基于无奇异边界元法波物相互作用数值模拟

为了解决传统求解非线性波物相互作用计算量大和精度低的问题,采用时域二阶势流理论方法,对三维非波物相互作用问题进行研究.自由表面边界条件考虑到二阶边界值问题并采用IFBC(积分格式的自由面条件)来更新自由面上的速度势;在水底基于镜像的原理对格林函数进行修正;在远方辐射边界上采用水波透射器来外传绕射波;控制方程的离散求解是使用无奇异边界元方法来计算每个时间步上的流场分布.基于上述模型,对直立圆柱的二阶绕射问题进行了研究,得出的各阶力与解析解在低频和高频部分都符合得较好,可以用于分析类似非线性波物相互作用问题.     

二阶非线性水波的有限元时域计算

用有限元法配合时步处理在时域范围内计算了二阶非线性水波,每一瞬时自由表面上的速度势和波高用Adams外推法和内插法获得,而流场内速度势通过求解有限元方程得到,计算采用四边形等参单元．给出了两个算例．     

二阶非线性水波的有限元时域计算

用有限元法配合时步处理在时域范围内计算了二阶非线性水波，每一瞬时自由表面上的速度势和波高用Ａｄａｍｓ外推法和内插法获得，而流场内速度势通过求解有限元方程得到，计算采用四边形等参单元给出了两个算例。     

水波传播的无网格数值模拟

在水波传播的数值模拟中采用了一种基于配点和径向基函数的无网格方法.采用Laplace方程的基本解作为径向基函数,将源点布置在模拟波浪场之外,沿边界布置配点而不是划分网格,从而自动满足控制方程,且不存在奇点,不需要求解积分方程.数值造波采用给定入射波面和速度势的方法,数值消波综合采用阻尼层消波和Sommerfeld辐射条件,非线性自由面的演化追踪采用二阶Taylor级数展开式.对线性规则波和非线性三阶Stokes波的模拟显示,数值结果与理论解吻合良好.表明无网格方法不但形式简单、计算速度快,而且稳定性和准确性令人满意,有望成为水波模拟问题的一种有效的数值方法.     

基于势流理论的门桥兴波阻力计算

提出了门桥漕渡水阻力计算，特别是兴波阻力计算的新方法。该方法基于势流理论，考虑门桥的漕波速度和水流速度，通过坐标变换，确定了速度势的适定性条件。并选择合适的格林函数满足除门桥湿表面以外的其他定解条件，则场内的速度势只要由这一格林函数及其法向导数在门桥的湿表面上分布即可决定，大大降低了计算工作量。最后，利用面元法进行数值计算。     

滑移流区任意截面微槽道内流动边界条件对流动特性的影响

通过正交函数法就滑移流区内任意截面形状的微槽道在二阶滑移和热蠕流流动边界条件下的流动和阻力特性进行了分析和计算,得到了微槽内的速度分布和阻力系数,并与相关实验结果进行了比较.结果表明,该方法的计算值与实验数据基本吻合;采用二阶滑移边界条件计算的阻力系数略大于一阶滑移边界条件下的计算值,而计入附加热蠕流边界条件时的阻力减小;边界条件的影响随Kn数增加而增大.为任意截面微槽内具有高阶滑移和热蠕流等复杂滑移边界条件下的流动特性计算提供了方法.     

一种对船桨干扰问题的黏势流耦合求解方法

基于黏性流计算流体力学(CFD)及势流理论,建立了一种黏流雷诺平均方程/面元法耦合迭代求解方法,对船桨相互作用问题进行了数值模拟.自由面的船体绕流场模拟应用CFD黏流方法,螺旋桨水动力载荷计算采用势流面元法.在黏性流场模拟中得到桨盘面处的总速度分布,减去螺旋桨诱导速度得到实效伴流速度并作为势流计算速度进口条件,螺旋桨效应以体积力的形式在黏性流场中体现.计算值与试验值的对比结果表明,黏势流耦合迭代求解方法能较好地预报船桨干扰问题,且较全域船桨离散化网格CFD求解船桨干扰的方法,计算量大为减少.该方法充分融合了黏势流方法的优点,既能计及黏性效应又能发挥势流快速准确的优势,能够拓展应用于船体及螺旋桨性能预报及设计优化的研究.     

3-D段涡的兴波数值计算

基于段涡的线性兴波理论分析，给出了段涡的线性兴波速度势和自由表面波形的计算公式，提供了数值计算方法并且给出了相应的数值计算结果．由计算结果可以看出段涡兴波的自由表面形状特征与段涡的长短、段涡离自由表面的距离的关系以及来流速度的大小对段涡兴波的影响，为水翼的兴波问题的计算提供了基础。     

用Lattice Boltzmann方法计算矩形柱的绕流问题

采用二维9速度Lattice Boltzmann模型, 数值模拟流体流过矩形截面柱体的绕流问题. 在边界处, 采用二阶精度的插值边界处理方法, 计算了流动的Strouhal数及柱体受到的升力和阻力系数, 给出了流场的流线和等涡线图. 使来流方向与矩形柱的长边方向平行, 计算结果表明, 改变矩形的长/宽比, 流场的Strouhal数随长/宽比呈线性变化.     

基于高精度Boussinesq方程的数值模拟潜艇尾迹

基于高精度速度势布西内斯克(Boussinesq)方程的三维数值波浪水池模拟潜艇在水下航行过程中自由表面波浪形态变化.三维数值波浪水池采用高精度Boussinesq方程模拟波浪传播和衍化过程,造波区域采用流函数理论产生线性与非线性波浪,消波区域采用人工阻尼函数消除波浪反射.通过对称轴水平面将DARPASUBOFF潜艇模型分割为上下两部分,模型上部固定于数值水池水平底部,视为底部隆起.基于流函数生成规则行进波进而模拟潜艇在水下航行时形成的尾迹.数值计算结果给出伯努利水丘和开尔文波水动力尾迹特征.结果表明:该方法是有效的;相对于传统黏性流体计算方法,在同等计算精度的前提下,该方法效率更高.     

不同底坡有流流场中单个气泡运动的三维数值模拟

为了对不同水底地形和不同来流情况下,单个气泡上升并与自由表面相互作用的运动进行三维数值模拟,采用了VOF中的PLIC界面重构方法.结果表明:有无来流及来流大小对水平底面的气泡上升运动几乎没有影响.从不同水底坡度和不同来流速度耦舍下气泡运动发现,流速和底坡的耦合能有效增大气泡上升速度和自由表面抬升高度,并增大气泡变形.底坡坡度或速度越大,气泡相应物理量增幅也越大,变形更明显.     

关于二阶波浪绕射势稳态解边值问题

对有限水深情形下多色波场中任意形状三维物体的二阶波浪绕射问题.视正弦扰动速度势为某一恰当初值问题的稳态解,并以波陡为小参数,采用正则摄动展开法,导出了一阶与二阶绕射问题的摄动方程,进而利用Laplace变换和Tauber定理,给出了隐含有恰当的远场辐射条件的二阶稳态解边值问题的提法.     

垂直指数延伸板驻点混合对流与传热研究

研究不可压缩粘性流体在垂直指数延伸壁面上的二维驻点混合对流与传热问题,借助相似变换将边界层控制方程转换为非线性常微分方程,通过打靶法对其进行数值计算,用图表详细分析顺流和逆流时浮力参数λ和Prandtl数Pr对流体流动和传热特性的影响.结果显示:顺流时,表面摩擦系数和Nusselt数均随浮力参数λ的增大而增大;随着Pr数增大,Nusselt数增大而表面摩擦系数减小.逆流时,表面摩擦系数和Nusselt数均随浮力参数λ的增大而减小,随Pr增大而增大.     

基于混合对流与传热的垂直延伸板驻点流研究

延伸板上不可压缩粘性流体的驻点流在工业和实际生产中有着广泛的应用,研究延伸板上驻点流的边界层流动一直是广大学者研究的热点。本文研究了不可压缩粘性流体在垂直指数延伸壁面上的二维驻点混合对流与传热问题,这是一种基本的物理现象,也是当今国内外学者研究的新热点问题之一。借助相似变换将边界层控制方程转换为非线性常微分方程,通过对其进行数值计算,用图表详细分析顺流和逆流时浮力参数λ和普朗特数Pr对流体流动和传热特性的影响。结果显示：顺流时,表面摩擦系数和努塞尔数均随浮力参数λ的增大而增大;随着Pr数增大,努塞尔数增大而表面摩擦系数减小。逆流时,表面摩擦系数和努塞尔数均随浮力参数λ的增大而减小,随Pr增大而增大。研究结果对于工程中探讨垂直板上浮力参数及普朗特数对表面摩擦力和传热特性的特殊影响具有重要意义。     

非线性不规则波二阶分离模型

基于二阶波势流理论,建立了一个非线性不规则波浪二阶分离模型．通过求解频域内一、二阶成分之间的传递函数,建立起二阶项求解关系式,将二阶项变换到与一阶项同一个傅里叶频域空间,采用Newton-Raphson迭代方法分别求解出目标波浪中一阶、二阶和频与二阶差频．利用所建立模型分别对规则波和二阶非线性不规则波进行了数值验证,并对波浪非线性的影响进行了分析,典型数值计算结果表明模型是有效的．     

非线性不规则波二阶分离模型

基于二阶波势流理论,建立了一个非线性不规则波浪二阶分离模型。通过求解频域内一、二阶成分之间的传递函数,建立起二阶项求解关系式,将二阶项变换到与一阶项同一个傅里叶频域空间,采用Newton-Raphson迭代方法分别求解出目标波浪中一阶、二阶和频与二阶差频。利用所建立模型分别对规则波和二阶非线性不规则波进行了数值验证,并对波浪非线性的影响进行了分析,典型数值计算结果表明模型是有效的。     

潜堤上波浪分裂现象的数值分析

为研究潜堤附近水波变形现象,建立了一个模拟该现象的数值方法。基于势流理论的基本方程,其中入射波浪的生成基于域内源造波方法,无反射边界采用海绵层消波加辐射条件的处理方法。垂向采用σ坐标变换,可保证自由表面和底面边界的"精确"满足,同时便于有限差分法的应用。使用该模型对二个已有的物理模型实验进行计算,比较了长波和短波越过潜堤时波浪变形特性的异同。计算所得潜堤前后不同位置处的波面与实验结果吻合较好。结果表明:该模型能很好地模拟坡度不同的潜堤前坡上高次谐波的产生和堤后波浪分裂现象,可用于求解二维强非线性势波问题。     

含趋旋微生物纳米流体在拉伸缸表面上的边界层流动分析

考虑趋旋微生物的影响，研究纳米流体在拉伸缸表面上的稳态二维边界层流动问题。建立控制方程，采用打靶法和Runge-Kutta法进行数值求解，对不同物理参数下的速度场、温度场、浓度场和运动微生物密度场的变化趋势进行图形化分析。结果表明：在靠近缸体表面处，速度、温度、浓度和微生物密度均随曲率参数的增大而减小，而在远离缸体表面时变化情况却相反；微生物密度随Brown运动参数、Peclet数、Schmidt 数和生物对流常数的增大而减小，而随热泳参数的增大而增大。     

非线性波作用下非对称沙纹床面流场特性数值分析

海床上的沙纹对泥沙输运和波浪衰减有着重要的影响.通过数值波浪水槽研究了非线性波作用下非对称沙纹床面底层的流动特性.控制方程为雷诺时均方程和 k-ε紊流模型.入射波为椭圆余弦波,采用PLIC-VOF法追踪自由表面.通过数值模拟得到了不同波浪条件下的瞬时速度场和涡量场.计算结果表明:非线性波作用下,非对称沙纹床面两侧的涡动强度不相等,涡量值与波浪参数密切相关;波浪非线性增强,涡量值增大,最大涡量值对应的相位角减小;涡量值大小的变化与外流场速度变化不同步达到最大,随着Ursell数增大,涡量值在小相角下达到最大值.     

二维楔形物体的自由撞水分析

为分析物体在撞水过程中由于加速度急剧变化而对其运行有效性和安全性的影响,基于速度势理论,采用任意的Lagrangian-Eulerian(ALE)边界元法分析二维楔形体的自由撞水,并预设自由液面网格点的运动轨迹平行于结构面.对一斜升角楔形体自由撞水实验结果与数值计算结果的比较验证了该计算方法的可靠性,同时,获得了液固耦合面上的无量纲水动压力分布随时间变化规律.另外,参数比较研究发现,斜升角或质量减小时,加速度变化速度加快,加速度峰值降低,达到峰值所需的时间缩短,相同参数增量下的峰值变化幅度增大;而初速度增大时,加速度-时间历程具有相同的变化趋势.