侧向多喷口干扰复杂流动数值模拟研究

采用具有高分辨率的NND格式,通过数值求解N-S方程对典型外形多喷口侧向喷流复杂干扰流动进行了数值模拟. 为了提高计算效率,采用了LU-SGS隐式算法. 采用分块对接网格技术,生成高质量的贴体计算网格,精确模拟喷口截面. 对比分析了不同计算格式、限制器形式、网格拓扑及流动形态(层流与湍流)对喷流干扰流场结构和压力分布特性的影响,研究和分析了喷口附近流场的涡系结构、波系结构和喷流干扰引起的气动力特性. 在上述研究的基础上,针对典型飞行器外形的侧向喷流干扰特性进行了详细的数值模拟,得到了喷口参数(喷口位置、数目等)及来流条件对喷流干扰流场结构、气动力特性的影响规律,并对其流动机理进行了相应的分析. 研究表明,发展的针对多喷口侧喷干扰的数值计算方法是成功的,可以应用于飞行器侧向喷流干扰的流场结构分析及气动力特性数值预测.      

超音速流动中侧向喷流干扰特性的实验研究

在超音速流动中，进行了侧向喷流干扰特性的实验研究，研究了喷流压力、 攻角、迎风侧及背风侧喷流对侧向喷流干扰特性的影响. 结果表明，随喷流压力增大，喷流 前的高压区向前扩展，喷流的包裹作用加强. 有攻角时，背风侧喷流前的高压区更大，喷流 包裹作用的影响区域前移，喷流的控制效果更好，这一趋势随攻角的增大更加明显.     

非定常俯抑振荡下的横向喷流数值模拟

采用高精度格式数值求解RANS方程,研究了定常状态下横向喷流流场,压力分布计算结果与实验结果基本吻合,并捕捉到喷流干扰流场中多种流动结构.在非定常计算过程中,飞行器的振动引起了法向力和俯仰力矩系数的相位滞后,推力放大因子随俯仰角周期变化.飞行器振动过程中,喷流流场的动态气动特性与稳态喷流有明显的区别,因此在利用横向喷流对飞行器进行姿态控制时,应该考虑由于飞行器姿态的变化对横向喷流所产生的非定常影响问题.     

自然超空泡与尾喷流相互作用的数值模拟

认识带尾喷流和自然超空泡的水下高速航行体流体动力特性并发展其预报与控制方法仍是水动力学领域极具挑战性的课题．本研究采用CFD方法对尾喷流和自然超空泡之间的相互作用进行了数值研究．针对发动机欠膨胀超音速喷流,采用现有实验结果验证了基于两方程湍流模型的二维轴对称流动数值模型的可靠性．尾喷流在空气和蒸汽环境中流动的数值计算结果表明,由于蒸汽环境中背压较低,欠膨胀尾喷流无法及时形成压缩波,使得蒸汽环境中尾喷流的过膨胀区和气相扩散区的体积比空气中大;尾喷流很难形成规则的激波格栅,波系结构相对简单．针对携尾喷流的平头航行体超空泡流状态的数值模拟结果表明,尾喷流注入超空泡后迅速充满航行体周围的空腔区域;尾喷流与超空泡尾迹区域形成的回射流相互作用最终导致超空泡断裂,断裂过程中伴随着燃气泡的下泄现象;受空泡壁面约束,尾喷流难以在狭窄的超空泡空腔内完全膨胀,尾喷流的激波波系结构有显著的变化：在喷嘴附近受到压缩,在远离喷嘴区域受到超空泡水汽掺混的破坏;空泡内压强基本维持在饱和蒸汽压附近,没有显著增加．     

多喷口高效能厚翼的研究

提出了以下高效能翼型的思想：用多喷口小速度切向吹气控制厚翼上的流动分离,使流动接近于理想流状况,以产生大升力,小阻力;因多喷口小速度吹气耗能小,故翼型的有效升阻比可以很大．基于雷诺平均N－S方程进行了数值模拟实验．主要结果表明：对于厚度为0.4的儒氏翼型,在升力系数高达3．5时,有效升阻比可达约50（单喷口吹气约为23）;对于厚度为0．4的"升力体"翼型,在升力系数达2．2时,有效升阻比可达40（喷口吹气约为10）．     

压裂页岩气藏多尺度耦合流动数值模拟研究

在碳达峰的国策背景之下,页岩气成为传统能源向绿色清洁低碳能源转型的重要过渡和能源支点.压后页岩气藏流体流动力学成为高效开发页岩气的关键力学问题.文章将小尺度低导流天然裂缝等效升级为连续介质,建立有机质-无机质-天然裂缝三重连续介质模型,同时对大尺度高导流裂缝采用离散裂缝模型刻画,嵌入天然裂缝连续介质中,构建多重连续/离散裂缝模型.综合考虑吸附气的非平衡非线性解吸附和表面扩散,自由气的黏性流和克努森扩散,给出页岩气在多尺度复杂介质中的非线性耦合流动数学模型.提出多尺度扩展有限单元法对离散裂缝进行显式求解,创新性构建三类加强形函数捕捉离散裂缝的局部流场特征,解决了压后页岩海量裂缝及多尺度流动通道的流动模拟难题.文章提出的模型和方法既能准确刻画高导流裂缝对渗流的影响,又克服了海量多尺度离散裂缝导致计算量增大的问题.通过算例展示了压后页岩各连续介质的压力衰减规律,发现裂缝中自由气、有机质中自由气、无机质中吸附气依次滞后的压力(浓度)扩散现象,重点分析了吸附气表面扩散系数、自由气克努森扩散系数、天然裂缝连续介质渗透率和吸附气解吸附速率对页岩气产量的影响.文章重点解决压后页岩多尺度流动通道的表征和...     

超声速多喷流干扰流场特性研究

研究了旋成体上超声速来流与超声速横向多喷流相撞产生的层流干扰流场特性. 数 值方法针对三维可压缩Navier-Stokes方程按二阶精度Roe格式进行离散,采用基于多区对 接网格技术的有限体积法. 数值模拟结果描述了多喷流干扰流场的空间结构以及激波/边界层 干扰引起的分离范围,探讨了沿流向等间距排列的喷口个数对表面和空间流场结构以及压力 分布的影响规律. 结果表明,第一喷口对多喷流干扰流场主要结构和喷口上游表面分离范围 起主导作用. 其中三喷流流场数值模拟的对称面激波结构与实验纹影结果进行对比,符合较 好.     

超声速钝体逆向喷流减阻的数值模拟研究

为研究逆向喷流技术对超声速钝体减阻的影响,采用标准k-ε湍流模型,通过求解二维Navier-Stokes方程对超声速球头体逆向冷喷流流场进行了数值模拟,并着重分析了喷口总压、喷口尺寸对流场模态和减阻效果的影响。计算结果显示:随着喷流总压的变化,流场可出现两种流动模态,即长射流穿透模态和短射流穿透模态;喷流能使球头体受到的阻力明显减小;存在最大减阻临界喷流总压值(在所研究参数范围内最大减阻可达51.1%);在其它喷流物理参数不变时,随着喷口尺寸的增大,同一流动模态下的减阻效果下降。本文的研究对超声速钝体减阻技术在工程上的应用具有一定的参考价值。     

可压缩流体流动多尺度混合有限元数值方法研究

可压缩流体是天然油藏中广泛存在的一种流体,研究其在多孔介质中的渗流规律对于油藏开发具有重要意义。本文采用多尺度混合有限元方法,对可压缩流体渗流问题进行了研究。考虑流体的可压缩性以及介质形变,推导得到了可压缩流体渗流问题的多尺度计算格式。数值计算结果表明,多尺度混合有限元适于求解非均质性和可压缩流问题,具有节省计算量、计算精度高等优势,对于实际大规模油藏模拟具有重要意义。     

裂缝介质渗流多尺度混合有限元数值模拟研究

针对裂缝介质具有多尺度特点,建立了Darcy/Stokes-Brinkman多尺度耦合模型,采用多尺度混合有限元方法,对裂缝介质渗流问题进行了研究.阐述了多尺度混合有限元方法的基本原理,并推导得到Darcy/Stokes-Brinkman方程的多尺度混合有限元计算格式.数值计算结果表明,大尺度Darcy模型能够捕捉到小尺度上裂缝网络渗流特征;与网格粗化、传统有限元方法相比,多尺度混合有限元方法的基函数具有能反映单元内参数变化的优点,在保证计算精度的同时能够减少计算量,对于裂缝油藏具有良好的适用性.     

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。     

射流元件控制通道流动的三维数值模拟

针对一种射流元件控制通道的复杂结构 ,采用分块对接技术和网格“融合”技术生成计算网格 ,并运用五步显式格式的 Runge-Kutta法和多重网格法对含全 N-S方程、RNG k-ε湍流模型和两层分区壁面模型的流动模型进行数值求解。通过对控制通道内部流动的数值模拟和流场特性分析 ,提出了改进方案     

汽车侧门受侧向撞击动力响应的数值分析

给出了一个汽车侧门受到侧向撞击时的动力响应的数值分析结果,由能量平衡图和时间步长的稳定性来判断,此数值分析是稳定可靠的。对关键测试点的速度 时间曲线和实验结果进行了比较,两者吻合较好。     

高亚声速湍流喷流气动噪声数值分析

为适应航空噪声管制规定要求,发动机喷流噪声控制成为目前气动声学研究中的重要课题,预测分析喷流噪声辐射并揭示其产生机理将为噪声控制奠定基础.采用高精度并行LES（large eddy simulation）方法计算分析马赫数0.9高亚声速喷流的湍流演化和气动噪声现象.首先,仔细验证喷流LES湍流场计算保真性,并分析流场中不同尺度涡结构的演化形态.其次,利用可穿透面FW-H（Ffowcs Williams and Hawkings）方法外推喷流近场声源数据获得精确声辐射远场,进而分析声场主导声模态特性.最后,通过分析声源机制、分离声模态等方法研究势流核末端大尺度拟序涡运动演化形成的低波数波包在噪声主导声模态产生中的重要作用.数值结果表明LES结合可穿透面FW-H方法可精确预测高亚声速喷流的流场及声场特征,且数值分析揭示涡环对并形成的大尺度拟序结构在喷流中心线上沿径向融合,产生了在远场低方位角占优的主导声模态,并构成强指向性声场,噪声峰值方位角约为30°.      

混凝土多尺度应力响应方程及其数值模拟

针对混凝土的多相多尺度材料组成特征及其复杂力学响应问题, 首先, 根据混凝土中各组成材料的几何特征, 将C-S-H凝胶、硬化水泥浆体、砂浆及混凝土细观组成分别视为纳观、微观、亚细观和细观尺度上的复合材料, 并利用颗粒空间堆积方法, 重构了混凝土各尺度复合材料的简化几何模型; 其次, 基于重构的几何模型和等效夹杂理论, 通过等效刚度的升阶计算和应力响应的降阶计算, 建立各尺度复合材料应力响应之间的过渡关系, 推导混凝土多尺度应力响应方程, 并编制相应的计算程序; 最后, 以单轴压缩载荷作用为例, 数值计算载荷作用下混凝土各尺度复合材料中的应力响应, 分析骨料空间位置和相互作用以及水化产物刚度、几何形状和空间取向对其应力响应的影响规律. 结果表明, 单轴压缩载荷作用下, 混凝土细观组成中的应力分布并不均匀; 骨料颗粒之间的距离影响到混凝土中的应力分布, 其有效影响范围约为骨料粒径的6倍; 水泥水化产物的刚度、几何形状和空间取向是影响其应力分布的重要因素, 刚度越大, 所受应力越大, 与载荷作用方向的夹角越小, 长椭球形水化产物沿载荷作用方向的应力越大, 扁椭球形水化产物与之相反.      

后台阶流动的数值模拟

访述了大涡模拟的基本思想，指出大涡模拟的效率主要取决于四个因素，即流动中须有大尺度涡存在、合理的计算格式、合适的滤波器和亚格子应力模型。在深入考虑粘性不可压缩流Navier—Stokes方程各个子项作用的基础上，提出二阶全展开Euler—Taylor—Galerkin有限元方法作为大涡模拟的离散格式，并采用Gauss滤波器，对典型算例——后台阶处的流动进行大涡模拟，计算结果与相关文献符合的很好。从计算结果还可以看出大涡模拟与二阶全展开ETG有限元方法的结合在捕捉涡系及反映涡动时变过程方面具有明显的优势，说明大涡模拟适合于边界几何形状复杂区域流动的模拟。同时应用二阶全展开ETG有限元方法对低雷诺数粘性不可压缩后台阶流动进行了计算，得到与相关文献符合良好的计算结果，即该方法也可独立用于对低雷诺数粘性不可压缩流动的计算。     

环形通道内湍流旋流流动的数值模拟

本文应用一种考虑湍流－旋流相互作用及湍流脉动各向异性的新的代数Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力模型,对环形通道内的湍流旋流流动进行了数值模拟,研究了改主为旋流流数,进口轴向速度及半径比等参数对环形通道内湍流流动的影响,以及对强化环形通道内传热的作用。     

横向三维化学反应流动数值模拟

对一个三维化学反应流程序作了改进,使之适应于模拟带横向碘蒸汽注入的COIL(化学氧碘激光)喷管流动。其中,主副气流的入流边界条件的改进是基本的,重要的。这里,入流边界附近的气体流动被视为一维均熵流动,用双曲方程的特征理论,分析以流量作变量的EULER方程的特征关系,用特征方法数值求解简化的特征方程,从而确定亚声速(跨声速)流动边界点的入流密度或速度。对相关文献提供的算例的计算,佐证了程序改进的有效性。对氮气作载气的条件也作了模拟,得出了与氦气条件不同的流动特征与增益分布特征。     

方型散流器空调室内空气流动的数值模拟

用N点风口动量模型和一个新零方程湍流模型对某办公室方型散流器空调的室内温度场和速度场进行了模拟,并和实验数据进行对比.结果表明,计算所得速度和温度分布与实测值吻合得很好,所用的风口模型和湍流模型能快速地将方型散流器空调通风的温度和速度场合理地模拟出来,可用于指导和优化同类空调通风气流组织设计.     

纤维悬浮液搅拌流动的数值模拟

由于缺乏适当的本构方程，对纤维悬浮液流动的研究一直局限于纤维的牛顿流体悬浮液。本文采用ＭＵＣＭ模型对作者最近提出的纤维Ｏｌｄｒｏｙｄ－Ｂ流体悬浮液的本构方程作了改进，并对锚式桨搅拌槽的二维Ｏｌｄｒｏｙｄ－Ｂ流体和牛顿流体纤维悬浮液搅拌流动作了数值模拟。模拟的结果表明，本文所用的模型和方法能有效地抑制过大局部应力的影响并合理地处理流体的记忆效应。