浸入边界-格子Boltzmann模型耦合网格比数值特性

 为对浸入边界-格子Boltzmann方法框架(IB-LBM)下浸入边界点数量的设置提供依据,本文采用雷诺数Re=40和100下的圆柱绕流作为理论验证模型,对不同耦合网格比CRG(Coupling Ratio of Grid)下的计算稳定性进行研究。分别采用D_p4-p(4-point Piecewise Delta)函数和D_c4-p(4-point Cosine Delta)函数作为平滑函数,通过分析Re=40圆柱绕流充分发展后的流线分布、尾涡长度和阻力系数等指标,获得了在D_p4-p下CRG的相对稳定范围大致为0.2—2之间,在D_c4-p下相对稳定范围大致为1.5—2之间。在Re=100下,通过细分CRG对圆柱绕流进行计算,对照阻力系数的变化,与Re=40时的情况基本一致,表明D_p4-p有更宽的稳定取值范围,这为IB应用过程中合理选择Delta函数及相应的CRG取值提供了参考。     

双拉格朗日模型模拟气固两相双圆柱绕流

以湍流剪切层中大尺度旋涡结构与颗粒群的相互作用及运动规律为研究对象,提出了一种基于离散涡方法与颗粒碰撞模型相耦合的双拉格朗日气固两相流模型.用次循环调整颗粒运动计算的时间步长,将两相计算耦合在一起,从而解决了离散涡方法求解单相流场与颗粒运动方程的时间相容性问题.首先用颗粒在兰金涡中的运动验证了所提的算法,随后将该方法应用于高雷诺数湍流旋涡结构中的颗粒水平输运过程研究,模拟了圆柱尾迹中颗粒的沉降过程及其被旋涡卷吸、扬起和团聚的过程,说明在有大尺度旋涡存在的流场中颗粒更容易被流体向下游榆运.当来流速度与重力方向一致时,颗粒分布特性受颗粒Stokes数(St)影响.当St小于1时,颗粒响应流场变化的时间短,随St增加颗粒对流场变化的响应变得迟钝,重力所起的作用更加明显;当St远远大于1时,颗粒的分布几乎不受旋涡的影响,而与自由沉降的分布十分接近.     

基于格子玻尔兹曼方法的多型绕流数值模拟

格子玻尔兹曼方法作为一种新颖的计算流体动力学方法,能够模拟多种复杂的流体问题.本文简要介绍了格子玻尔兹曼方法基本理论与它最重要的LBGK模型及其边界条件.应用格子玻尔兹曼方法对6种不同形状的障碍物以及同一障碍物分别在3种不同雷诺数下的绕流进行了数值模拟计算,得到了多种形状障碍物绕流在同一时刻的速率分布和涡量分布;对圆柱绕流在一个脱落周期内的变化进行了分析;对棱柱在不同雷诺数下的绕流速率与涡量分布进行了对比.结果表明,格子玻尔兹曼方法计算稳定可靠,效率高,是计算流体动力学强大的数值模拟方法之一.     

两相流方柱绕流的离散涡模拟

运用离散涡方法对流体的方柱绕流进行了数值模拟,对涡团与颗粒相互作用条件下的流固两相绕流进行了计算,并探讨了不同初始位置处颗粒运动对尾流的形成所起的作用.研究表明,尾流中聚积的颗粒主要来源于方柱两侧,来流中夹杂的颗粒多与方柱两侧涡团作用并在方柱两侧聚积.模拟方法将对航天领域中非线性剥蚀问题的解决具有促进作用.     

圆柱绕流的离散涡数值模拟

首先用面元法模拟了圆柱绕流的势流解,得到了多个圆柱不同配置下的流线图.在此基础上按照一定分离规则引入点涡,就可以用离散涡方法很好地模拟多圆柱绕流.先后得到了流场的流型、涡量等值线图、速度矢量图和阻力升力系数.结果表明单圆柱和双圆柱后的流场有相当大的差别,后者的流型、速度矢量分布都发生了很大的变化,阻力和升力系数也显著增大.     

涡方法数值模拟高雷诺数圆柱绕流

圆柱绕流问题是二维物体粘性绕流的基本问题.二维N-S方程的各种差分求解格式往往难以用来实际计算高雷诺数流动问题。80年代中期以来,Stansby等发展了70年代初Chorin提出的随机点涡法,用网格涡方法计算点涡的对流速度,大大减小了计算量,笔者采用Stansby等发展了的随机点涡法,对雷诺数2000的圆柱绕流进行了数值模拟。     

一种基于表面涡方法的流体诱导管束振动计算模型

为了研究热交换器中管束的流体诱导振动问题,提出了一种基于表面涡方法的圆柱绕流计算模型,包括分离点计算模型和流固耦合模型.利用这一模型,分别模拟了Re为2.67×104时单个刚性圆柱和弹性圆柱的流体诱导振动问题,并计算了圆柱的振动响应、流体力、振动频率和涡云图等.计算结果反映了流体绕刚性圆柱流动的主要特征,以及弹性圆柱流体诱导振动的限幅和非线性(共振区)特性,所得到的平均阻力系数、升力系数、斯德鲁哈尔频率和最大振动幅值与相关文献中的实验结果具有很好的一致性.该模型具有简便、快捷以及能够对亚临界雷诺数下的流体诱导振动问题进行计算等优点,为多圆柱流体诱导振动问题提供了一种新的计算模型.     

弹簧压并状态下悬架减振器绕流涡旋特性分析

为研究汽车行驶过程中减振器弹簧压并状态下翼子板内流场特性的变化,将该状态下的减振器简化为三维变截面圆柱模型,并建立变截面圆柱绕流三维流场模型,利用Transition SST四方程转捩模型模拟低、中、高3种车速对大、小圆柱绕流涡旋特性的影响.结果表明:绕流后尾涡的大小、形态、上升角均受圆柱直径、雷诺数及边界条件的影响,在变截面处验证“下洗”运动对N区边缘涡生长的直接作用及对L区涡旋分布的干扰作用;3种流速下适合绕流涡旋振动压电能量回收的最优夹角分别为±10°,±15°,±20°;在有界的高雷诺数流场下对变截面圆柱绕流涡旋重新分区,发现新的涡旋连接方式.     

离散涡法模拟建筑物绕流流场

应用离散涡数值方法对高雷诺数下建筑物绕流流场进行了数值模拟，得到了不同相对位置、相对距离的建筑物在不同来流方向的分离流场和涡量分布，总结出受建筑物影响的流函数变化规律，取得了较为合理和可靠的计算结果，说明离散涡方法是研究建筑物的绕流问题的有效手段     

阻流比对平行壁面间圆柱绕流尾迹演化的影响

为了揭示阻流比对圆柱绕流尾迹演化特性的影响,采用多块O型网格,对低雷诺数下较宽阻流比范围的平行壁面间圆柱绕流进行数值模拟研究,讨论不同阻流比下壁面对圆柱绕流尾迹形态和尾迹转捩的影响,得到尾迹转捩临界雷诺数、双子涡和旋涡脱落的特征参数。研究结果表明:圆柱绕流尾迹转捩和尾迹形态受阻流比影响显著,尾迹转捩的第一、第二临界雷诺数随阻流比而增加,当阻流比超过临界值后,尾迹中出现2个附着于壁面的回流区;斯特劳哈尔数和阻力系数均值随阻流比而增加,而升力系数均方根在不同阻流比范围内则呈现出不同的变化规律。     

考虑黏性及压缩效应的旋涡运动特性

采用扩散速度法处理黏性作用项的离散涡法,数值模拟了旋涡在黏性不可压流场中的运动;推导了可压缩流中的旋涡运动方程,对不可压缩流中的Biot-Savart方程进行了可压缩修正,进而用离散涡方法求解出非定常、不稳定、可压缩流场中的旋涡运动。分析了胀量及黏性扩散作用对旋涡运动的影响,通过大量长时间行为的数值试验得出了一系列结果。结果表明：为了真实地反映旋涡在实际流体中的运动规律,必须考虑黏性及压缩性的影响。     

超临界雷诺数下圆柱分离旋涡运动的数值研究

本文在文献[1]的基础上,用离散涡模型与湍流边界层理论相结合的方法,研究了超临界雷诺数下圆柱突然起动后的分离旋涡运动。文中考虑了二次涡的影响和涡旋的粘性扩散。计算结果与实验结果相符。     

方柱绕流粒子图像测速试验与数值模拟

采用粒子图像测速设备PIV (particle image velocimetry),进行了雷诺数为2.2×104的方柱绕流试验,与公认的采用LDV (laser doppler velocimetry)的试验结果吻合较好,验证了本风洞中PIV试验系统的有效性.在进一步的比选中,通过计算方柱的阻力系数和斯特劳哈尔数以及流场的速度剖面和湍动能剖面,比较了几种常用湍流时均模型的计算结果与试验结果的差别.结果表明,采用基于剪应力传输的湍动能-耗散率模型(k-ω SST),能够得到与试验吻合较好的计算结果.     

气固两相圆柱绕流背风区颗粒的运动特性

为了考察颗粒在圆柱绕流背风区中的运动特性,采用欧拉双流体模型结合雷诺应力模型对气固两相微细颗粒圆柱绕流进行了数值模拟。比较了不同粒径固体颗粒在圆柱背风区中的速度和浓度分布,模拟结果表明:气流在绕圆柱流动后形成漩涡,漩涡湍流强度影响到微细颗粒在圆柱背风区的浓度分布与速度变化;气流对颗粒的漩涡卷吸作用及其自身惯性作用决定微细颗粒绕圆柱流动的形式,同时影响到颗粒在壁面附近的浓度分布;微细颗粒在圆柱背风区浓度随粒径的增加先增大后减小。     

用Lattice Boltzmann方法模拟方柱绕流

用Lattice Boltzmann方法模拟了两种情况下的方柱绕流：方柱位于流场的边壁和方柱位于流场的中央。在第1情况中，分析了流场的流线、速度矢量分布以及方柱后面绕流形成的回流区长度随Reynolds数的变化曲线；在第2种情况中，除了给出稳定时流场的流线、速度矢量分布和压力分布以外，还模拟了Re＝150时方柱后面形成的周期旋涡现象。两种情况下的计算结果与其他文献中的计算数值和试验数据是一致的。     

壁面加热对微圆柱漩涡脱落的影响

建立二维数学模型,对比研究了低雷诺数下（0~100）壁面加热对直径分别为2 cm、20 μm及2 μm的微圆柱漩涡脱落的影响规律。深入探讨了直径、壁面与流体温差对圆柱绕流中漩涡生长和脱落规律、尾流区速度、温度场及涡街参数分布等的影响规律及其原因,并基于计算结果拟合出了低雷诺数下斯特劳哈尔数（Sr)与雷诺数（Re)的定量关系式。研究发现当圆柱直径降至2 μm时,与常规尺度圆柱相比微圆柱尾流区涡街的出现明显提前;而壁面加热减小了三者的差距,使三种不同直径圆柱背风区涡街出现的最低Re均降至40以下。微圆柱涡街的漩涡列距和间距之比h/l的值随着温差的增加而逐渐增大;相同温差下不同直径圆柱尾流区涡街h/l均随Re增加而减小,在相同Re下h/l值随圆柱直径的减小而明显增大。存在壁面加热时微圆柱绕流的Sr要高于无加热工况,两者之差最高可达20%左右。     

可压缩轴对称冲击射流流场的数值模拟

数值模拟一种可压缩轴对称冲击射流。所构造的数值模拟方法是:直接求解柱坐标系下的二维可压缩Navier-Stokes方程的差分离散方程,其中对流项采用基于非等距网格上的五阶精度迎风紧致型差分格式,黏性项采用基于非等距网格上的六阶精度对称紧致型差分格式,时间项采用3步三阶精度Runge-Kutta方法。模拟不同雷诺数、马赫数条件下冲击射流大尺度涡结构的演化过程。结果表明:流体从喷嘴射出后卷起形成一个独立的大尺度负涡,即初生漩涡,它会在壁面处逐渐激发出一个具有正涡量的壁面二次生成涡;初生漩涡和二次生成涡互相旋转挤压,壁面二次生成涡的力量很快占优势,带动初生漩涡向流场内部发展;随马赫数的增大,初生漩涡具有更强的力量,抑制了壁面二次生成涡和其他小尺度负涡的发展;随雷诺数的增大,初生漩涡的力量有所减弱,促进了壁面二次生成涡和其他小尺度负涡的发展。     

应力偶对滑动轴承热流体动力学特性的影响

研究了应力偶对有限长滑动轴承热流体动力特性的影响。推出了基于应力偶流体模型的油膜能量方程 ,并与应力偶流体的 Reynolds方程、轴瓦热传导方程一起联立数值求解 ,得到油膜的压力分布 ,油膜及轴瓦的温度分布 ,比较了 Newton流体和应力偶流体对轴承压力分布、温度分布及轴承承载力所产生的不同影响。结果表明 :应力偶流体在明显增大油膜压力的同时 ,也使轴承最大温度略有升高     

旋流快分器内气相流场的实验与数值模拟研究

用智能型五孔探针对催化裂化沉降器带筒状物的旋流快分系统(在旋流头上插入了一个筒状物)内的气体流场进行了测试。应用CFX软件,采用应力输运方程模型对系统内气相流场进行了三维数值模拟,以考察适合该旋流快分系统内流场模拟的湍流模型。结果表明,模拟结果与实验数据吻合较好,应力输运方程模型适用于带筒状物的旋流快分器内三维流场的数值模拟。系统内流场为三维湍流场,内插一个筒状物后,消除了旋流头喷出口附近的短路流,更有利于提高旋流快分器的分离效率,但在内插筒状物的底部附近还存在短路流现象。