基于浸入边界法的二维流场数值模拟

采用浸入边界方法进行了圆柱绕流的数值模拟.浸入边界方法是通过在Navier-Stokes方程中加入一项体积力,以满足物面边界的无滑移条件.整个流场在笛卡尔网格上求解,物面边界用均匀分布的拉格朗日点表示.拉格朗日点上的力通过离散了的Navier-Stokes方程求解后再分布到周围的网格点上.在有限差分法的基础上利用浸入边界方法分别计算了Re=40和Re=100时圆柱绕流,并将升力系数,阻力系数,斯特鲁哈尔数等结果与文献中的数值和试验结果进行了比较.     

圆柱绕流的三维数值模拟

利用计算流体力学软件CFX－4,对粘性不可压缩流体的圆柱绕流进行了三维数值模拟,采用有限体积法和SIMPLE计算程式,利用不可压缩Navier-Stokes方程,模拟雷诺数在亚临界区内的绕流流动,并计算了流体的水动力特性。为克服数值模拟高雷诺数时的数值不稳定性,计算中采用了QUICK迎风格式,其对流项为三阶精度,其余项如扩散项等为二阶精度,圆柱两端边界采用周期性边界条件。计算结果表明,高雷诺数时圆柱周围的流动具有明显的三维特性,且沿柱长方向不同断面的升力和阻力系数并不相同。同时,对圆柱绕流进行了二维数值模拟,并与三维数值结果进行比较,发现三维模拟的升力和阻力系数均小于二维模拟。     

基于SPH-FDM耦合算法的非饱和岩土介质中瞬态导热问题数值模拟

光滑粒子法是近些年来发展起来的一种新的数值计算方法,已经成功应用到多种工程和物理问题的求解中.为修正光滑粒子法计算域边界附近粒子近似缺陷及弥补边界条件处理方法的不足,将有限差分法耦合到光滑粒子法中,使所求解问题在整个计算域上的函数近似精度达到二阶,从而提高计算的求解精度;然后基于有限差分算法处理边界条件的思想来处理定解问题中的第二、第三类边界条件,使复杂边值问题的计算可以归于第一类边值问题的框架下求解.采用光滑粒子-有限差分耦合算法计算了各类不同边界条件下的导热问题,通过和解析解的对比表明,相比传统光滑粒子法,耦合算法能够直接施加各类边界条件,计算结果精度高,求解过程可靠有效.最后模拟了非饱和岩土介质内的热能传输问题,得到了岩土介质中随时间变化的温度演化特点,并分析了隔热层对导热过程的影响以及隔热层导热性质不同情况下的温度分布特征.     

浸入边界法及其在可压缩流动中的应用和进展

流固耦合问题广泛存在于自然界和各类工程应用中,例如树叶摇曳、旗子飘扬、昆虫飞行和高速飞行器尾翼颤振等.随着高性能计算机的发展,数值模拟方法在这类问题中的应用越来越广泛,是处理这类问题的一种有效途径.浸入边界法是其中一种高效的实现复杂几何及大变形边界条件的方法,它通过分布拉格朗日力到流-固界面附近的流体点上,并将其作为源项施加到N-S方程中来处理复杂几何界面的边界条件.因此,浸入边界法无需生成贴体网格和进行网格移动与重生,从而具有较高的计算效率.近来,浸入边界法又被推广到可压缩流动中,将在气动弹性,流固声耦合中发挥越来越重要的作用.本文回顾浸入边界法的基本原理和发展过程,并对其在可压缩流动中的应用和能够解决的各类问题进行介绍,重点展示一些浸入边界法在可压缩流动中的典型算例.     

一维弹道修正弹气动布局与修正能力研究

为提高炮弹密集度,对采用阻力环装置的一维弹道修正弹进行了研究.基于牛顿流理论建立了一维弹道修正弹阻力环结构的附加阻力系数工程算法,通过数值分析和风洞实验研究了不同阻力环结构的气动力特性,对阻力环在弹道上不同位置的作用对弹道修正能力的影响进行了数值计算和炮射试验研究.结果表明:气动力和修正弹道的计算值和实验值基本一致,该文分析的阻力环气动布局结构对一维弹道修正弹设计有借鉴作用,研究提出的阻力环气动力算法和修正弹道算法可以作为该弹弹道设计的工具.研究结果为一维弹道修正弹的弹道设计提供了依据.     

用格子Boltzmann方法计算椭圆柱绕流的阻力

用格子Boltzmann方法模拟椭圆柱绕流, 研究椭圆柱形状对阻力的影响. 对圆柱绕流问题进行了数值模拟, 阻力系数的数值计算结果与相关文献数值相符. 计算了当Re=200, 椭圆柱纵轴长度不变、 横轴长度逐渐变大时几种不同形状的椭圆柱绕流, 并用插值方法处理了曲线边界, 用动量转换法计算了曲线边界受力. 计算得到了不同形状椭圆柱绕流的流线、 涡线以及阻力系数随横轴/纵轴长度比的变化趋势. 通过分析流线和涡线的变化, 给出了阻力变化的机理.     

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.     

刚体-流体耦合运动的浸入边界法研究

为避免复杂贴体网格的生成和动、静界面滑移网格技术插值带来的误差,提出采用浸入边界法模拟流体刚体的耦合运动.借助求解不可压缩N-S方程组的分步投影方法的思想,来求解基于浸入边界法的耦合系统方程.其中刚体边界离散点的作用力密度通过强制满足刚体边界的无滑移条件（位移和速度一致）导出,结合刚体定轴旋转的动量矩定理,采用Newmark时间积分方法,实现对刚体运动特性的预测.同时,通过δ光滑函数,将刚体边界离散点的作用力密度转换到流体的欧拉网格点上,实现对流场速度的修正.在空间离散上,对流项采用Quick迎风格式,扩散项采用中心差分格式,采用2阶显式Adams-Bashforth法离散时间项.以雷诺数为300的圆柱绕流为基准数值算例,验证数值计算结果的可靠性.      

浸入边界算法对二维方柱绕流数值模拟

目的研究浸入边界算法在传统CFD领域中的应用,改善内部流场处理方法及壁面处理措施.方法采用适用于刚性边界的浸入边界算法(Virtual Boundary Method),结合时间分步法和交错网格编写出流场计算程序,开展算法模型细节分析及不同雷诺数下二维方柱绕流的数值模拟.结果仅采用双线性插值而忽略内部流场拟化出的物体边界速度收敛至10-7.反馈系数形成的边界能够隔绝内外流场,并使内部流体处于衰减状态;不同雷诺数时方柱绕流流场结构同其他文献相同,不同工况所得气动力参数变化规律均能较好地吻合同类文献数据;壁面处理措施使气动力计算误差降低至10-3.结论 3种工况所得数据均能较好地吻合过往文献所得气动力系数变化规律,在均匀网格下采用壁面处理后的气动力系数虽然更接近于其他参考数据,但不能成为其能够修正壁面流动参数使其得到合理分布的充分依据.均匀网格所造成的近壁面流动特征捕捉缺失亦可能是造成数据差异的原因,且反映此问题的数据差异变化规律亦能在其他文献得到体现,进一步从数值精度方面验证了浸入边界算法程序的模拟能力.     

用Lattice Boltzmann方法计算流体对曲线边界的作用力

通过分析格子Boltzmann方法中边界受力的计算方法, 研究了两种用LB方法计算边界受力的方法——动量转换法和应力积分法, 其中动量转换法较为可靠、 准确, 且易于执行. 应用LB方法模拟了圆柱绕流问题, 并计算出圆柱的阻力系数. 通过模拟凹坑表面的层流流动, 发现随着Re数的增大, 凹坑表面的阻力系数逐渐接近平 板的阻力系数.     

用格子Boltzmann方法计算电磁场中圆柱绕流的减阻问题

利用格子Boltzmann方法,模拟电磁场中的圆柱绕流过程,研究电磁力对圆柱所受阻力的影响,并分析了曲线边界处理方法和曲线边界受力的计算方法;计算得到了不同强度的电磁力作用下圆柱绕流的流线、等涡线及阻力系数.结果表明,电磁力能改变圆柱绕流的边界层结构,延缓边界层的分离,同时还能有效抑制旋涡的脱落,减少阻力.     

绕横向振动圆柱分离流动的数值研究

本文用由作者提出并发展的一种基于区域分解思想.综合了解N—S方程的有限差分法及涡法各自优点的新数值方法,研究了均匀流绕横向振动圆柱的分离流动,考察了圆柱振动对涡旋脱落,升力,阻力等的影响.成功地模拟了“锁定”这一重要的液固相互作用的非线性现象。计算结果与国外实验结果和其他计算结果符合较好。     

有限元与边界元耦合法在波浪力计算中的应用

利用有限元与边界元耦合法对三维无界区域中直立圆柱所受的波浪力进行计算,把整个求解区域分成内域和外域两部分,在内域采用有限元法,对外域采用边界元法计算,由加权余量法的理论知这种耦合在理论上是可行的,根据此耦合方法编制了完整的计算机程序,对海洋中直立圆柱的波浪力进行了分析.数值计算的结果与理论解吻合良好,表明该方法有效.     

Open-loop and optimal control of cylinder wake via electromagnetic fields

The experimental and numerical investigations on electromagnetic control of cylinder wake have been performed in this paper. Experiments were conducted in a rotating annular tank filled with a low-conducting electrolyte. A cylinder with an electromagnetic actuator mounted on the surface was placed into the electrolyte. Force measurements have been carried out by strain gages attached to a fixed beam to which the hydrofoil is suspended and flow fields are visualized by dye markers. Based on the Navier-Stokes equations considering the electromagnetic body force, i.e. Lorentz force, in the exponential-polar coordinates, the numerical investigations were carried out by means of an Alternative-Direction Implicit algorithm and a Fast Fourier Transform algorithm. Experimental results have shown the same tendency with the numerical results. For the constant Lorentz forces, called open-loop control, the vortex shedding was fully suppressed. Meanwhile, the weak street disappeared and the drag force was reduced. Based on the Navier-Stokes equations, an adjoint-based ensemble optimization of control algorithms was developed and adjoint equations in the exponential-polar coordinates were derived. The equations were solved by numerical algorithm as mentioned above. The evolutions of the flow field in the control process were discussed according to the calculated variable optimal interaction parameters.     

数值模拟电磁力作用下的椭圆柱绕流

利用格子Boltzmann方法(LBM),对电磁力作用下的椭圆柱绕流进行数值模拟,研究了电磁力椭圆柱绕流的影响,并且分析了曲线边界处理方法和曲线边界受力的计算方法,计算得到了不同强度的电磁力作用下椭圆柱绕流的流线,揭示了它的变化机理。结果表明:格子 Boltzmann method方法计算过程简单合理,而且电磁力能够改变椭圆柱绕流的边界层结构,抑制椭圆柱表面的流动分离,消除旋涡脱落。     

FMBEM求解直圆柱线性波绕射问题

运用快速多极子边界元法(Fast Multipole Boundary Element Method,FMBEM)求得单圆柱在线性波浪中的绕射问题的数值解.所谓的快速多极子边界元法就是采用快速多极子法(Fast Multipole Method,FMM)加速传统边界元法的求解速度.在文中通过求解二维的Helmholtz方程证明FMBEM法具有高精度和高效率,适用于求解大规模的数值问题.另外,给出了单圆柱线性平面波绕射问题中相关水动力学系数的数值计算结果.     

低雷诺数下附属棱柱的圆柱绕流减阻

目前圆柱绕流减阻方案的探索一直是绕流研究的热点,有关棱柱作为扰流柱对圆柱减阻效率影响的研究却较少.基于不可压缩黏性流动Navier-Stokes控制方程,利用OpenFOAM对附属棱柱下圆柱绕流问题进行数值模拟.在圆柱上游或下游设置双扰流棱柱,研究了雷诺数为200时不同角度、间距比的棱柱对其升力、阻力系数和涡脱频率的影响.结果表明:附属棱柱能有效改善圆柱表面的压力分布,降低压差阻力;上游设置棱柱时对圆柱的减阻效率可以达到37.21％,较下游设置棱柱的减阻效率更高;下游设置棱柱时对圆柱升力的抑制效率高于上游棱柱,可以达到99.86％;上下游同时设置棱柱时对圆柱升力、阻力的抑制效果能得到进一步提高,较单圆柱平均阻力系数可以降低54.63％,升力系数可以降低99.94％.