基于分子动力学模拟的流体剪切力学特性分析

考虑固体壁面对流体分子作用力的影响,建立了两平行壁面-流体系统的分子动力学模型,模拟了壁面切向运动对流体的剪切过程,分析了壁面速度对不同离壁距离流体层微观剪切力学特性的影响,研究了剪应变率、工作压力和温度对流体宏观剪切力学特性的作用规律.研究表明:受到分子无规则热运动的影响,不同离壁距离流体层的剪切应力呈现出波动变化状态,但随着流体剪切运动的增强,剪切应力的波动幅值逐渐减小;当壁面切向运动较大时,近壁层流体在运动速度上与壁面之间易出现较大的滑动,壁面-流体出现边界滑移;工作压力及温度影响着分子间距离,压力升高与温度降低都将减小分子间的距离,从而引起流体黏度与剪切应力的增大.      

下击暴流下立方体建筑物表面风压数值模拟

为研究不同湍流模型和壁面处理方法的组合对立方体建筑物在下击暴流风场中的风压系数模拟结果的影响,基于冲击射流模型建立下击暴流计算域,通过物理试验结果对模拟结果进行验证与对比分析.采用两种不同的网格划分方案,满足ANSYS-Fluent中对于不同壁面处理方法的壁面Y+值的要求.研究结果表明:在选用增强壁面处理情况下,剪切应力运输(SST)k-ω湍流模型在迎风面和背风面与试验结果符合较好,但是屋盖的模拟结果与试验结果相差较大;当选用标准壁面函数时,雷诺应力模型(RSM)展现出了与试验结果较符合的建筑物中线风压系数曲线.当模拟立方体建筑物在下击暴流风场中的表面风压时,相比其他湍流模型和壁面处理方法的组合,RSM湍流模型和标准壁面函数可以得到更好的数值模拟结果.     

LBM中基于半程反弹的统一边界条件研究

格子Boltzmann方法能够有效地模拟复杂流场的流体流动,边界处理方法的选择对于模拟结果的可靠与否起着至关重要的作用。本文基于半程反弹原理对插值格式的曲线边界条件进行改进,提出一种统一的曲线边界处理新方法,并与格子Boltzmann模拟中常用的几种曲线边界条件做了对比研究。模拟结果显示该方法的计算结果与理论解精确吻合。该方法提高了复杂边界的计算精度和数值稳定性,同时满足质量守恒约束,解决了曲线边界条件中常见的质量流失问题。     

壁面局部振动的二维管内流动分析

通过求解二维雷诺时均Navier-Stokes方程,对壁面局部振动的二维管内流场进行数值模拟,分析边界条件在不可压缩计算及可压缩计算情况下对壁面局部振动流动状态的不同影响.研究表明,在不可压缩计算情况下,总压入口条件相对于速度、质量流量入口条件限制少,壁面振动可同时影响振动壁面上、下游的流动参数.在壁面振动管道内,尽管马赫数Ma0.3,可压缩流体的流动现象是完全不同于不可压缩流体的.边界条件对于高频振动计算结果的影响比低频振动计算结果的小.因此,在模拟燃气轮机小幅高频振动叶栅的实际工程问题中,必须采用可压缩计算.在相对平缓、充分的入口段条件下,仍然可以采用常规模拟叶片绕流时的速度入口边界条件进行计算.     

压铸充型过程的SPH方法建模及数值模拟

基于欧拉描述的数值方法在求解压铸充型过程自由表面问题时存在一定困难.为提高自由表面数值模拟的准确性,建立了基于纯拉格朗日描述的压铸充型过程光滑粒子流体动力学(SPH)方法计算程序.引入Monaghan边界模型建立了型腔壁面边界条件,通过划分入流区域粒子和流体粒子满足了入流边界条件.采用所编制的程序计算了Schmid验证...     

不同边界条件对主动脉血流仿真结果的影响

主动脉血流仿真可应用于血流运动和部分心血管疾病形成原因分析和风险评价。该文基于核磁共振成像扫描重建的主动脉模型,通过磁共振相位对比成像测量主动脉及主要支脉的时间-流量曲线及血液动力学参数,讨论了不同边界条件下时间-流量曲线、时间-壁面切应力曲线、平均壁面切应力和震荡剪切因子的影响。结果表明:出口边界相对压力为0、采用拟合血流方程的入口条件等边界下计算结果与测量的实际血流曲线作为出口和入口边界条件计算结果差异较大,其中入口参数对壁面切应力、平均壁面切应力和震荡剪切因子计算结果影响较大,出口参数对出口时间-流量曲线影响较大。     

晶格Boltzmann方法模拟流体在三维圆管的流场

简要介绍了三维D3Q19晶格Boltzmann方法(LBM)及其常见几种的边界条件,并通过模拟有精确数学分析解的三维圆管的流场分布,证明了LBM方法可以精确模拟流场的分布,且算法简单、边界易处理、适合并行处理等,还给出LBM在不同边界条件和格子数的模拟精度.结果显示Mei等改进的曲线边界条件能够提高模拟精度,而反弹边界条件尽管算法简单且易处理,但模拟精度要低一个数量级.模拟中,应根据所取的弛豫时间和入口、出口之间的压强差选择合适的格点数,格点数太少影响模拟精度,太多不仅增加计算量,而且也不会提高模拟精度.     

方管内混合对流与管壁导热耦合换热的数值模拟

针对方管内空气混合对流时的流固耦合换热问题,提出将壁面导热作为边界条件进行处理的壁面导热与流动耦合简化计算方法,推导了计算公式,并采用SIMPLER算法进行了数值模拟.算法忽略壁面沿厚度方向的导热,假设管壁温度沿轴向一维分布,采用热量平衡法建立边界单元的能量守恒方程,将固体区域的导热简化为流体区域的边界条件,以提高计算的精度和可靠性.计算结果表明,受二次流影响,沿通道周向热量从加热面同时沿顺时针和逆时针方向迅速向两边传递,各壁面最大温差小于0.5℃,在轴向归一化长度为2～4时壁面轴向导热热流密度出现最值.平均Nusselt数Num随Reynolds数Re及方管倾斜角度θ的增大而增大,最优倾角在-30°和0°之间变化,但当Re＞1 500时,Num随θ的变化近似保持不变.计算结果与实验数据吻合良好,最大偏差小于±28.7％.     

管内脉动层流动力学特性研究

采用数值模拟方法对圆管内低频率脉动层流动力学特性进行了研究,分析了管内脉动层流速度以及流体剪切应力分布特性.研究结果表明:脉动层流中出现回流现象,且速度边界效应的范围与脉动频率有关.脉动频率越大,速度边界层范围越小,边界层内速度梯度越大.在边界层内,流体剪切应力的作用方向出现周期性变化.随着振幅A的增大,壁面剪切应力先增后降,然后再增,最后趋近于某一值.而管道压降随着振幅的增大最初变化并不明显,在A=0.6时压降急剧增大,而当A0.8时明显降低.综合考虑脉动频率和振幅对壁面剪切应力与压降的影响规律,存在最佳振幅,且最佳频率为0~2.5Hz.     

用格子Boltzmann方法模拟正弦曲线底边方腔内流动

采用格子Boltzmann方法数值模拟正弦曲线底边方腔内流动, 分析了格子Boltzmann方法处理曲线边界的特性.在曲线边界的处理中采用二阶精度的曲线边界处理方法, 将反弹格式和内插法相结合, 计算方法可靠、准确且易于执行.计算了流线图、等涡线图和涡心位置, 并分析了流场随Re数的变化.     

用格子Boltzmann方法模拟正弦曲线底边方腔内流动

采用格子Boltzmann方法数值模拟正弦曲线底边方腔内 流动, 分析了格子Boltzmann方法处理曲线边界的特性. 在曲线边界的处理中采用二阶精度的曲线边界处理方法, 将反弹格式和内插法相结合, 计算方法可靠、 准确且易于执行. 计算了流线图、 等涡线图和涡心位置, 并分析了流场随Re数的变化.     

近壁面网格尺寸对湍流计算的影响

采用不同的网格划分策略,利用FLUENT软件对长直圆管管内湍流进行数值计算.计算结果与半经验理论曲线的比较和分析表明,降低网格渐变率、提高径向网格数目以及调整壁面层网格的y 值均能够有效改善计算结果的精确性,而y 在其中起主要作用.针对同一网格划分策略,改变边界条件对计算结果精确性的影响相对较大,而改变模型引起的影响则相对较小,因此,不同边界条件应采取相应的网格划分策略尤其是选择合适的近壁面网格尺寸.     

无界域—维热平流热传导问题的解析人工边界条件

以核废料处置库近场环境的对流传热过程为研究对象,采用解析法,推导了无界域内一维热平流热传导过程的准确人工边界条件.针对饱和多孔介质的一维水流传热问题,考虑半无界域内的温度边界情况和无界域内的热流集度情况,分别采用准确人工边界条件和下游特定位置处的温度人工边界条件,利用有限差分法计算任意时刻的温度分布.通过与半无界域内一维水流传热问题的解析解对比,验证了准确人工边界条件的可用性和准确性.结果表明,采用温度人工边界条件计算时,如果传热时间足够长,则温度计算点离人工边界位置越近,计算误差就越大;相比之下,采用准确人工边界条件计算时,计算误差很小,并与人工边界的具体位置无关.     

煤矿主风机分支管路对风门湿度的影响

为研究煤矿主风机分支管路参数对风门结霜的影响,采用实验与模拟方法分析管路结构及泄露情况对风门壁面相对湿度的影响,利用FLUENT软件模拟由正交分析方法所确定的分支管路模型的压力与湿度分布的关系。结果表明:实验与模拟误差在7.7%以内,随着泄漏口宽度、斜管长度,以及斜管夹角的增加,风门壁面的相对湿度呈下降趋势;当直管长度为165 mm时,风门壁面相对湿度最大。优选分支管路的风门壁面最大相对湿度为64%,风门壁面未发生结霜。该研究为改善风门结霜现象提供了参考依据。     

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.     

基于OpenFOAM的周期性管内流动边界处理方法研究

为探究开源计算流体力学软件OpenFOAM中不同周期性边界条件处理方法的适用性,针对圆管内泊肃叶流动,分别在mapped,cyclicAMI,cyclic fan边界条件下开展数值模拟,对模拟得到的速度分布和压力分布进行分析.结果表明:3种边界条件设置下,数值模拟得到的速度分布均与解析解吻合,其中mapped和cyclicAMI边界条件下的数值解非常接近,且与解析解吻合更好;采用mapped边界能够得到与解析解符合的压力场,采用cyclic fan边界时在模拟区域进、出口存在很大的压力梯度,采用cyclicAMI边界得到的压力则恒为0.基于此,探讨了mapped边界条件下,数值模拟结果对计算网格的敏感性.研究发现:随着径向网格数目的增加,速度的计算精度先迅速提高而后趋于稳定;边界层层数的增加能够有效提高近壁区速度的计算精度;数值模拟时径向网格数目采用16个以上为宜,边界层层数不宜少于3层.     

预测气液两相分层流界面剪切应力的新方法

针对水平管气液两相分层流界面剪切应力的预测,建立了基于计算流体力学（CFD）方法的剪切滑移壁面模 型,即将气液界面处理为固定的具有均匀剪切应力的水平滑移壁面。利用FLUENT 软件模拟了气相流动,气液界面采 用剪切滑移壁面边界条件,通过对比实验测量的气相流场分布得到气速和界面剪切收敛值,并由收敛值拟合得到界 面摩擦因子与气相雷诺数的关联式。应用这一关联式的预测结果与实验间接测量值吻合较好,并且在气、液相雷诺 数9 4006ReG650 000 和21 0006ReL630 000 范围内优于Taitel 和Dukler 与Sidi-Ali 和Gatignol 模型。表明剪切滑移壁 面模型可以有效地控制关键参数,提高预测效率和精度,为CFD 方法预测气液两相分层流界面剪切应力提供了新的 思路。     

ANSYS中黏弹性人工边界实现方法

目的解决在大型商业软件中考虑土-结构相互作用时结构地震反应分析的黏弹性边界问题.方法利用combine14单元的黏性和弹性性能,将地震波作为外源波转化为边界节点的输入应力波,开发了一种基于黏弹性人工边界条件的地震波动输入程序.采用二维模型研究了单元尺寸、人工边界修正系数对边界模拟精度的影响.结果单元尺寸大小的选择应该满足一定的条件才能保证计算结果的完整性,不丢失地震波中的主要频率成分;人工边界修正系数的取值小于建议取值范围时,计算结果会发生明显的漂移,人工边界修正系数的取值大于取值范围时,在收敛前计算结果会有很大波动,导致模拟精度的降低.结论算例验证表明该边界条件精度满足要求,能够实现地震波动输入,且操作简便,易于应用.     

飞机后设备舱自然对流换热的实验与模拟

飞机后设备舱内换热是涉及自然对流与辐射换热耦合的复杂问题,选择合适的计算模型,利用CFD数值模拟进行计算分析是解决此类问题的简便方法.针对这一问题,搭建了一个可控热边界的实验台,通过实验测量了壁面温度等作为CFD数值模拟的边界条件,采用RNG k-ε湍流模型和DO辐射模型进行计算预测.通过对比实验结果与CFD模拟计算结果,发现RNG k-ε湍流模型能较好地预测封闭空间自然对流温度场和流场,自然对流换热和辐射换热分别占总换热量的89%,和11%,.     

瑞雷波数值模拟中的边界条件及模拟实例分析

应用2×12阶高精度交错网格有限差分法,建立震源位于地表时瑞雷波数值模拟的自由边界条件:同时,采用PML吸收边界条件以消除模拟时的边界反射.通过对均匀各向同性介质及2层介质模型的计算,验证所采用的自由边界条件和吸收边界条件的有效性及波场模拟的正确性.研究结果表明:模拟结果与解析结果相对误差在5%以内,并指出在同一精度下通过提高差分阶数比减少网格间距所需计算时间少.在2层介质模拟的基础上,对含有软弱夹层的3层介质进行模拟,得到更加接近实际情况的地震记录,频散曲线产生多个模式,并出现"之"字型回折.