求解不可压缩流动的分步有限元格式

提出求解不可压缩 Navier- Stokes方程的分步有限元格式 ,该格式没有高阶微分项产生、程序编制简单 ,适用于非线性的多维复杂流动。应用该方法实际模拟了二维圆柱绕流的旋涡形成与脱落过程 ,得出了不同 Re情况下圆柱绕流的流速分布。计算得到的不同 Re下的旋涡脱落频率(Strouhal数 )与前人已有的经典解答符合良好     

圆柱-翼型干涉噪声特性研究

圆柱-翼型干涉噪声主要是用来模拟类似涡扇静子,或者风机静子的脱落涡打到转子上所产生噪声的现象。圆柱的脱落涡随气流流动,对下游的翼型冲击,产生非定常表面载荷,带来强烈的噪声。在全消声室风洞,对三种不同尺寸圆柱的圆柱-翼型干涉噪声的特性进行了试验与仿真研究。圆柱的尺寸直径分别为10 mm、15 mm和20 mm,翼型为NACA 0012翼型;流场计算采用大涡模拟(LES),声场计算基于FW-H积分方程。对比实验与仿真可知,圆柱脱落涡是典型的周期性卡门涡街,翼面相互作用是产生噪声的主要原因;试验得到三种不同直径的圆柱-翼型干涉纯音噪声的斯特劳哈尔数为0.19左右,与卡门涡阶脱落涡的频率一致;噪声远场为偶极子指向性;随着圆柱尺寸的增大,噪声的总声压级增大;低频噪声源主要位于翼型前缘,高频噪声主要由圆柱脱落涡引起。     

低雷诺数开缝圆柱绕流尾迹流场特性

为了揭示开缝对圆柱尾迹流场的影响,采用数值模拟方法对低雷诺数无限大流场中开缝圆柱绕流进行研究,以相对缝宽(即缝宽/圆柱直径)和开缝角为变量,斯特劳哈尔数、阻力系数和升力系数为特征参数,分析不同开缝条件下旋涡脱落和圆柱受力的演化过程。研究结果表明:圆周压力分布受相对缝宽和开缝角的影响较小,圆周压力最小点位置随相对缝宽和开缝角的增大而后移;当相对缝宽为0.1时,最大后移幅度为6.11°;边界层分离点随开缝角增大而后移,而边界层分离点随相对缝宽的变化则因开缝角范围不同而不同;随着开缝角增大,开缝圆柱所受阻力减小,当相对缝宽为0.1、开缝角为90°时,可减阻14.63%,升力先增加后减小,旋涡脱落频率增大。     

离散涡法模拟不同直径串列圆柱绕流

通过在势流场中嵌入有限数目的点涡来代表局部有旋区域连续分布的涡量,在拉格朗日框架下应用离散涡方法求解非定常涡量方程。从而有效模拟了高雷诺数下不同直径串列圆柱绕流脱落旋涡的动态演化过程,并分析了流场中大尺度旋涡相干结构对前后圆柱受力的影响．结果表明,流场中的小尺度旋涡会被大尺度旋涡卷吸．形成涡量强度更大的旋涡．当大圆柱在前、小圆柱在后布置时,大圆柱的升、阻力系数受影响较小,大圆柱阻力系数基本保持不变,小圆柱阻力系数平均值较小但振幅波动较大,大圆柱的升力系数波动较大,大、小圆柱的升力系数的平均值都基本为0;当小圆柱在前、大圆柱在后布置时,大圆柱阻力系数振幅增大而平均值降低,小圆柱阻力系数振幅减小而平均值增大,大、小圆柱的升力系数趋向于一致,平均值仍然都基本为0．     

基于声扰动方程的矩形柱绕流噪声数值模拟

为了研究低雷诺数下钝体绕流噪声,提出一种混合声学预报方法.采用声扰动方程(APEs)结合浸入边界算法(IBM)对矩形柱绕流噪声进行模拟研究.首先通过方柱绕流模型对混合方法和边界条件进行验证,然后讨论不同迎角下方柱的流噪声特性及0°迎角下矩形柱长宽比对声场的影响规律.结果表明:方柱绕流仿真结果与文献计算值符合较好,说明本文方法有效;随着迎角增加,声压级和声传播角相应变化,30°迎角下声压级较大;矩形柱的辐射噪声低于方柱辐射噪声,并随着长宽比增大逐渐减小,主要是因为尾流区形成卡门涡街的位置向下游移动,降低了尾涡强度和升力变化;矩形柱尾涡脱落和升力变化是主要的噪声源.     

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。     

脉动流条件下的圆柱绕流特性研究

为探究脉动流对流体绕流结构物产生的影响,采用数值方法研究了脉动流条件下圆柱绕流场特性,对涡量分布、升阻力系数、升力系数频谱特性等进行分析。结果表明:脉动流作用会使圆柱尾涡剪切层变薄,提高脉动频率使尾涡长度变短、脱离加快,提高无量纲脉动振幅使主导涡的脱落速度降低,使旋涡生成区域更靠近圆柱表面;脉动频率与无量纲脉动振幅的增大使升力系数、阻力系数的振幅均增大,而且与升力系数相比,阻力系数的振幅更大,变化更快;升力系数频谱图存在多个主频,包括旋涡脱落频率和相位叠加频率,其中旋涡脱落频率的振幅随着脉动频率的增加而减小,随着无量纲脉动振幅的增加而增加。在流场中加入脉动流,可以增强流体振动促进流动混合。     

不同三维柱型绕流的仿真分析

为研究不同柱型绕流的水动力特性,以三维圆柱和方柱为例,运用有限元仿真软件ANSYS Workbench,模拟仿真在雷诺数为2.0×104下中截面近壁面周向压力、平均阻力系数、平均升力系数以及斯特劳哈儿数等,并通过分析展向不同截面的旋涡脱落和尾流验证其三维特性,结果表明,圆柱绕流过程中,分离点是不变的,只是围绕一点作周期运动,方柱绕流过程中分离点不断变化在左右前角点之间周期变化;相同条件下,方柱的旋涡脱落频率比圆柱的旋涡脱落频率低,而尾流幅度比圆柱大;整个绕流过程有明显的三维特性,验证了分析三维模型的必要性。     

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。     

矩形管道内低雷诺数圆柱绕流尾迹演化特性

为了揭示有限管道壁面对圆柱绕流尾迹演化特性的影响,采用基于有限容积法的数值模拟方法,对矩形管道内雷诺数为100的三维圆柱绕流尾迹流场进行计算分析,探讨阻流比和长径比对圆柱表面和尾迹流场中压力分布的影响。研究结果表明:圆柱前、后驻点的压力系数受展向位置影响较大,后驻点压力系数与旋涡脱落状态有关;时均压力系数受管道端壁影响显著,沿前驻点至后驻点圆柱表面时均压力系数先减小后增大;在远离端壁一定区域内,尾迹流态为涡街;而在靠近端壁的一定区域内,尾迹呈现出近似双子涡形态;圆柱表面相同位置处的时均压力系数基本上随阻流比的增大而增大,随长径比的增大而减小。     

致密油藏有限元数值模拟

 目前数值模拟方法均基于达西渗流,无法对致密油藏非达西渗流进行有效模拟。致密油藏内在复杂,为实现致密油藏非达西渗流的科学模拟,建立了油水2相微可压缩非达西流的油藏数值模拟数学模型。同时考虑到致密油藏渗透率低、非均质性强的特点并兼顾模拟精度采用有限单元法进行离散,从而建立了有限元数值模型,形成了新的致密油藏数值模拟方法,最后将该方法进行实例检验,验证了方法的正确性。     

交通流理论与服务水平

提出了新的交通流连续性假设,引入了车域和定常交通流的概念,重新定义了交通流的动量,调整了交通流与流体流的比拟关系.以此为基础,建立了交通流的欧拉方程和考虑粘性的运动微分方程,得出了广义交通压力的定义.联立解连续性方程和考虑粘性的运动微分方程,得到了交通流参数之间的关系.提出了以量纲一交通压力评价道路服务水平的指标体系.最后,采用广州至深圳及广州至佛山高速公路实测数据对研究结果进行了验证.     

基于动力学理论的交通流微分方程

针对传统交通流微分方程在理论和实际应用中存在的问题,对交通压力进行了深入分析,指出交通压力是交通流与道路相互作用及交通流内部车辆间相互作用的共同结果;通过引入相对交通压力和相对动量概念,并根据动量定理思想,导出了基于动力学理论的交通流方程,获得了粘滞阻力项;考虑具体交通状况和条件,进而导出了格林希尔茨(Greenshields)方程和车辆跟驰模型。结果表明,基于动力学理论建立的交通流方程,基本概念物理意义明确,理论上具有较强的统一性和一致性。     

二维无旋超音速扩散对称流动控制方程及其特征线方程和相容性方程

通过改变止推气体轴承等间隙的流道结构,对变气膜厚度圆盘止推气体轴承中二维无旋超音速扩散对称流动控制方程进行推导,得出其特征线方程和相容性方程,对所得特征线方程和相容性方程用等间隙气膜内一维超音速流动的解析解进行验算.结果表明,当内点间距合适时,特征线法数值求解与解析解结果十分接近,推导的特征线方程和相容性方程正确.     

冰盖下层流速度场和温度场的理论探讨

冰盖下水流慢速流动时,大多数属于层流状态,尤其大体积水体流动时(如水库)更是如此。文章对层流条件下冰盖下输水时的N-S方程和能量方程进行了理论上的探讨,分析了冰盖下的水流速度场和温度场,结果表明,在概化的边界条件下,水流速度场是对称的抛物线分布,水流的温度场与水深的4次方成比例。     

含蜡原油管输的通用速度分布与温度分布

以控制流体流动的动量方程、能量方程和描述流体流动特性的本构方程作为基本方程组,对定壁面温度和定环境温度两种热边界条件下的含蜡原油圆管流动的速度分布与温度分布进行了解析求解.分析与计算表明:所得解析解普遍适用于含蜡原油的各种流变行为.当屈服应力τ0不等于零时,在管中心存在着柱塞流,柱塞半径r0与τ0成正比;在柱塞内,速度与温度沿径向呈均匀分布;在柱塞外,速度与温度沿径向呈曲线分布.通过实例计算,分析了流变参数对速度与温度分布的影响,为含蜡原油管输中压力损失和热力损失的准确计算奠定了基础.     

丁坝绕流机理及其下游流场的研究

本文分析了丁坝绕流机理,建立了二维流动模式.前人的研究及作者的试验资料均表明,丁坝下游流速分布呈自相似性.根据相似原理,Reynolds方程可转化为常微分方程,求解常微分方程得到二维湍流时均流场的相似解.宽浅明槽中的试验表明,该相似解所得结果与实测值比较吻合.此外,本文还对紊动粘性系数沿水流方向的变化作了简要探讨.     

盲肠回流泥沙运动机理初析

本文以实验观察得到的物理模式为基础,依据Plandtl边界层理论、湍流的半经验和统计理论,及有关旋转流体的特性,建立了描述盲肠口门处水流泥沙运动的系统数学模型。并运用分解协调技术和Blasius相似解思想,求得模型的分析解和近似分析解。文中论述了主副流动量交换、泥沙扩散、平面回流结构和立体环流结构等理论问题。在VAX/VMS系统上进行了数值模拟,结果表明,理论和实测资料符合得较好。     

沉沙池中水流流态的数值模拟

沉沙池是一种重要的泥沙处理工程措施,其作用是沉降含沙水流中有害粒径的泥沙。本文应用FLUENT软件对沉沙池的水流流动进行数值模拟研究,给出了沉沙池内水流运动的控制方程,采用Fluent软件求解了k—ε双方程模型,并使用Simple算法对速度进行了解耦,并采用湍流模型对沉沙池内的水流流态进行了模拟。结果表明：池内整个流场存在两个水流“死水区”,分别位于调流板进水口和出水溢流堰的下方,且都存在一个较大的回流区,水流缓慢;而沉淀区域的流态较稳定,有利于泥沙的沉降。     

低渗气藏水平井二项式产能方程修正

低渗气藏普遍存在启动压力梯度和应力敏感现象,而目前低渗气藏水平井二项式产能方程却未完全考虑这两个因素的影响,导致计算出的无阻流量出现较大偏差,单井合理产能认识不准。从低渗气藏渗流理论出发,在 Forchheimer 渗流方程中引入启动压力梯度和应力敏感系数,推导了含启动压力梯度和应力敏感的低渗气藏水平井产能修正方程。以川西某气藏岩芯实验数据和某水平井试井资料为基础,在考虑启动压力梯度时,采用修正方程计算出的无阻流量较常规二项式产能方程降低了9.44%;而在考虑应力敏感时,其无阻流量降低了35.08%;同时考虑两个因素影响时,无阻流量更是降低了43.41%;计算结果表明,运用修正后的方程计算的无阻流量与常规方法计算结果存在一定的差异性,建议使用修正的方法进行无阻流量计算与产能预测。