数值模拟圆柱统流旋涡生成、分离及演化

本文应用有限差分方法求解涡量－流函数形式的Ｎ－Ｓ方程，数值模拟了圆柱瞬时起动后流动分离，旋涡生成、脱落以及随时间推进涡街产生和长期非定常演化过程，包括对称涡的生成，二次涡形成的α结构及卡门涡街等．本文方法效率较高，数值模拟结果与实验结果吻合较好，可推广到模拟其他复杂钝体在中等或高雷诺数下的非定常绕流问题．     

基于深度强化学习与流固耦合技术的鱼类自主游动行为模拟

鱼类自主游动的模拟问题一直是仿生学、鱼类行为学以及生态水力学等诸多学科共同关注的重要难题。作者建立了一种基于流固耦合数值模拟技术与深度强化学习算法的智慧鱼体自主行为决策平台，可以实现鱼体在不同周围环境条件下以最优决策方案完成游泳任务。该平台采用深度强化学习算法实现鱼脑功能，模拟其不断学习和最终决策；通过浸没边界-Lattice Boltzmann方法对流场及鱼体运动进行实时模拟，可为鱼体提供丰富的训练样本并执行鱼脑决策。基于该平台对鱼类典型捕食运动以及卡门游动进行训练并分析其训练效果。仿真结果表明，在捕食游动问题中，具有不同初始位置偏角的鱼体均能以最优轨迹到达目标点；在卡门游动问题中，鱼体能自主调节尾拍频率，使之接近涡街脱落频率，进而从卡门涡场中吸收能量，以稳定步态在涡街中运动。在鱼类自主游动问题的研究方面，该决策平台较传统物理实验具有更强大的复杂流场适应性，并可为水利工程、生态环境工程等领域的数字孪生提供技术支持。     

圆柱绕流远场涡对的数值模拟

基于离散涡方法求得非定常、不稳定流场,数值模拟了三种不同时刻高雷诺数下圆柱绕流结构的发展,从流谱图、等涡量线图和涡谱图可以清晰地看出从近场的初生卡门涡街,过渡到远场的二次涡街的过程,计算结果发现：远场离散涡有形成二个涡的涡对及三个涡的涡对的趋势,计算结果说明了流体运动中涡对结构的本质：由于来流是均匀的,没有加入任何拔动,当流体流过钝体时产生具有剧烈分离的不稳定流动,因此在远场形成的二次涡对及卡门涡     

仿生机器鱼自主游动的数值计算方法与机理

基于计算流体力学(CFD)方法建立了鱼体-流体耦合的三自由度(3-DoF)自主游动计算模型,对仿生金枪鱼模型从静止开始到稳定巡游的过程进行了模拟.计算结果表明:在巡游阶段前进速度的周期平均值非零,而侧向速度和艏摇角速度的周期平均值为零.鱼体前部始终产生阻力,鱼体后部在巡游阶段能够产生少量的推力,而尾鳍始终产生较大的推力.鱼体表面压力分布表明在尾鳍前缘的左右两侧,周期性地交替出现高压和低压区是尾鳍产生较大推力的原因.在加速阶段尾鳍的脱落涡强度大,一个周期脱落的两个涡相互挤压在一起;在巡游阶段鱼体产生的涡和尾鳍产生的涡融合在一起脱落到尾流中,形成反卡门涡街,使得尾鳍有效地吸收鱼体产生的涡中的能量,减少功率消耗.     

密度分层流体中带尾喷拖曳球动量尾迹演化特性实验

采用带L型尾喷管拖曳球方法,模拟水下航行体艇体与冷却水排放等产生的阻力与射流动量尾迹,实验研究了这种组合式动量尾迹在密度分层流体中的演化特性.研究表明,当JD/J〉CD时,这种组合式动量尾迹的演化特性主要受拖曳球阻力动量尾迹控制,形成正卡门型准二维偶极子涡街结构,其中JD为拖曳球产生的阻力动量流量,J是L型尾喷管产生的射流动量流量,CD是球体阻力系数;当JD/J〈CD时,这种组合式动量尾迹的演化特性与（Rej,Frj）的组合条件密切相关,主要受射流动量尾迹控制,在（Rej,Frj）的某些组合下可能会形成反卡门型准二维偶极子涡街结构,但也可能不产生任何形式的大尺度相干结构,其中Rej和Frj分别为射流Reynolds数与Froude数.在系列实验基础上,获得了这种组合式动量尾迹在密度分层流体中能够演化为反卡门型准二维偶极子涡街结构的（Rej,Frj）组合条件,并对不同的Rej取值,获得了准二维偶极子涡街无量纲形成时间及其无量纲涡街平均波长倒数与Frj之间的相关关系,结果表明它们都是不依赖于Rej的,而且与Frj近似为幂指数关系.     

非正弦振型对沉浮翼型推力产生的影响

对二维沉浮振荡NACA0012翼型周围流场进行了数值模拟,通过改变非正弦参数K实现了不同的非正弦振型,由此分析了非正弦振型对推力产生的影响。结果表明:非正弦振型主要通过影响瞬时推力系数、最大推力系数和流场结构来影响沉浮翼型推力的产生;较正弦沉浮振动,K大于0时对应的振型可以增加平均推力系数,在一定沉浮频率和幅度下,平均推力系数随K的增加而增大,推进效率随K的增加而降低;振型对流场涡结构有明显的影响,随着K增大,翼型尾缘产生更强的反卡门涡街,从而引起推力系数增大,但K增大会使前缘分离更加严重,导致推进效率降低。     

基于RNG k-ε湍流模型钝体绕流的数值模拟

采用RNG k-ε湍流模型对钝体绕流流场进行了数值模拟．计算采用非交错网格的有限体积法求解二维不可压N-S方程．计算结果表明，RNG k-ε湍流模型可以成功地模拟绕钝体的不稳定、非定常和剧烈分离流动。     

仿鱼类游动模式下的摆动翼水动力性能研究

以二维NACA0012水翼为计算模型,基于计算流体力学(CFD)方法,采用RNGk-ε湍流模型,利用动网格技术,数值计算了不同斯特哈尔数(St)下正弦摆动模式(SM)水翼的平均推力系数,通过与实验对比,验证了计算方法的有效性.基于鱼类身躯的柔性波动,建立了仿鱼类摆动模式(FM)水翼的动力学模型,探讨了不同侧向平移幅值下,两种模式水翼的推进性能.计算结果表明:FM水翼的平均推力始终大于SM水翼,侧向平移幅值为0.8c (c为水翼弦长)处,有最大增量7.2%.尾涡分析表明:侧向平移幅值较小时,两种模式水翼脱落涡呈反卡门涡街形式,FM水翼脱落涡强度高、耗散快;随着侧向平移幅值增大,涡系诱导作用增强,侧向射流增强.     

微喷管中亚声速流场的数值模拟

采用Navier-Stokes方程对微型缩放喷管内的亚声速流动进行二维数值模拟，重点考察滑移边界条件对计算结果的影响．通过比较有与无滑移边界条件的数值结果，发现微喷管内努森数处于0．014-0．023时，滑移边界条件对微喷管推力的影响不大，但对微喷管扩张段的流场则有较大影响．     

求解非定常方柱绕流的可变周期时间谱方法

针对周期性非定常流动特点,采用时间谱方法求解了无限大区域内低雷诺数下二维不可压缩层流绕方柱流动问题．由于方柱绕流的非定常运动周期事先未知,在计算过程中加入了基于残差梯度的可变周期计算方法,使变量和周期可以同时迭代计算．研究了时间谱方法的计算精度和求解速度,分析了不同求解参数对最终结果的影响．计算结果表明,时间谱方法可以准确地模拟方柱后漩涡的非定常运动现象,而计算所需时间只是传统的基于有限差分的双时间推进方法的10％～25％,流体非定常运动的Strouhal数和方柱的阻力特性证实了这种方法的正确性．可变周期计算方法对求解参数的变化不敏感,可以准确地预测运动周期．     

受限空间内射流影响下气固两相流动非定常数值模拟

就射流对受限空间内气固两相流动的影响进行了三维非定常数值模拟.分析计算结果发现,在射流结构下游尾迹附近区域出现局部回流;在射流结构背风侧存在不对称的连续涡结构发生、脱落与破裂过程,并且涡结构的脱落具有周期性.另外,通过分析射流对不同粒径颗粒尺度的影响,发现射流对10 μm量级颗粒能够在流道内形成持续稳定的低浓度区域,计算结果与试验吻合较好.通过分析试验中未测量的位置和参数的计算数据,加强了对该流场内流动特征和颗粒分布的理解,为壁面射流控制手段在流体机械工程上的应用提供参考.     

Kinematics and forces of a flexible body in Karman vortex street

Experiments of a flexible filament in the wake of a cylinder and in free stream were conducted in a vertical soap film tunnel. The experiments distinctly visualized the movement of the filament. Based on the experimental kinematic results, a 2-d panel method was used to calculate the forces acting on the filament. The experiment and numerical results revealed that different from that in free stream, the filament in Karman vortex street flapped at the same frequency as the vortex street, and with smaller amplitude and larger curvature. The filament suffered an evident thrust in Karman vortex street, while a drag appeared in the case of free stream. The dependence of the drag coefficient on the phase relation between the movement of the filament and the Karman vortex street was also studied. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 10832010) and Innovation Project of Chinese Academy of Sciences (Grant No. KJCX2-YW-L05)     

求解不可压流体Navier-Stokes方程的四阶精度有限容积紧致格式

采用四阶精度的有限容积紧致格式在交错网格上对二维非定常不可压流体的Navier-Stokes方程中的对流项和扩散项进行离散．压力项则由压力Poisson方程求得，并给出了新的压力Poisson方程的四阶精度有限容积紧致格式的离散表达式．用低存贮的三阶Runge-Kutta方法对Navier-Stokes方程进行时间推进．Fourier分析表明，有限容积紧致格式比一般的有限容积非紧致格式有更高的分辨率．最后以Taylor涡为例，得到了很好的结果．     

螺旋桨非定常性能计算的升力面方法

本文利用非定常数值升力面方法计算了运转于非均匀流场中的螺旋桨性能,该方法建立在作者提出的新的定常螺旋桨尾涡模型的基础上,在用圆锥螺旋面模拟的过渡区尾涡片中,加入了泄出涡以反映非定常特性.数值计算的升力面方法采用离散的涡、源奇点系,并编制了相应的非定常性能计算的计算机程序.最后,对14届ITTC 螺旋桨委员会提供的实例以及其他例子作了比较计算,结果表明,本法是可行的.     

激波-多涡列-声场相互作用及其POD分析

采用5阶WENO格式,通过数值求解二维非定常欧拉方程,模拟了激波与四涡组成的涡列的相互作用过程.通过研究马赫数为1.05的激波与强度为0.25的多涡列相互作用,进一步揭示了激波-涡列相互作用的动力学特性以及声波的产生过程.     

Direct numerical simulation of a particle-laden weak-shearing plane jet

Direct numerical simulation (DNS) has been utilized to solve numerically a two-dimensional compressible weak-shearing plane jet, in which the jet exit velocity and the co-flow velocity are in the same magnitude (2∶1 in this paper). We also use the one-way coupling method to simulate the dispersion behaviors of solid particles in various representative sizes, i.e. St=0.01, 1, 10, 100, where St is the Stokes number. We get a vorticity field with fully varicose (symmetrical) modes and the entire precise processes of the rolling-up of one spanwise vortex, the pairing of two vortexes and the mixing of three vortexes. The mean longitudinal velocity (U) profile compares well against the experimental results. The Reynolds stress profile looks special due to the symmetrical vorticity field. The particles whose St=0.01 reproduce the vortex structures in detail, and the ones of St=1 exhibit interesting self-organized behaviors and possess the most non-uniform concentration field. They disperse uniformly around the single and pairing vortex kernels, while a few of them are arranged almost in a straight line in the center region of the paring vortexes, which is caused by the contribution of the border of two vortexes in the pairing process. St=10 and 100 can be treated as large particles, on which the flow field has few impacts.     

基于CFD技术的螺旋桨非定常流场数值模拟

针对单独螺旋桨模型,基于动态结构网格搭接技术,采用CFD方法对其非定常流场进行了数值模拟。首先针对全部外形生成多块点搭接和面搭接两套计算网格,通过分析两套网格的计算结果,验证动态网格搭接技术的可行性和正确性,得出螺旋桨性能参数随转速的变化规律;在此基础上分析了雷诺平均NS(RANS)方程和Euler方程的数值模拟结果;最后研究了攻角对单独螺旋桨性能参数的影响。研究结果表明：动态网格搭接技术能够很好地模拟非定常螺旋桨的性能参数;螺旋桨的拉力系数和功率系数都随着转速的增加而增大;对螺旋桨非定常流场进行数值模拟时,采用Euler方程就能够满足工程精度的需求;攻角0度时单片桨叶的拉力系数和转矩系数都是恒值,而在攻角10度时却都呈现出周期性的正弦曲线。     

Numerical Investigation of the Impact of Different Configurations and Aspect Ratios on Dense Gas Dispersion in Urban Street Canyons

The dispersion of chlorine gas in urban street canyons was numerically simulated using the fire dynamics simulator, a code developed by the National Institute of Standards and Technology of USA, which uses large eddy simulation coupled with the Smagorinsky sub-grid scale model. The unsteady flow fields were computed by solving the filtered incompressible Navier-Stokes equations under low Mach number ap-proximation by the finite difference method. The studies analyzed the influence of different street canyon configurations and aspect ratios on the flow and chlorine gas dispersion. The geometric configuration and aspect ratio both affect the vortices and the local concentration distributions in street canyons.