模拟两相流动问题的修正扩展有限元方法

基于SUPG/PSPG稳定化方法,在处理两相流不连续问题时,引入修正扩展有限元方法使混合单元附加形函数满足单位分解原理,给出一种模拟两相流体流动问题的扩展有限元方法.在模拟两相流体流动过程中采用水平集方法捕捉流体运动界面.利用编制的计算程序模拟液体自由晃动问题,数值模拟结果与理论解一致.进一步采用本文方法和有限元方法模拟了溃坝流动问题,并将数值结果与实验结果进行比较,结果表明本文方法更有效.本文方法能够准确捕捉流体运动过程中两相界面的变化,且具有在计算过程中无需进行网格重构的优点.     

高超声速气动热的耦合计算方法研究

为了准确预测高超声速飞行器承受的气动热载荷,需要进行流动-传热耦合分析.采用耦合传热方法,考虑流体流动和结构传热之间的实时相互影响,对圆柱壳高超声速气动加热风洞实验进行了三维非定常数值模拟,将数值模拟结果与实验结果进行了全面对比,得到的表面压力、冷壁热流、热壁热流和温度分布与实验结果符合良好,验证了耦合计算方法的准确性,提高了气动热模拟精度,实现了气动加热的准确计算.     

圆柱绕流的格子Boltzmann模拟

针对流体力学中模拟圆柱绕流的边界层内部流动问题,采用格子Boltzmann方法,用两个分布函数分别定义涡量和流函数,得到用两个格子Boltzmann方程建立的模型。以数值为例,圆柱绕流的数值模拟结果符合经典的理论结果。与直接模拟Navier-Stokes方程相比,该方法计算模型简单,分布函数简单,易于计算。     

绕横向振动圆柱分离流动的数值研究

本文用由作者提出并发展的一种基于区域分解思想.综合了解N—S方程的有限差分法及涡法各自优点的新数值方法,研究了均匀流绕横向振动圆柱的分离流动,考察了圆柱振动对涡旋脱落,升力,阻力等的影响.成功地模拟了“锁定”这一重要的液固相互作用的非线性现象。计算结果与国外实验结果和其他计算结果符合较好。     

平壁附近钝体绕流的数值模拟

采用有限差分法,模拟粘性流绕平壁面附近的圆柱的流动。流动方程采用涡量-流函数形式。涡量输运方程采用ADI方法求解,流函数方程采用SOR方法求解。计算网格采用椭圆型贴体曲线网格技术数值生成。考察了缝隙比（e/D)对圆柱尾流的影响,得到了与实验基本符合的结果。     

城市冠层植被大气环境特性大涡模拟

 植被通过生物物理过程影响着周围微气候环境,对于城市植被环境流动的研究需要建立合理的植被模型。本研究发展了一套适于模拟植被边界层流动的大涡模拟数值方法,并通过水平均匀模型植被算例对其进行了验证。在此基础上,对空气流过三维非均匀分布钝体元阵列模型植被进行了大涡模拟,并将不同植被数值模型的计算结果与相应的风洞实验数据进行了比较。结果表明,树干部分采用刚性圆柱模拟、树冠用阻力模型的“阻力冠”方法相比于传统的“阻力元”方法能更好反映植被流动的影响。     

具有运动边界不可压缩黏性流动的CBS有限元解法

基于特征分裂(CBS)算法,提出了一种适用于具有运动边界的不可压缩黏性流动问题的有限元解法,给出了不可压缩黏性流动问题的控制方程,并推导了其无量纲形式.将传统CBS算法与动网格技术相结合,提出了一种动边界流动问题的求解流程,并对所采用的基于弹簧近似的动网格方法进行了说明.采用该方法对静水和均匀来流中的简谐振动圆柱绕流问题进行了求解,计算所得圆柱受力、圆柱表面压力和涡量分布以及流场速度分布等结果均与已有数值或实验结果相吻合,初步验证了所提方法的可行性.     

基于预处理的不可压缩N-S方程拟压缩数值算法研究

通过研究求解不可压缩Navier—Stokes方程的拟压缩方法与加速刚性双曲型方程时间推进的预处理技术,推导了一般曲线坐标系下带预处理的拟压缩Navier—Stokes方程特征系统,并结合有限差分法,建立了适用于不可压缩黏性流动计算的拟压缩快速算法．通过对不可压缩无黏圆柱绕流、平板层流流动、低Reynolds数定常圆柱绕流问题的数值模拟研究,得到了与相关理论与实验测试相吻合的结果,验证了所建立数值方法的快速可靠性．较系统地研究了预处理引入的参数和拟压缩因子的选择对收敛特性的影响．结果表明,Roe格式相对于二阶中心差分格式得到的结果更令人满意;对拟压缩Navier—Stokes方程进行预处理能有效提高数值计算的收敛速度;自适应的拟压缩因子取值能在很大程度上改善数值解的收敛特性,且不需要根据具体流动问题进行人工调节．最后将本文发展的数值方法用于低Reynolds数非定常圆柱绕流的数值模拟,所得结果亦和实验观测结果及其他文献的计算吻合很好．     

基于LES的圆柱尾流漩涡特性分析

为研究大涡模拟(LES)方法在圆柱绕流和模拟大尺度和小尺度波动的适用性,采用Smagorinsky-Lilly模型对亚临界区7种雷诺数(Re)情况的圆柱绕流进行数值模拟,计算出其阻力系数(Cd)和Strouhal数(St),并针对Re=3 900情况进行深入分析,给出其漩涡脱落的过程和速度的功率谱曲线.研究结果表明:计算所得Cd和St均与以往实验值符合较好,能较好模拟圆柱绕流尾涡周期性脱落过程;采用LES方法不仅能精准地捕捉到圆柱绕流漩涡脱落的无量纲频率0.215,而且能有效反映出圆柱下游回流区长度在大时间尺度上的周期性变化所对应的频率0.006 15,这与实验值和直接模拟(DNS)所得频率相符合;对于小尺度的Kelvin-Helmholtz不稳定性,虽能捕捉到波动,其频率为0.641,但与直接模拟结果和实验所得公式的预测结果有一定的差值.     

液体燃料爆炸抛撒和FAE形成过程的数值模拟

将液体燃料爆炸抛撒和ＦＡＦ云雾形成全过程分２个阶段处理,在抛撒初期,利用运动边界处理方法,建立一维单相流动模型来描述爆轰产物气体和燃料液体的运动。在其后过程,采用两相模型描述燃料液体与周围大气相互作用过程。数值模拟得出的云雾处形变化与实验结果符合得较好。数值模拟还给出了云雾区的物理参数变化规律。     

波浪中载液船舶运动的时域模拟

基于势流理论,采用切片法和脉冲响应函数方法实现船体时域运动,同时采用黏性流理论模拟计算舱内液体的非线性晃荡,进而建立了波浪中载液船舶耦合运动方程. 该方法考虑了波浪、船体、液舱晃荡之间的耦合作用,并结合船体内外流场特点分别采用了势流和黏性流理论,具有较高的计算效率. 研究结果表明：通过数值模拟计算和模型实验,数值模拟计算能够清晰显现液舱晃荡对船体全局运动影响,船体运动响应曲线与模型实验结果吻合良好.     

基于无网格法的浮体与波浪相互作用模拟与试验验证

浮体在波浪中的运动现象广泛存在于海洋石油及新能源领域,属于流固耦合问题,同时涉及自由表面流动和运动边界等复杂现象,使得基于欧拉模式的数值方法并不擅长该类问题的求解。采用一种拉格朗日无网格法,即光滑粒子动力学(SPH)方法,建立流固耦合数值计算模型,模拟浮体在波浪水槽中的运动过程,通过线性波浪理论和水槽试验验证了模型的准确性。结果表明:SPH方法能够有效模拟浮体在波浪作用下的非定常运动,并且捕捉到越浪、浮体侧倾等现象,预测的浮体位移时间关系与试验结果一致;在无约束条件下,浮体在水槽中发生横向位移,且位移受浮体形状和尺寸影响较大。     

搅拌槽内非牛顿流体流动场的数值模拟

对搅拌槽内非牛顿流体湍流流动的数值研究还很缺乏.文中尝试利用k-ε模型计算了假塑性流体羧甲基纤维素钠(CMC)水溶液在搅拌槽内的三维流动场,并与粒子成像测速(PIV)法测得的实验结果进行了比较.计算结果表明,非牛顿流体CMC水溶液的宏观流动场与牛顿流体(水)的流动场有较大差异,主要是主体流动减弱,并在叶端附近形成涡旋流动.主体流动区内的速度分布与PIV测量结果吻合较好.剪切速率在槽内的分布相差较大,桨叶附近与槽壁处的剪切速率较大,在主体流动区域较小.     

基于MATLABSIMULINK的潜射无人机水面分离运动分析

本文针对潜射无人机发射方案的要求提出无人机与运载器实现水面分离的方案,并建立相应的动力学数学模型,分析了分离过程中无人机的纵向运动情况。分析结果表明,分离过程结束后,无人机的运动参数可以满足无人机飞行方案的要求。     

Open-loop and optimal control of cylinder wake via electromagnetic fields

The experimental and numerical investigations on electromagnetic control of cylinder wake have been performed in this paper. Experiments were conducted in a rotating annular tank filled with a low-conducting electrolyte. A cylinder with an electromagnetic actuator mounted on the surface was placed into the electrolyte. Force measurements have been carried out by strain gages attached to a fixed beam to which the hydrofoil is suspended and flow fields are visualized by dye markers. Based on the Navier-Stokes equations considering the electromagnetic body force, i.e. Lorentz force, in the exponential-polar coordinates, the numerical investigations were carried out by means of an Alternative-Direction Implicit algorithm and a Fast Fourier Transform algorithm. Experimental results have shown the same tendency with the numerical results. For the constant Lorentz forces, called open-loop control, the vortex shedding was fully suppressed. Meanwhile, the weak street disappeared and the drag force was reduced. Based on the Navier-Stokes equations, an adjoint-based ensemble optimization of control algorithms was developed and adjoint equations in the exponential-polar coordinates were derived. The equations were solved by numerical algorithm as mentioned above. The evolutions of the flow field in the control process were discussed according to the calculated variable optimal interaction parameters.     

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。     

激波诱导圆柱运动数值模拟

该文采用基于含有运动边界自适应非结构网格点的显式有限体积方法求解Euler方程，提出了一种运动边界的数值处理方法，对激波诱导的圆柱运动进行了数值模拟。由于物体的运动，物体边界附近的网格将发生变形。对运动边界附近严重变形的网格采用局部网格重新生成的方法进行处理。采用HLLC方法来处理运动边界问题，计算并比较了气流流过静止圆柱和圆柱在静止流场中运动2种情形。结果表明，应用HLLC方法处理运动边界是可行的。     

初始进气阶段气缸的运动特性分析

利用流体分析软件Fluent及其前处理软件Gambit对气压传动执行元件气缸的内部流场进行数值模拟,讨论了气缸内气体的压力分布,应用ADAMS软件对活塞的运动过程进行仿真分析,分析了长行程气缸运行过程中速度与推力之间的关系及其运动特性,为试验装置的应用及结构优化研究提供理论依据。     

基于气泡的缸盖水腔沸腾传热仿真研究

从气泡核化条件及沸腾起始点要求出发,提出相变判定条件,从而准确界定沸腾区域. 基于沸腾均相流计算模型框架,建立了沸腾传热数值计算模型,并利用Robinson实验数据对该计算模型的准确性进行了校核. 利用该数值模型对缸盖温度场进行了预测,与实机测温结果进行实验比对,证明新沸腾数值模型计算结果更接近实机测试温度,火力面测点最大误差不超过7%.      

恒液位水箱侧槽水面线的数值计算和实验研究

本文从流体力学基本原理出发,建立了水流量标准装置恒液位水箱侧槽流动的基本微分方程式,并运用数值方法求得其近似解。根据有限差分法计算的侧槽水面线与实验结果基本吻合。在此基础上,本文分别对于水平和倾斜槽底这两种情况提出了进行工程设计的方法和实用计算公式。至此,作为文献[1]、[2]的延续和补充,本文完全解决了水流量标准装置恒液位水箱水面结构的设计方法问题。