计算流体力学的发展及应用

计算流体力学是流体力学的一个分支.它用于求解固定几何形状空间内的流体的动量、热量和质量方程以及相关的其它方程,并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关信息,是分析和解决问题的强有力和用途广泛的工具.对计算流体力学的发展和应用进行了综述并对其发展趋势做了探讨.     

电致流体运动的计算机模拟

近年来,电流体力学(Electryhodrodynamics,又称 EHD)已成功地应用于液态离子源技术。但由于缺乏相应的电流体力学分析方法,尤其是能够解决工程实际问题的数值分析方法,因而不能对电致流体运动给予直观的、定量的描述。本文以流体力学运动方程为基础,讨论了电流体力学的方程体系。重点分析了电场力与流体表面张力对流体运动的影响,并应用标志网格法(Marker and Cell)建立了电致流体运动的计算机模拟程序。计算了圆管流体在外电场与表面张力作用下的流动情况。计算结果与文献[9]的实验观察结果一致。     

基于图卷积循环网络的非定常周期性流体流动预测

基于纳维-斯托克斯（Navier-Stokes, N-S）方程的计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）数值模拟是研究非定常周期性流体流动问题的常用方法之一，但其计算需占用大量时间。针对N-S方程求解CFD过程费时的问题，本文提出一种基于图卷积循环网络的非定常周期性流体流动预测框架，实现流体流动状态的快速预测。文中输入历史流体流动数据，通过图卷积循环网络学习非定常周期性流体流动的物理过程，预测流场变量分布。结果表明，基于图卷积循环网络的预测模型可以准确预测流体力学规律，其在流速、涡旋、压力等流场变量预测方面均具有较好表现。相比于传统N-S方程求解方法，采用图卷积循环网络预测速度提高了5倍以上，为流场变量的预测提供了一种新方法。     

伯努利方程应用探讨

伯努利方程是流体力学中的一个重要公式,对于不同的流体流动方程的形式不同,本文分析并给出了不可压缩流体、可压缩气体和粘性流体的伯努利方程。     

基于旋转弱耦合与强耦合计算方法的大型汽轮发电机转子流体场与温度场研究

针对大型空冷汽轮发电机转子旋转状态下,转子内部流体流量和转子线圈温度难以准确测量的问题,对转子内部流体流动规律和温度分布进行了流体场和温度场研究.以一台100MW空冷汽轮发电机为例,建立了三维流体与传热耦合计算模型.基于旋转弱耦合与旋转强耦合两种有限元计算方法,对该发电机的转子进行流体场和温度场计算.弱耦合计算方法主要根据流体流动的伯努利方程与计算流体力学相关方程联合求解,强耦合计算方法主要通过计算旋转流体力学方程求解.研究了转子额定励磁电流,转速3 000r/min时,转子内部通风道流体温度与转子绕组温度的相互关系.并将两种计算方法对同一转子的流体流量和线圈温升结果做了对比分析,最后将两种计算方法所得的转子线圈温度计算结果与试验实测结果对比.结果表明:弱耦合计算方法与实测值误差为4.6%,强耦合计算方法与实测值误差为2.6%,两种计算方法均能满足工程计算的误差要求,旋转强耦合计算方法计算精度高于旋转弱耦合计算方法.     

１３—Ｂit多速格子气自动机模型的理论分析与模拟

运用流体离散运动论方法对１３－Bit多速正六边形格子气自动机模型进行了理论分析,在由格子Bolytzmann方程求得矩方程的基础上,根据Chapman-Enskog展开方法,导出了该模型的宏观热流体力学方程,从理论上证明了所建地于热流体力学问题描述的正确性。并给出了平板非等温流体绕流动现象的模拟结果。     

对连续性方程的讨论

本对流体力学中的连续性方程作了较全面、深入的讨论。本先严格推出连续性方程的一般形式，进而讨论一些特殊情况下的连续性方程形式，如液体的稳恒流动、非稳恒流动、不可压缩流体、可压缩流体、均质流体、非均质流体等。对于连续性方程的物理意义，一般教科中说法不一，常使人产生误解，本通过推证给出了连续性方程明确的物理意义。     

基于FW-H方程的飞机低速构型气动噪声计算

由流体力学Navier-Stokes方程导出的非齐次波动方程———Ffowcs Williams-Hawkings方程(以下简称FW-H方程),可以精确描述在静止流体中运动物体与流体相互作用的发声问题.以FW-H方程为理论依据,采用混合方法:近场声源区采用CFD求解,获得流场信息;远场声传播区采用自主开发的声场计算程序求解三维FW-H方程时域解,计算得到观察点频谱图和总体声压级.     

化工计算传质学的一个改进模型

计算传质学模型由浓度输运方程及其封闭方程和相应的计算流体力学模型组成。使用这一模型可同时计算出湍流传质扩散系数、三维浓度场和速度场分布。但刘伯潭提出的传质封闭方程c^2^--εc模式，形式复杂而且其模型常数均直接借鉴于传热研究；此外，由于计算流体力学模型对最终浓度场的预测结果有着重要的影响，所以有对其进一步改进的必要。文中对传质封闭方程进行了简化并重新确定了模型常数，而且对计算流体力学模型进行了改进使其预测结果与文献中的实验值符合得更好。通过与文献中的湍流传质扩散系数及浓度值的比较，证明了这一简化的可行性。     

对不可压缩流体连续性方程的讨论

经典不可压缩流体数学模型的建立,是近代理论流体力学的基础。但是当时的数学工具的不完善,不可压缩流体模型的建立存在一些假设。本文针对不可压缩流体的连续性方程存在的一些问题,运用数学分析工具进行了数学上重新的分析和推演。所作的分析仍然是在经典流体力学基本框架上,在连续介质和局部平衡假定下[1]的基础上,从逻辑推演的角度对不可压缩流体连续性方程的定义作了一些有益的探讨。     

结构块域贴体坐标网格的数字生成

本文在单一矩形变换域巾体坐标网格生成方法的基础上，提出了结构块域贴体坐标网格数字生成方法，很好地解决了复杂几何形状，以及复杂拓扑结构的物理域变换问题，也为计算流体力学实施并行算法提供基础。     

四边形网格上Darcy-Stokes耦合流动问题的非协调稳定化有限元法

耦合的Darcy-stokes问题在工程和实际应用中有着重要的应用,成为了计算流体力学和计算数学等领域的研究热点.对该问题满足稳定条件的协调有限元构造复杂不利于计算,因而对Darcy-Stokes耦合流动问题提出了一个在四边形网格上的非协调稳定化有限元逼近法.该方法在整个区域上利用P1非协调有限元进行离散.证明了这种方法的一致稳定性和离散问题解的存在唯一性,最后给出了误差估计.     

理想轿车车身的三维数值计算与实验比较分析

以计算流体力学（CFD）为基础,采用有限容积法模拟计算了轿车车身的外部流场,三维理想轿车车身空气动力学特性参数的数值模拟结果与风洞实验数据吻合较,表明数值模拟研究汽车空气动力学特性是切实可行的。     

钢箱梁桥的抗风问题及其对策研究

以日本名古屋矢田川三跨连续钢箱梁桥为例，通过风洞试验与计算流体力学（CFD)分析方法研究了主要宽高比小于2的大跨度梁式钢桥的抗风问题。研究表明，此类桥梁存在高风速区的大振幅自激性涡振及驰振机制，应引起足够的重视，采取必要的减振措施，并对几种减振措施的作用进行了较为深入的研究。     

地铁火灾的盐水实验与计算机数值模拟

为了认识地铁火灾烟气的流动规律，达到为消防设计提供相关资料并采取合理消防措施的目的，采用缩尺盐水实验与计算机计算流体力学数值模拟相结合的方法对地铁火灾进行研究．研究受限空间火灾烟气运动的手段主要有全尺寸火灾实验、小尺寸模拟实验和计算机数值模拟3种．实验模拟了列车着火和站台着火2种情况，得到了地铁火灾的烟气流动规律，比较并分析了计算流体力学数值模拟与盐水实验得出的烟层无量纲高度和无量纲时间．计算流体力学数值模拟与盐水实验得到的烟气到达楼梯口所需时间相差为1．5—2s，到达远侧楼梯口所需时间相差7．2s．二者之间存在着一定的误差，但误差不大．同一时刻，数值模拟比盐水实验得到的无量纲烟层高度高0．1左右，变化趋势一致．结果表明，实验条件选取合理，方程模型选用和边界条件设置恰当，盐水实验与计算流体力学数值方法模拟地铁火灾均是可行的．     

机翼气动结构多学科设计优化研究

为解决大展弦比机翼气动和结构学科的耦合分析及优化耗时问题,采用高精度计算流体力学(CFD)与计算结构动力学(CSD)模型耦合分析的方法,得到耦合分析后最终真实变形情况下的应力状态和气动力性能,指出大展弦比机翼气动结构耦合分析的必要性.对自适应响应面法进行改进,提出一种基于模糊聚类自适应径向基的全局优化策略,研究了该策略的全局寻优能力和优化效率.运用该优化策略对考虑气动结构耦合分析的大展弦比机翼结构进行多学科设计优化研究.研究结果表明该气动结构耦合分析方法可行有效,并且该优化策略提高了优化效率.     

变转速对旋翼悬停气动性能影响的试验与分析

为研究转速变化对旋翼悬停性能的影响,通过旋翼计算流体力学方法建模分析和缩比模型旋翼台试验的方法,以自研无铰式刚性旋翼为对象,研究了旋翼转速对悬停性能的影响规律。结果表明：基于运动嵌套网格和非定常流场求解建立的旋翼计算流体力学方法对悬停状态的气动性能计算精度较高,最大误差为6.84%;模型旋翼试验数据有效,具有良好的重复性;转速降低后相同总距对应的拉力系数更小,悬停效率拐点对应的拉力系数更大;拉力越小,变转速所节省的功率越明显,低拉力时可节省超过40%需用功率。可见改变转速可以显著提升悬停状态的旋翼气动性能。     

Explicit analytical solutions of axisymmetric laminar natural convection along vertical tubes

There are many natural convection processes in various fields, and it is still valuable to investigate the fluid dynamics and heat transfer of natural convection. The analytical solutions are meaningful in both theoretical investigation and practical applications. Specially, they can be used as the benchmark solutions to check the numerical solutions and to develop numerical differencing schemes, grid generation methods and so on. Two explicit analytical solutions of axisymmetric steady laminar natural convection along a vertical tube with porous wall and between two vertical concentric tubes are derived for better understanding of the flow and heat transfer as well as promoting the computational fluid dynamics and computational heat transfer.     

阳极焙烧炉燃烧室三场动态仿真

采用计算流体力学、传热学与燃烧学的原理和模型,利用英国ＡＥＡ公司开发的一种实用流体工程分析软件ＣＦＸ－４．１Ｃ在ＤＥＣ－Ａｌｐｈａ２５０工作站上进行计算,得到了阳极焙烧炉燃烧室中的准动态流场、温度场和浓度场,为阳极焙烧炉结构和操作参数的优化提供了较准确、快速且经济的研究手段．     

基于松耦合法的求解气动弹性问题的数值模拟方法

通过修改流体-结构界面处流体域的边界条件并引入松耦合方法，改进了一种求解气动弹性问题的数值计算方法．该数值计算方法的网格生成、流场求解、结构求解和数据交换四个过程相互独立，因而有可能利用现有的发展比较成熟的商用网格生成器、CFD（computational fluid dyllamics）求解器和CSD（computational structural dymrmcs）求解器分别完成这些功能．通过对折减阻尼比为0．0208的圆柱涡激振动问题在雷诺数为100条件下的计算结果进行分析，表明该方法是可行的．