采用无网格方法计算含大变形介质界面的可压缩多介质流动

采用动态无网格节点追踪自由边界的变形,建立了一套求解可压缩多介质流场的最小二乘无网格方法.将界面定义为具有双重含义的动态无网格节点集合.使用虚拟流体方法处理介质边界节点,构造界面两侧的虚拟节点,根据介质的种类将流场划分为若干个单介质区域.为抑制界面处流动参数的非物理震荡,采用局部界面Riemann问题解更新界面节点和虚拟节点的流动参数值.使用局部点云重构技术处理界面附近的动态点云.引入AUFS格式求解ALE形式Euler方程的对流通量.一维激波管和二维复杂大变形的多介质问题计算结果证明文中提出的动态无网格法是可行的,能够准确地追踪界面的复杂变形,并对界面附近的变形点云进行合理的重构.      

高精度HWENO格式与浸入边界法求解可压缩流问题

在物面边界处采用浸入边界法并构造三阶有限体积HWENO(Hermite Weighted Essentially Non-oscillatory)格式,可在较简单的笛卡尔网格上有效处理上述带复杂物面边界的可压缩流动问题。经典的定常和非定常数值算例验证了该方法的有效性。     

带浸入边界法的新型五阶WENO格式求解双曲守恒律方程

采用一种带浸入边界法的新型五阶有限差分WENO(weighted essentially non-oscillatory)格式在笛卡尔网格上求解含有复杂物面的双曲型守恒律方程。这种结构网格上的新型WENO格式因对计算网格质量依赖性较高,故一般不能直接应用于上述问题的数值模拟。而浸入边界法是一种能较好处理复杂物面边界的方法。将两种方法结合起来,可在笛卡尔网格上数值解决跨音速复杂流动问题,并用四个经典算例验证新型五阶WENO方法的有效性。     

具有动态接触边界自动识别功能的刚(粘)塑性无网格RKPM法

将刚(粘)塑性流动理论与再生核质点法(RKPM)相结合,提出了基于刚(粘)塑性不可压缩材料的无网格RKPM法.分别采用边界奇异权法和修正的罚函数法处理本质边界条件和体积不可压缩条件,根据刚(粘)塑性材料的不完全广义变分原理,推导了金属塑性成形过程无网格RKPM法数值模拟的刚度方程.将动态接触边界自动识别技术引入无网格法.最后,对金属塑性成形过程进行了数值模拟,并将模拟结果与刚塑性有限元商品软件Deform2D及实验结果作了比较.无网格RKPM法计算结果与有限元结果和实验结果均吻合良好,表明了该方法的正确性.     

用贴体正交曲线网格求解二维复杂几何域对流扩散问题

文章结合有限差分法和边界元法的优点,利用贴体正交曲线网格和有限控制体积积分来分析二维复杂几何域对流扩散问题.叙述了构作贴体正交网格的边界元技术,推导了通用微分方程形式下粘性可压缩层流流动动量方程和紊流流动时均动量方程的源项表达式,给出了曲壁通道内紊流流场的计算实例和实验测量结果.     

柱体绕流的自适应数值模拟方法

发展了基于四叉树数据结构的网格生成和流动的Navier-Stokes方程数值求解器。采用压力梯度或者密度梯度的绝对值作为网格自适应的控制参量,同时采用基于最小二乘法的无网格方法处理对于一般Cartesian网格难于处理的物面边界条件。采取了绕方柱流动和绕圆柱流动的经典二维定常和非定常层流算例对所发展的方法进行了验证。计算的结果验证了所发展的方法在处理绕流流动时的合理性和有效性。从而也为将来数值模拟具有较复杂几何外形的流动提供了一种网格布局合理、高效,边界处理简单易行的新思路。     

基于嵌入式迭代的高精度浸入边界法

针对传统浸入边界法施加边界条件精度不高的情况,将附加体积力的求解内嵌到压强泊松方程的迭代当中,提出了基于嵌入式迭代的浸入边界法.将所提出的算法应用到圆柱绕流数值模拟中,并与他人的实验值和数值解进行了对比,验证了所提算法具有较高的计算精度.分析了插值函数是导致浸入边界法高估圆柱阻力系数的原因,并对阻力系数进行了修正,修正值与采用贴体网格得到的结果非常吻合.比较了本文算法和传统算法的圆柱迎流侧驻点附近的速度矢量和圆柱周围的流线,证实了本文算法在施加边界条件方面的优越性.比较了两种算法的计算效率,迭代计算附加体积力所导致的额外耗时不显著.     

金属三维塑性成形过程无网格伽辽金法数值模拟技术

将无网格伽辽金法(EFGM)与三维刚(粘)塑性流动理论相结合,对EFGM在金属三维塑性成形过程数值模拟中的应用技术进行了研究.分别采用边界奇异权法和修正的罚函数法处理速度边界条件和体积不可压缩条件,采用反正切摩擦模型处理摩擦边界条件,推导了金属三维塑性成形过程EFGM法数值模拟的刚度方程,给出了关键算法.对长方体金属镦粗过程进行了数值模拟,并将数值结果与三维刚塑性有限元体积成形商品软件Deform3D计算结果作了比较.发现两者吻合良好,表明了本文方法的正确性和有效性.     

侧向挤压过程的耦合无网格-有限元法数值模拟

应用刚塑性耦合无网格-有限元法,对平面侧向挤压过程进行数值模拟.采用修正的罚函数法约束体积不可压缩条件,避免体积闭锁现象.采用边界奇异核方法,直接、准确地施加本质边界条件.针对侧向挤压工艺的特点,将无网格节点布置在变形剧烈的区域,充分发挥其处理大变形问题的能力;在变形较小的区域采用有限元单元,利用其较高的计算效率.数值模拟结果表明,该耦合方法对于侧向挤压这类局部成形问题的求解具有良好的效果.     

激波诱导气泡破碎过程的数值模拟

为了对可压缩多介质流动中介质界面的剧烈变化过程进行模拟,采用发展的含拓扑结构改变的大变形非结构运动网格生成方法处理介质界面运动导致的网格畸变及拓扑变化.采用Riemann解构造出Lagrange界面来显式地追踪多介质界面运动.采用改进型虚拟流体方法构造介质界面的边界条件,在介质界面两侧分别求解守恒型的任意朗格朗日欧拉方法方程.对空气激波诱导圆柱氦气泡破碎过程、水中冲击波诱导二维气泡破碎过程进行了模拟,结果表明:该文基于非结构运动网格的多介质界面追踪方法可以有效地处理界面运动引起的拓扑结构改变.     

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.     

挡水坝动水压力的一个有效解法

本文用加权余量法求解具有部分吸收库底边界时刚性坝的动水压力.在分析中,假设库水为无粘性可压缩液体,坝一水系统简化为二维问题,上游坝面的几何形状可以是任意的.数值算例表明,本文建议的方案对于分析复杂边界条件下的水动力学问题是十分精确和有效的.     

不可压缩流体周期性流动格子波尔兹曼的边界处理

提出了一种新的周期性边界处理方法,用于处理格子波尔兹曼(lattice boltzmann)方法中压力驱动不可压缩流体周期性流动的边界条件。当压力驱动的不可压缩流体充分发展时,可以在周期性截面上直接用压力梯度而不是采用当量体积力的常规周期性边界处理方法,来确定周期性流动截面上的粒子分布密度。应用所提出的压力驱动不可压缩流体周期性流动的边界处理方法,对二维压力驱动下充分发展的泊肃叶流(poiseuille flow)和周期性方柱扰流进行了数值模拟。结果表明:该周期边界条件处理方法能够很好地保持系统周期性,在其宏观的周期性边界截面上产生了连续的压力分布,真正地实现了直接压力驱动不可压缩流体周期性流动条件下的所有特征。     

大血管中血液流动的LBM模拟

真实的血液系统一般都具有复杂的几何边界.利用曲线边界条件构建二维血管中血液流动的格子Boltzmann模型,并对Poiseuille流和血液在肺部大血管中的流动进行了数值模拟,数值结果和解析解符合得很好,充分说明了该模型的有效性.所构建的模型可望进一步推广应用于具有复杂几何边界的一般流体系统运动的数值模拟.     

一维多介质流动问题的守恒型界面处理方法

开展了一维多介质流动问题的界面处理方法研究.通过求解level-set方程来跟踪界面的位置,移动界面附近网格保持界面与网格边界重合,在界面处构造和求解守恒型Riemann问题得到界面处流体的准确流动状态,并以此来计算界面处的数值通量,得到了一个新的守恒型界面处理方法.数值试验表明该方法能准确地捕捉界面和间断的位置.     

二维可压翼型绕流的新型无网格解法

根据一种新型的基于方向全导数的无网格方法,运用方向全导数公式构造样点的相应偏导数,并用该公式对第二类边界条件进行离散处理,这样不需要构造任何网格或单元,就可以对多种流动问题进行求解,所以是非常简便和彻底的无网格方法.通过求解两个可压缩流场中二维翼型的数值算例表明,该方法对于解决可压流场中的问题具有较高的精度.     

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.      

滑行艇阻力数值预报若干影响因素研究

针对滑行艇数值模拟中艇底出现异常水气分布的问题,研究了流体体积法(VOF)界面插值格式,网格类型、网格数目、时间步长等因素对滑行艇性能数值预报的影响,并提出改进措施.研究表明:当基于相同的结构化网格及计算设置时,采用几何重构界面插值格式预报滑行艇的阻力及底部水气分布最为准确,任意网格可压缩界面捕捉格式次之,修正的高分辨率界面捕捉格式最差.通过选择合理的网格类型及网格数目也可以改善滑行船体性能预报精度.SATR-CCM+采用多面体网格可以较为准确预报滑行艇体的流场和阻力.建议在滑行艇的阻力及流场预报中采用几何重构的VOF界面插值方式,减小时间步,选择多面体网格并进行适当的网格加密,这样可以提高水气界面捕捉的精度,减小阻力预报的误差.     

不规则区域中可压缩流动的数值模拟

将不可压缩流动的SIMPLE算法推广到可压缩流动的计算中。将二维直角坐标系和轴对称坐标系下的可压缩流动的控制方程用统一的方程式表达,在贴体网格中利用有限体积法进行离散,编制了通用的求解程序。对带有凸包的通道可压缩流动和轴对称坐标系下的马赫反射问题进行了数值模拟,得到的结果与相关文献中的结果吻合,表明了所提算法的正确有效性。     

非线性问题的再生核质点法

无网格方法是一种新兴的数值计算方法,它是有限元法的重要补充.有限元法在许多特殊问题,如高度大变形问题、动态裂纹扩展、几何畸变、不连续问题等方面难以处理或不能解决.对再生核质点无网格方法的理论进行了研究,通过修正配点法实现其本质边界条件,将其应用到非线性问题的数值计算,通过自编程序对实例计算的结果表明,再生核质点法及本文对其本质边界条件的处理在求解非线性问题中是有效、可行的,结果精度高、收敛快.