柱体绕流的CIP方法模拟

柱体绕流和流致振动现象是一个复杂的工程问题,利用自主研发的CIP-ZJU模型,对低雷诺数(Re300)圆柱和方柱绕流问题开展了数值模拟。模型在直角坐标系统下建立,采用紧致插值曲线CIP方法作为流场的基本求解器离散了Navier-Stokes方程,基于多相流的理论实现流-固耦合同步求解,利用浸入边界方法处理固体边界。模拟结果与文献结果进行比较,二者吻合情况较好。通过引入压力阻力项和摩擦阻力项,分析了Strouhal数、阻力系数、升力系数等参数随雷诺数的变化情况。结果表明,圆柱绕流与方柱绕流在水动力参数的变化规律上存在多处差异。     

基于湍流自旋理论的二维方腔旋转流动的数值模拟

基于湍流自旋理论对旋转方腔内不可压流体的流动进行了二维数值模拟,用有限容积法在交叉网格上对控制方程进行离散,采用SIMPLEC算法进行计算,对流项的离散方面采用了延迟修正的QUICK格式,最后采用二维的TDMA算法进行迭代求解,并对边界条件处理采用了Block块技术.同时与经典理论即Navier-Stokes（N-S）方程的模拟情况做了比较.得出下列结论：N-S方程表明方腔旋转时内部流体只会作刚体旋转;而自旋模型表明该类流动具有不平凡性和不稳定性：即流体的内聚力不足以使流体跟随固体边界作刚体运动,旋转边界必然在流体中诱导出小尺度耗散涡旋,这些小尺度涡旋在固壁附近组织出正负相间的拓扑缺陷（涡旋场强）,这一流体定向奇性会与速度场耦合,并容易形成复杂的大尺度的涡旋运动.     

WENO格式与虚拟单元浸入边界法在笛卡尔网格中的应用

高精度有限差分WENO格式在结构网格上处理具有复杂几何外形绕流问题时较困难,而虚拟单元浸入边界法却是一种较新颖且对网格的要求较低的方法,适用于复杂几何外形边界的处理.为此,在笛卡尔网格上采用WENO格式以求解Euler守恒律方程,试图将两者有效结合起来,希望能在笛卡尔网格上处理具有复杂几何外形的物体绕流问题.最后,几个经典数值算例的结果验证了该方法的有效性.     

湖泊整治工程二维水沙数值模拟

应用破开算子法原理,将平面二维不恒定流及泥沙扩散基本方程按不同的物理意义破成对流、扩散和传播三个子方程．基于三角形网格划分,利用有限体积守恒格式求解连续方程,用特征线方法求解对流方程并采用有限差分法求解扩散和传播方程,经数值实验及实际工程验证,该算法计算简便、边界符合良好,数值模拟精度也较高．     

近平板圆柱绕流的边界元分析

应用边界元方法,对低雷诺数粘性不可压流体的半无界近平板圆柱绕流问题进行数值模拟,得到圆柱表面的压力、面力分布规律,给出数值模拟的圆柱绕流的注场,数值计算与理论分析和实验结果比较完全一致。     

自由液面水流与固体构筑物作用的高精度数值模拟

采用界面保持水平集法捕捉自由液面,结合浸入边界法处理固液交界面的方式,开展自由液面水流经过固定障碍物的复杂流场模拟.在计算过程中,将障碍物对水流的影响用虚拟力的形式加入到流场求解中.求解水平集函数时,使用迎风紧致差分格式,以得到高精度的解.为了确保界面始终处于一个非常薄的厚度,在每个计算步长中对水平集函数进行重距离化处理,利用投影法求解Navier-Stokes方程中的压力项.通过将模型应用于计算带障碍物的典型溃坝问题,包括底床上的矩形和工程中常见的悬空支撑圆形障碍物,得到的数值结果与实验数据吻合较好,验证了该算法的准确性和稳定性.     

均匀流场中串列双圆柱水动力特性的数值实验研究

采用计算流体软件CFX-5中Large-eddy simulation(LES)模型计算了二维不可压缩均匀流中孤立圆柱及串列双圆柱的水动力特性.使用非结构化网格六面体单元和有限体积法对二维N-S方程进行求解.数值实验着重研究了高雷诺数时串列双圆柱在不同间距比时的压力分布、阻力、升力及St数随Re数的变化趋势.稳态力及St数的数值计算结果与实验结果吻合较好.     

湖泊整治工程二维水沙数值模拟

应用破开算子法原理,交坪面二维不恒定流及尼潲扩散基本方程按不同的物理意义破成对流、扩散和传播三个子方程,基于三角形网格划分,利用有限体积守恒格式求解连续方程,用特征线方法求解对流方程并采用有限差分法求解扩散和传播方程,经数值实验及实际工程验证,该算法计算简便、边界符合良好、数值模拟精度也较高。     

待发论文摘要 粘性流体圆柱绕流的有限元模拟

摘 要：对粘性流体圆柱绕流进行了数值模拟。根据三阶 Taylor展开弱解的概念,在二阶分裂步 Taylor－ Galerkin有限元法基础上,采用时间推进和张量分析的方法推导了对流扩散通用微分方程的 ETG有限元离散格式。对 Reynolds数为 32、 102和 250的粘性流体圆柱绕流流场进行了数值仿真,数值模拟结果与实验结果吻合良好。表明隐含流线迎风耗散作用并具有三阶部分展开的 Taylor－ Galerkin有限元法稳定性好,精度较高,可用于计算包含对流扩散耦合传递动量的绕流问题及类似的流动问题。 待发论文摘要 粘性流体圆柱绕流的有限元模拟…     

方柱绕流横向驰振及涡致振动数值模拟

对Re=250下弹性支撑方柱绕流进行数值模拟.流场计算采用基于任意拉格朗日欧拉（ALE）描述的不可压流体N S方程，对流项与扩散项分别采用三阶迎风紧致格式与四阶紧致格式进行差分离散，利用分块耦合生成正交性较好的结构化网格，模型简化为弹簧阻尼质量系统，柱体运动采用经典龙格库塔方法求解.模拟了方柱的驰振和涡致振动，捕捉到了驰振到涡致振动的转变，捕获了涡致振动的“锁定”、“拍”、“相位开关”等现象.验证了该计算方法的可行性，计算结果为工程实际提供了依据.     

基于涡粒子的真实感烟雾快速模拟

基于物理的流体模拟方法通过数值求解流体的控制方程可获得逼真的模拟结果,但求解中易产生数值耗散造成流体细节丢失.本文提出采用涡粒子模拟流体,通过求解涡度形式的流体控制方程获得涡度场,再将涡度场转换为不可压的速度场,可降低对流数值耗散,自动保证速度场散度为零,因而能够保持更丰富的流体细节.针对算法在涡度转换为速度时需求解泊松方程的性能瓶颈,基于图形处理器（GPU）设计并实现了一个高效的预条件共轭梯度法求解方程,比现有求解器加速超过10倍.实验结果表明,与现有方法相比,本文算法能够获得真实感更强的流体模拟效果,且模拟速度显著提升.     

利用高精度浸没边界-格子Boltzmann流固耦合格式模拟2维刚体自由沉降运动

自由刚体的流固耦合问题是计算流体动力学领域的热点问题,也是实际工程应用中的常见问题。为了推广最新提出的基于迭代力项的浸没边界-格子Boltzmann(immersed boundary-lattice Boltzmann, IB-LB)耦合格式使之能够计算自由刚体的流固耦合问题,首先在原控制方程中添加自由刚体的运动方程组,然后利用IB-LB耦合格式离散并数值求解该数学模型。以两小球在水箱中的自由沉降运动为例,比较了本方法与其他流固耦合算法的计算结果。最后模拟了富有挑战性的矩形平板在水箱中飘动的过程,捕捉到了与实验数据相吻合的刚体运动轨迹和流态结构,通过对比本法和现有同类算法的单步平均耗时与平板平均速度,证明了推广后算法在计算复杂流固耦合问题上有较高的计算效率和精度。     

3D刚体摆动力学的离散变分数值方法研究

利用离散变分的数值积分方法研究3D刚体摆(3 Dimensional rigid pendulum)的姿态动力学数值计算问题。针对3D刚体摆的运动学及动力学方程解的稳定性及其能量、角动量与范数进行了数值仿真。在离散变分方法中引入李群概念,首先对3D刚体摆模型的简化形式——球摆做数值求解,然后分别对3D刚体摆的悬垂及倒置两种特殊情况进行数值求解,并将其结果与4阶龙格-库塔方法求解的结果进行比较。从数值仿真实验中可以看出,离散变分的数值积分方法相比龙格-库塔方法具有更高的精度。由此可得出李群离散变分方法具有较好的保结构及保能量特性。     

Schrodinger方程的一种交替分组显式迭代方法

构造出求解Ｓｃｈｒｏｄｉｎｇｅｒ方程ｕｔ＝ｉｕｘｘ绝对稳定的二层隐式差分格式,其截断误差为Ｏ（τ＾２＋τ＾２Ｈ＾２＋Ｈ＾４）（其中τ和ｈ分别表时时间长步和空间步长）。以此格式为基础,设计出一种交替分组显式迭代方法,并证明了它的收敛性。数值算例表明本算法具有良好的实用性和很高的数值精确度。     

结构物砰击入水过程的CFD-DEM-IBM数值仿真

为实现入水过程的精细数值仿真,解决入水问题数值模拟所面临的关键技术问题,围绕结构入水过程中固体移动边界的合理描述、自由液面的准确捕捉及流固耦合作用的精细刻画等核心难题,融合计算流体动力学-离散单元法（CFD-DEM）、浸入边界法（IBM）及改进的守恒式Level Set（ICLS）方法,提出了一种CFD-DEM-IBM方法。采用固定的笛卡尔网格离散计算域,分别通过CFD与DEM描述流体与结构运动,引入IBM追踪固体移动边界并获取准确的流固耦合作用力,采用ICLS方法在保证守恒性的同时隐式捕捉自由液面,并通过分区算法,在一个时间步内进行数次交错迭代以反映流固两相间的强耦合效应,建立了高解析度的CFD-DEM-IBM数值模型。通过圆柱常速入水、楔形体对称及非对称入水和多体入水现象仿真分析研究,结果表明,CFD-DEM-IBM方法能够考虑多块体间的相互作用,在准确反映流固耦合效应的同时能够获得高解析度的流场,在多体入水问题处理方面优势显著。     

Improved Implicit SPH Method for simulating free surface flows of power law fluids

Implicit smoothed particle hydrodynamics method has been proposed to overcome the problem that only very small time steps can be used for high viscosity fluids(such as power law fluids)in order to obtain a stable simulation.However,the pressure field is difficult to simulate correctly with this method because the numerical high-frequency noise on the pressure field cannot be removed.In this study,several improvements,which are the diffusive term in the continuity equation,the artificial viscosity and a simplified physical viscosity term in the momentum equation,are introduced,and a new boundary treatment is also proposed.The linear equations derived from the momentum equation are large-scale,sparse and positive definite but unsymmetrical,therefore,Conjugate Gradient Squared(CGS)is used to solve them.For the purpose of verifying the validity of the proposed method,Poiseuille flows with Newtonian and power law fluids are solved and compared with exact solution and traditional SPH.Drops of different fluid properties impacting a rigid wall are also simulated and compared with VOF solution.All the numerical results obtained by the proposed method agree well with available data.The proposed method shows the higher efficiency than traditional SPH and the less numerical noise on the pressure field and better stability than implicit SPH.     

空化水射流空泡溃灭过程的数值分析

空化空泡发育与溃灭的计算是研究空化水射流的一个重点和难点.对比分析了空泡运动方程即Rayleigh-Plesset方程的不同数值解法,并针对固定时间步长的缺点,提出了变步长法解Rayleigh-Plesset方程的思路.通过优化系数λ=Ri/Ri-1,得出如下分析结果:在空泡内外压力变化的不同情况下,变步长法均优于固定步长法且没有奇异点.变步长法在节约计算量,保证结果精度等方面都有较好表现,该方法为研究空化水射流提供新的思路和算法.     

井地直流电法三维数值模拟及异常规律研究

在直流电法基本微分方程的基础上,采用有限差分法进行井地电法三维数值模拟研究。通过均匀二层介质中的数值模拟解与之对应的解析解对比,表明数值井地直流电法三维数值模拟计算方法是正确的。与以往井地直流电数值模拟不同,在数值模拟中对金属套管和井液进行了充填,这样就考虑了金属套管和井液对数值模拟结果的影响。通过模拟井中供电,改变地下的低阻体的埋深、尺寸、厚度、与围岩的电性差异以及利用重力勘探中位场异常处理技术,总结出了一些基本的异常规律。井地直流电法三维数值模拟,为井地直流电三维反演奠定了基础。     

超声波体积流量计声场混合计算方法

超声波体积流量计测量空间内声场分布主要由换能器性能和实际工况下的流场共同决定. 在进行相关声场研究时,为了解决仅使用数值法难以对实际换能器重要计算参数进行准确建模的问题,提出联合测量边界条件和数值法的混合计算方法对声场进行求解. 计算模型的振动边界条件通过使用扫描式激光测振仪测量换能器表面离散点的振动速度并对其进行数据拟合来准确获取,实现以实验测量的数据对建模不确定性最大的换能器进行表征. 由计算流体动力学对超声体积流量计在不同体积流量下的流场进行求解,并将获取的流场导入数值计算模型中作为背景流场. 借助有限元软件COMSOL求解由非均匀流中线性声学式推导的控制式对声场进行预测. 比较预测和实验结果,对混合计算方法进行验证.     

卡森流体在钻具内层流压降的迭代算法

在计算卡森流体在钻具中的层流压降时,需要求解一个非线性方程,以往通常使用近似公式进行计算。对于求解这个非线性方程,提出了一个数值迭代算法,并对该算法的收敛性进行了证明,给出了最大迭代步数的上限值。理论分析和大量实际算例表明这种算法具有非常稳定的收敛性和非常快的收敛速度,并且能够给出压降的精确计算值。