涡方法数值模拟高雷诺数圆柱绕流

圆柱绕流问题是二维物体粘性绕流的基本问题.二维N-S方程的各种差分求解格式往往难以用来实际计算高雷诺数流动问题。80年代中期以来,Stansby等发展了70年代初Chorin提出的随机点涡法,用网格涡方法计算点涡的对流速度,大大减小了计算量,笔者采用Stansby等发展了的随机点涡法,对雷诺数2000的圆柱绕流进行了数值模拟。     

二维不可压缩粘性流体绕钝体流动的数值模拟

钝体绕流和流至振动问题是流体力学的经典研究课题之一.钝体的尾迹流动伴随着复杂的分离和漩涡脱落现象.绕流作用在物体上的纵向和横向流体动力载荷会诱发弹性结构的振动响应.就此,介绍了钝物体绕流的基本特征和典型二维不可压缩粘性流体的圆柱绕流特性.     

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．     

基于格子Boltzmann和POD方法的非定常流场重建

以二维圆柱雷诺数Re=100绕流为研究对象，在格子Boltzmann方法模拟非定常流动的基础上，利用本征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)算法获取二维圆柱绕流周期性稳定脱落阶段POD基函数及对应的系数，用以实现非定常流场的重建，并研究不同POD模态阶数对重建效果的影响。结果表明：前5阶POD模态占总能量的99%,可以准确地重构流场，流场重构误差最大绝对值为8×10^-4;随着模态阶数的增加，流场主要特征表达得越细致，且流场重建误差由大幅度降低，缓慢减低到趋于稳定几乎保持不变。     

复合材料圆柱壳非线性热弹耦合振动

根据复合材料圆柱壳热状态下的非线性动力方程，研究了复合材料圆柱壳的非线性热耦合振动，应用Ｇａｌｅｒｋｉｎ原理及改进的Ｌ－Ｐ法对其非线性热耦合振动进行求解，并讨论了分析了温度、长径比、厚径比对复合材料圆柱 非线性热振动固有频率的影响。     

用Galerkin─有限条法分析矩形板在非保守力作用下的稳定性

提出了一种求解板的颤振失稳问题的Ｇａｌｅｒｋｉｎ—有限条法。该方法利用加权残值法中的Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法直接从定解方程出发，建立有限条模式对问题进行求解。通过对ＣＳＦＳ板的计算结果同Ｓ．Ａｄａｌｌ的结果［１］的比较，证明了Ｇａｌｅｒｋｉｎ—有限条法是解决此类问题的一种行之有效的方法。利用Ｇａｌｅｒｋｉｎ—有限条法对边界分别为ＣＳＦＳ，ＳＳＦＳ，ＣＣＦＳ，ＣＣＦＣ的４种边界条件的矩形板在面内力和切向跟随力联合作用下的稳定性进行了分析，给出了它们的稳定边界曲线，颤振失稳荷载和频率。     

弹性厚圆柱壳的振动

本文提出了一个一般的解析方法,它可对任意荷载作用下具有任何类型齐次边界条件和动力边界条件的弹性厚圆柱壳的轴对称振动特性进行定值计算。轴向模态位移用福里哀级数表示,通过直接解法获得解析解,在求解中使用Mirsky-Herrmann厚圆柱壳方程。文中给出了频率的数值结果,对由厚壳理论和经典理论所预示的结果进行了比较。本文的方法也可以推广用于分析弹性厚圆柱壳的非轴对称振动和受约束的弹性厚圆柱壳的振动。     

利用本征正交分解的非线性Galerkin降维方法

提出了一种利用本征正交分解(POD)的非线性Galerkin方法,用于复杂流体动力系统的低维建模.该方法将满足流场边界条件的正交基(POD模态)张成的完备空间分解为有限维(低阶模态)子空间和无限维(高阶模态)子空间,并采用近似惯性流形逼近高阶模态和低阶模态的作用关系,用低阶分量来表示高阶分量,将无穷维流体动力系统降维成有限维动力系统.以雷诺数为200、攻角为20°时的NACA0012翼型绕流流动问题为例进行了低维建模分析,结果表明:由于考虑了高阶模态的影响,且不改变原系统的拓扑结构,因此该降维方法能够用较少的模态数来获得准确的动力学描述,弥补了传统POD降维方法由于忽略高阶模态影响而出现的不足,由此验证了该方法的有效性.     

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。     

Navier-Stokes方程的最佳非线性谱Galerkin算法

提出了求解二维非定常ＮａｖｉｅｒＳｔｏｋｅｓ方程的最佳非线性谱Ｇａｌｅｒｋｉｎ算法,分析了近似解的一致收敛速度．和标准的谱Ｇａｌｅｒｋｉｎ算法与非线性谱Ｇａｌｅｒｋｉｎ算法相比,该算法具有节省计算量的优点．     

具振荡边界的圆柱壳的动力稳定性

当一个壳体结构被安装到具有振动的结构物或基础时,由于必须满足位栘连续条件,因此壳体的边界运动引起了壳体本身的变形,当由此而产生的应力足够大时,壳体就会失去稳定。文献[1]证实了纵向相对于横向的边界振动对壳体的影响要明显得多。在本文里研究了具有纵向振动的边界条件下圆柱壳体的稳定性问题,本研究应用了Donnell方程及Galerkin方法。研究结果表明壳体的稳定与否取决于边界振荡的振幅与频率,以及与壳体的几何尺度和位移型式有关。本文最后提供了一个具体数值实例。     

用SMAC方法对二维非定常流动的数值模拟

使用ＳＭＡＣ算法,从非定常的Ｎ－Ｓ方程出发,对二维非定常流场进行数值模拟。并在非交错网格上,针对其压力算法的不足,通过求解压力Ｐｉｏｉｓｓｏｎ方程来求解压力。计算与实验的结果比较,显示了本文的算法较好地模拟了二维低Ｒｅ圆柱与方形钝体的绕流。     

近壁圆柱绕流积沙线的形成机理研究

应用粒子图像测速(PIV)系统进行近壁圆柱绕流实验,探讨壁面积沙现象的机理.分别在两个动量损失厚度雷诺数1 092和796下,对两个不同直径的圆柱,取间隙比(圆柱与壁面间的距离与圆柱直径之比)0到1.5中的12个值进行实验,总结了不同情况下积沙线的形成特点.研究结果表明:积沙线形成的可能原因是由于圆柱对平板壁面边界层的影响,使得边界层流动在圆柱下游一到两倍圆柱直径的平板壁面处发生壁面分离,在分离区域流体速度减小,并且产生附着涡,流体运动挟带到此处的粒子速度减小,发生沉积而形成.     

圆柱绕流的三维数值模拟

利用计算流体力学软件CFX－4,对粘性不可压缩流体的圆柱绕流进行了三维数值模拟,采用有限体积法和SIMPLE计算程式,利用不可压缩Navier-Stokes方程,模拟雷诺数在亚临界区内的绕流流动,并计算了流体的水动力特性。为克服数值模拟高雷诺数时的数值不稳定性,计算中采用了QUICK迎风格式,其对流项为三阶精度,其余项如扩散项等为二阶精度,圆柱两端边界采用周期性边界条件。计算结果表明,高雷诺数时圆柱周围的流动具有明显的三维特性,且沿柱长方向不同断面的升力和阻力系数并不相同。同时,对圆柱绕流进行了二维数值模拟,并与三维数值结果进行比较,发现三维模拟的升力和阻力系数均小于二维模拟。     

用无网格法分析功能梯度材料圆板的自由振动

采用一种新的方法研究了变厚度功能梯度材料圆板的自由振动问题。首先用能量法获得了自然频率的基本方程,通过无网格法构造形函数;然后采用伽辽金弱形式公式求解偏微分方程,得到关于频率和振型的矩阵方程。最后根据以上推导编写MATLAB程序,计算简支和固支两种边界条件的变厚度功能梯度材料圆板无量纲自然频率及振型;并探讨相关参数对结果的影响及提高计算精度的因素。结果表明无网格法求解得到的系统自然频率与已知的解析解基本一致,证明这种方法的理论推导和程序编写是正确的,可以应用于变厚度功能梯度材料板的自由振动分析;且其具有理论简单、计算量小等优点。     

有限元与边界元耦合法在波浪力计算中的应用

利用有限元与边界元耦合法对三维无界区域中直立圆柱所受的波浪力进行计算,把整个求解区域分成内域和外域两部分,在内域采用有限元法,对外域采用边界元法计算,由加权余量法的理论知这种耦合在理论上是可行的,根据此耦合方法编制了完整的计算机程序,对海洋中直立圆柱的波浪力进行了分析.数值计算的结果与理论解吻合良好,表明该方法有效.     

一类变厚度固支圆板热弹耦合的振动分析

对一类轴对称变厚度圆板非线性热弹耦合自由振动进行了研究。在周边固支边界条件下,用Galerkin方法得到该问题的非线性常微分方程组,在此基础上给出了该方程组的数值解,并且讨论了板的初始位移、热弹耦合系数和厚度系数等参数对板的振动频率及振幅的影响。     

探头式电磁流量计的理论研究和样机试验

本文分析了探头式电磁流量计的基本原理。根据电磁学和流体力学的理论求得了圆柱二电极、圆柱四电极、椭圆柱以及流线型柱体探头感应电动势的解析解。文中还讨论了边界层绕流圆柱探头和有限区间对探头输出信号的影响。从理论解可以看出,探头电极间的感应电动势与来流速度之间呈明显的线性关系。此外,文中还推荐了几种延迟或避免探头表面发生边界层分离的方法。对于圆柱和椭圆柱样机的实验证实了理论分析的结果。     

用无网格法求解不同Re下圆柱绕流问题

采用无网格伽辽金法对不同Re下二维不可压粘性流场圆柱绕流问题进行了数值模拟。该计算不仅预测了不同条件下的流动特性,而且预测了流体作用在圆柱上的曳力和升力。这些力通过积分圆柱表面的压力和粘性力获得。结果显示,当Re大于80时,圆柱所受曳力和升力开始振荡。计算所得的脱落频率(Sr)与前人的结果吻合良好。     

二维数值波浪水池中的潜体绕射试验

在摇板式造波机生成的二维数值波浪水池中进行了潜没圆柱的模拟绕射试验。先在频率域中确定造波机的运动形式 ,并在时间域中模拟摇板运动生成带有波前的高品质Stokes波的过程 ,作为入射波条件。数值造波和数值绕射试验采用边界积分方程的时间步进法 ,探讨了在自由面和板面交点处自由面条件与物面条件的相容性、开边界辐射面边界条件、时间与空间域上的数值离散方法等 ,得到了稳定、合理的波形和波浪力时域非线性结果 ,并与相应的频域二阶解的结果作了比较 ,证实了本数值波浪水池试验方法的适用性。