减少实验研究的工作量,这就促使多相流体力学得到了不断发展。      

地球物理流体力学简介

地球物理流体力学,是流体力学的一个古老而又年青的独立分支。研究内容包括:地球大气、海洋、河流、地幔等的动力学,海洋大气相互作用,以及分层流体、旋转流体的一般理论等。它具有尺度大,需要特别重视密度(或熵)的不均匀性,重力与科里奥利力的作用等特点。虽然,早在一两个世纪以前,就不断有许多流体力学家注意研究与地球科学相关的      

二维拉氏辐射流体力学人为解构造方法

人为构造解方法是复杂多物理过程耦合程序正确性验证的重要方法之一,适用于二维拉氏大变形网格的流体、辐射耦合人为解模型较为少见。针对拉氏辐射流体力学程序正确性验证的需要,从二维拉氏辐射流体力学方程组出发,基于坐标变换技术,给出了拉氏空间到欧氏空间的物理变量导数关系式,开展了辐射流体耦合的人为解构造方法研究,构造了一类质量方程无源项的二维人为解模型,并应用于非结构拉氏程序LAD2D辐射流体力学计算的正确性考核,为流体运动网格上的辐射扩散计算提供了一种有效手段。数值结果显示观测到的数值模拟收敛阶与理论分析一致。     

相对论流体力学和经典流体力学之间的一种相似性

对一些极重要的天体物理现象,有必要从相对论流体力学角度进行研究;例如河外射电双源天鹅座x-1的形成机制以及79年刚刚发现的一种新型相对论性天体SS 433,其中发生高达每秒数万公里的高速运动等。 本文从理论方面,在狭义相对论范围内研究了理想流体的平面无旋运动。通过一些变换,可将相对论流体力学中的控制方程化成跟经典气动力学中相应公式相同的形式。 通过这种比拟,有可能充分利用经典力学中的丰硕成果以解决相对论流体力学中的有关问题。     

高超声速火星进入环境中颗粒运动特性研究

火星大气中会发生不同规模的沙尘暴,大气中蕴含的尘埃颗粒会对高速进入的火星探测器表面造成侵蚀并导致壁面热流增加,给探测器的热防护系统设计带来巨大挑战.文章针对高超声速火星进入环境两相流动问题,基于Euler-Lagrange框架建立非平衡流场与颗粒的单向耦合计算方法,采用模态半径为0.35μm的火星大气颗粒分布模型,研究不同尺寸颗粒在流场中的运动轨迹,获得高温相变模型对颗粒运动的影响以及不同粒径颗粒的撞击能量分布.结果表明,颗粒在高温流场中运动会吸热融化甚至蒸发,高温相变模型导致的颗粒直径减小对小尺寸颗粒运动轨迹有较大影响;当前计算状态下,直径3μm以上的颗粒具有较大的Stokes数且颗粒半径在运动过程中基本保持不变,其运动轨迹受流场影响较小,该尺寸颗粒的撞击分数均达95%以上,是造成壁面撞击的主要颗粒尺寸;撞击能量分数结果表明,直径3～10μm之间的颗粒是撞击能量的主要来源,约占总撞击能量的80%.     

数值实验在流体力学实验教学中的应用探讨

为强化学生对流体力学课程理论知识及实验教学环节的掌握,本文针对传统实验教学过程中受限于硬件设施、模型等问题,将数值模拟技术与流体力学实验教学相结合。以伯努利实验为例,应用数值模拟软件进行物理建模、网格划分、变参数数值模拟等实验内容,通过压力云图、流线等模拟结果对能量转换特性进行了分析,增强了学生对流体力学理论知识及相关参数的物理意义、变化特征等的理解,使学生在实验中产生强烈的"参与感",有效地提高了教学水平和教学质量。     

城市和工业区大气环境评估与流动实验--风环境模拟研究之二

借用实验流体力学分层流实验技术，采用均匀的水模拟中性大气，表示大气随高度没有变化，再用盐水进行密度分层来模拟大气温度随高度变化的稳定层结大气，丰富了大气环境的实验研究手段，本介绍用水来模拟大气的相似理论和实验研究方法，针对北京市地形对城市大气环境影响变化，来解释和说明首都在解决城市环境污染治理上应该关注的问题。同时结合福建省某核电厂厂址地区受地形影响，分析在厂运行期间排出的放射性气载释放物的大气输运和扩散影响，以及提供突发性污染事故应急预警方案，采用现场实测、水槽模拟和数值计算等3种手段，开展研究并取得成功、     

计算流体力学特辑前言

中国力学学会和中国空气动力研究会于1982年7月2—7日在成都召开了第1届全国计算流体力学学术会议。68个单位154名代表参加会议,他们来自中国科学院系统、国防科委系统、航空航天、水利水工、船舶海洋、气象、石油、动力机械等有关部门和高等院校。会议收到143篇论文,其中91篇在3个分组会议上进行了交流。为了集中反映近两年来国内外计算流体力学研究工作所取得的最新进展,会议邀请了7位专家在大会上宣读了综述性学术报告。这里,我们将其中5篇报告刊登出来(曾庆存的《数值天气预报的理论和计算方法》以后补登),      

关于稀薄气体动力学的发展方向

一般的流体力学、空气动力学、弹性力学等都是建立在连续介质概念的基础上,不研究构成连续介质的微观粒子的运动状态。随着高空高速飞行、宇航事业的发展,对空间科学的研究以及真空技术的发展,稀薄气体动力学得到了迅速发展。在数百公里以上的高层大气中,气体分子的平均自由程比飞行器的尺寸大得多。在广阔的日地空间里,在无限的宇宙空间中,大多数物质呈稀薄等离子体状态。有时,在一立方公里的空间内只有几十个分子在运动。用一般连续介质概念已不能描述这种运动状态,而必须从微观分析出发,也就是说,要用分子运动论的的方法研究气体的运动状态。      

计算流体选讲(一)

计算流体是对描述流体运动的偏微分方程(或方程组)给出数值解的一门科学.目的在于进一步理解物理现象从而改进工程设计,实用性十分明确.计算流体的内容十分丰富并涉及多种学科:流体力学,偏微分方程,数值分析,计算几何,计算机科学等等.它需要书本文献中的理论和技巧,也需要实际工作中的经验和见解.在多年工作中我们深刻体会到从一般偏微分方程数值解的基本课程到从事计算流体的研究工作还有相     

DISCUSSION ON THE APPLICATION OF NUMERICAL EXPERIMENT IN EXPERIMENTAL TEACHING OF FLUID MECHANICS

为强化学生对流体力学课程理论知识及实验教学环节的掌握,本文针对传统实验教学过程中受限于硬件设施、模型等问题,将数值模拟技术与流体力学实验教学相结合。以伯努利实验为例,应用数值模拟软件进行物理建模、网格划分、变参数数值模拟等实验内容,通过压力云图、流线等模拟结果对能量转换特性进行了分析,增强了学生对流体力学理论知识及相关参数的物理意义、变化特征等的理解,使学生在实验中产生强烈的“参与感”,有效地提高了教学水平和教学质量。     

流体力学在体育运动中的某些应用

随着近代科学技术的发展出现了许多边缘性学科。体育科学和流体力学的结合也是这股洪流中的产物,它不仅对体育运动的发展有促进作用,而且也给流体力学增添了新的内容。 我们知道体育科学是一门涉及众多学科的综合性很强的科学。运动项目多种多样,成绩的优劣,比赛的胜负,情况相当复杂,其影响因素是多方面的,但总有一些带共同性的、基础性的问题,譬如运动生物力学、运动心理学等,流体力学也是其中的一个。可以说凡和流体介质(如水和空 ...     

序

湍流是流体运动的常见形式,也是流体力学的核心问题之一.湍流在工程技术领域也有着广泛的应用,是航空航天等领域发展的瓶颈问题.近年来,人们在对湍流物理机理的认识、数值模拟和实验研究上,都取得了很大的进展,但当前大飞机、高速铁路等工程问题的     

磁约束核聚变关键能量转换部件的磁流体力学研究

简述了磁约束热核聚变反应堆关键能量转换部件包层相关的流体力学及传热学研究背景, 重点介绍了强磁场作用下的金属流体流动与传热问题的实验及数值研究进展.     

海岸城市上空热力内边界层的基本特征

海岸热力内边界层内大气在热力驱动下产生垂向对流运动,对海岸带的大气运动规律产生深刻的影响.在海岸城市地区,受城市冠层复杂结构的影响,热力内边界层呈现诸多独特的性质.采用大涡模拟的方法,研究了海岸城市热力内边界层内的流动特征.将海岸城市建筑物拟形为一系列有序排列的立方体块,并基于浸入边界方法考虑其对大气流动的影响.和常见的区域尺度数值研究中将城市下垫面假设为均质属性平面的方法相比,模拟结果的精度明显提高,海岸热力内边界层内各种尺度的动力过程也能在一定程度上得以描述.模拟计算了海岸城市热力内边界层、中性海岸城市边界层和开阔的自然海岸热力内边界层共3种情况,对比研究了城市摩阻和海岸热力作用对海岸城市上空大气运动的影响.研究结果表明:在空间上,边界层中各紊流特征量均在街谷尺度呈现出有规律而非均匀分布的特点;在强度上,热力作用与城市构筑物的摩阻作用相互促进,使得紊流强度显著提升并大于两种作用线性叠加的结果.此外,还发现有城市冠层海岸的热力内边界层发展远快于相同热力条件下的自然海岸带,边界层的发展规律也有显著的不同.