边界元法求解振动边界的动水压力

本文研究了平面理想不可压缩流体在其周围的固体边界作微幅振动条件下,流场计算的边界元方法。通过刚性坝面不同倾角以及刚性闸门的四种边界条件在不同开度时的动水压力计算,并与已有成果对比分析,说明边界元方法在进行水工结构——流体相互作用的研究中是一种实用的数值计算方法。特别是用于闸门泄水定常流场下,由闸门边界振动而产生的非定常流场所确定的闸门上压力分布是比较合理的。     

基于浸入边界法的涡激振动流固耦合数值模拟方法

针对涡激振动的精确数值模拟,基于浸入边界法建立了一种处理涡激振动问题的流固耦合分区迭代数值求解模型,采用浸入边界方法处理振动结构的移动边界,并在Navier-Stokes方程中添加附加体力项以体现流固之间的相互作用。为实现流体与固体之间的强耦合作用,采用分区算法,在同一时间步内进行多次迭代求解直至收敛。为验证该方法,选用静止圆柱绕流与圆柱的"8"字涡激振动两个算例,与前人试验及数值计算所得结果展开对比,结果表明,该方法对涡激振动问题具有良好的适用性,有效性与准确性。研究成果可为工程领域中涡激振动问题的精确数值模拟提供了一种有效的计算方案。     

水工弧形闸门三维水弹耦合共振频率的数值计算

从微幅振动的流体运动方程出发,应用数值计算原理,提出了水工弧形闸门水弹性耦合共振频率的三维边界元有限元混合计算模型。通过对工程实例进行计算,完整地得出弧形闸门结构在空气、静水及动水作用下的共振频率,及其随流速的变化关系。并指出,水弹耦合效应是水工弧门结构振动分析中应当考虑的因素之一。     

受控振动柱体对波浪影响的数值模拟研究

以不可压缩黏性流体的Navier-Stokes方程为控制方程,采用RNG k-ε湍流模型,利用VOF方法追踪运动的自由表面的方法,建立了三维数值波浪与振动柱体相互作用的模型.基于经典绕射理论验证了波浪绕固定柱体传播的数值模型的可靠性,再采用动边界技术赋予柱体振动规律,研究受控振动柱体对波浪传播的影响,并通过控制柱体初始振动相位变化,系统地给出了在柱体振动的不同初始相位下柱体前后波浪变化的规律.     

浅水层流射流大尺度涡流场特征数值研究

在密度均匀的浅水流体中,由于流体的上下边界作用,会抑制动量源流动的垂向传播发展,形成类似分层流体中偶极子涡的准二维大尺度涡结构。该文通过数值模拟手段,以圆形喷管射流模拟动量源,对层流动量源在浅水条件下生成准二维大尺度涡结构的流场特性进行了研究。数值研究中,为考虑浅水流体上边界自由面的影响,设置了空气层;流体的下边界层设置为固壁条件;同时还考虑了不同的雷诺数影响。研究结果针对流场中射流主流轴向速度分布、过射流轴线的水平断面和自由表面速度场和涡量场进行了分析。结果表明,由于上下边界的存在,主流轴向速度分布关于中心轴非对称,而仅在水平断面上保持轴对称,这与无界射流的情况相差较大。同时,过射流轴线的水平断面和自由表面流场具有较高的相关性,这表明大尺度涡的流动显示出很强的二维流动特性。进一步对上述两个平面的涡量场进行分析,发现流场的平均涡量与时间幂次成正比关系,而且三个不同雷诺数下平均涡量的增长和衰减规律是基本不变的。     

基于浸入边界-谱元法的流体柔性体耦合运动研究

为了模拟大变形柔性体与黏性流体耦合运动的动力学行为,该文发展了一套基于浸入边界-谱元法的数值模拟方法。该数值方法中,流体运动在欧拉坐标下采用谱元法模拟,柔性体运动在拉格朗日坐标系采用有限差分法求解,两者的耦合通过浸入边界法实现。首先对低雷诺数方柱绕流后柔性悬臂梁流固耦合振动问题进行数值模拟,并将计算结果与其它文献计算结果进行比较,验证了该耦合计算方法的可靠性。然后研究了高雷诺数下方柱绕流后柔性悬臂梁流固耦合振动情况,得到柔性结构的耦合振动特性和流场动态分布特征。该文的数值方法放宽了由大拉伸系数引起的稳定性限制,能更灵活地被运用于复杂柔性边界条件的情况,为后续对各种柔性体流体耦合的研究提供了基础。     

近海结构—流体—地基体系的辐射水动力特性和地震分析

本文提出了求解弹性地基上弹性铅直圆柱体与周周液体耦联振动的解析方法。在该方法中采用了改进的数学模型,不仅考虑了结构-流体相互作用,同时还考虑了弹性地基对整个结构-流体-地基体系的影响。文中给出了依赖于激振频率的辐射附加质量和水动力辐射阻尼的解析表达式,分析了它们随激振频率的变化特性,并将之分别与广义质量和广义阻尼作了比较分析。本文还就结构-流体-地基相互作用对于辐射水动力荷载的影响作了描述和研讨。     

有限元/边界元法求解多连通域声辐射问题

本文用混合有限元／边界元法求解浸没在无限流域中任意形状结构物的声辐射问题。求解多连通域声辐射问题时，采用有限元构建内流域和结构域，边界元构建外流域，应用流体结构域交界面法向速度连续性条件耦合声流域和结构间的相互作用。对球形结构的数值计算同其理论结果的比较表明其有效性。对环肋双层柱形结构分别对考虑和不考虑腔间进水做了计算，计算结果表明了考虑腔间进水的必要性。     

横向流动对振荡圆柱作用的直接数值模拟

在热交换器内横向流动引起的管阵的振动对于热交换器的寿命和安全性有严重的损害,因此研究流动引起的柱体振动及其对流动的反作用是一个有工程意义的课题。本文的目的是用直接求解N-S方程的方法来再现振荡流,并且用数值的方法求出流体对振荡圆柱的作用力。另外将振荡流不同时刻的流动图象连续显示出来,就能动态地显示这一振荡流动。     

基于MPS-FEM方法数值模拟孤立波与垂直板的相互作用

该文采用基于MPS-FEM方法自主开发的无网格法流固耦合求解器MPSFEM-SJTU,数值模拟孤立波与水下垂直板的相互作用。流体部分计算采用MPS方法,结构部分计算采用FEM方法,二者在接触面处采用核函数插值进行耦合。首先做了数值造波验证,孤立波采用推板造波。然后对比分析了孤立波分别与垂直刚性板和弹性板相互作用的差异。最后讨论分析板的弹性模量对孤立波与垂直板相互作用的影响。结果表明,弹性板对孤立波演化的影响与刚性板不同,同时板受到的压力也因为板的弹性模量的变化而不一样。     

NUMERICAL INVESTIGATION ON THE AEROELASTIC BEHAVIOR OF AN AIRSHIP WITH HULL-FIN CONFIGURATION

Numerical investigation was conducted on an airship of hull-fin configuration for aerodynamic and aeroelastic characteristics in three-dimensional viscous flows. The mathematical model was built and the corresponding numerical code was developed for the fluid-structure interaction problem. The governing equations of the viscous flow with LL-Low Reynolds modified model were solved by the standard SIMPLE algorithm based on the finite volume method. A fluid-structure coupled method was employed to solve the nonlinear aeroelasticity problem for the airship. The computational results of the viscous flow are in good agreement with the experimental measurements. The simulation on the aeroelastic behavior of the airship in a trimmed flight reveals the effect of structure flexibility on the aerodynamic performance.     

A UNIFIED TIME-MARCHING PROCEDURE FOR COMPRESSIBLE INCOMPRESSIBLE FLOWS

ＡＵＮＩＦＥＤＴＩＭＥ－ＭＡＲＣＨＩＮＧＰＲＯＣＥＤＵＲＥＦＯＲＣＯＭＰＲＥＳＳＩＢＬＥＩＮＣＯＭＰＲＥＳＳＩＢＬＥＦＬＯＷＳ￥ＣｈａｒｌｅｓＬ．Ｍｅｒｋｌｅ；ＦｅｎｇＪｉｎ－ｚｈａｎｇ（ＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈ，Ｔ...     

HIGH ACCURATE SOLUTION OF INCOMPRESSIBLE VISCOUS FLOW WITH PRIMATIVE VARIABLE

This paper presents a higher order difference scheme for the computationof the incompressible viscous flows.The discretization of the two-dimensional incompress-ible viscous Navier-Stokes equations,in generalized curvilinear coordinates and tensor for-mulation,is based on a non-ataggered grid.The momentum equations are integrated intime using the four-stage explicit Runge-Kutta algorithm [1]and discretized in space us-ing the fourth-order accurate compact scheme[2]The pressure-Poisson equation is dis-cretized using the nine-point compact scheme.In order to satisfy the continuity constraintand ensure the smoothness of pressure field,an optimum procedure to derive a discretepressure equation is proposed [9][3]The method is applied to calculate the driven cavityflow on a stretched grid with the Reynolds numbers from 100 to 10000.The numerical re-sults are in very good agreement with the results obtained by Ghia et al [7]and includethe periodic solutions for high Reynolds numbers.     

均匀来流中大长径比深海立管涡激振动特性

提出了一种对大长径比深海立管涡激振动特性进行三维耦合数值模拟的方法。其中,流场采用大涡模拟方法进行三维数值模拟,结构振动采用基于薄壳模型的有限元方法进行数值计算,并采用一种将流场和结构响应数据进行实时传输的新方法,实现了流体与固体之间的三维耦合数值模拟。在雷诺数Re=3400和11000下,对某长径比为1200的深海立管模型在均匀来流中的横向涡激振动特性进行了数值模拟与分析。结果表明,大长径比柔性立管的横向振动响应对其尾涡动力特性会产生显著影响,包括会出现涡泄频率显著增大和多频涡泄等复杂现象。尽管来流是均匀的,但立管的横向振动响应会出现明显的多模态特征,除了包含有与涡泄频率一致的振动响应外,还包含有其它频率成分的振动响应。特别地,还会出现多种高阶模态振动共存的非对称复杂弯曲变形等现象。研究表明,该方法为研究深海立管涡激振动特性及其工程预报的相关问题提供了一种有效的途径。     

A 3-D numerical study of solitary wave interaction with vertical cylinders using a parallelised particle-in-cell solver

This paper aims to provide a better understanding of the interaction between solitary waves and vertical circular cylinders. This is achieved via process based numerical modelling using the parallel particle-in-cell based incompressible flow solver PICIN. The numerical model solves the Navier-Stokes equations for free-surface flows and incorporates a Cartesian cut cell method for fluid-structure interaction. Solitary waves are generated using a piston-type wave paddle. The PICIN model is first validated using a test case that involves solitary wave scattering by a single vertical cylinder. Comparisons between the present results and experimental data show good agreement for the free surface elevations around the cylinder and the horizontal wave force on the cylinder. The model is then employed to investigate solitary wave interaction with a group of eleven vertical cylinders. The wave run-up and wave forces on the cylinders are discussed.     

非定常不可压 N-S 方程的一种有效预处理数值方法

本文发展了一非定常不可压流的有效预处理求解方法。应用预处理技术，对不可压N－S方程使用双时间推进法求解。当沿物理时间层推进时，连续性方程和动量方程沿伪时间方向迭代求解。在沿伪时间方向迭代时，设计了一简化的有效标量隐式线（Gauss－Sidel）迭代算法。对流项采用三阶迎几差分法离散，同时对数值通量项进行了预处理。数值分析了预处理对数值解精度和收敛性的影响。对振荡平板的非定常流动及不同Re数下定常、非定常驱动方腔流动的数值模拟结果表明，本文发展的非定常不可压流的预处理求解方法，不但提高了计算效率，而且减小了人工粘性，改善了数值解的精度。     

CALCULATION OF VISCOUS FLOW AROUND CIRCULAR CYLINDER WITH THREE-DIMENSIONAL NUMERICAL SIMULATION

1 .　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｈｅｆｌｏｗａｒｏｕｎｄａｃｉｒｃｕｌａｒｃｙｌｉｎｄｅｒｉｓｖａｌｕａｂｌｅｉｎｏｉｌｃｏｍｐａｎｉｅｓｏｒｏｆｆｓｈｏｒｅｉｎｄｕｓｔｒｙｔｈａｔｒｅｌｙｉｎｍｏｓｔｃａｓｅｓｏｎｓｕｂｓｅａｐｉｐｅｌｉｎｅｏｒｒｉｓｅｒｓｔｏｔｒａｎｓｐｏｒｔｇａｓａｎｄｏｉｌｆｒｏｍｏｃｅａｎｇｒｏｕｎｄｓｔｏｌａｎｄｏｒｓｕｒｆａｃｅｐｌａｔｆｏｒｍ .Ｗｅｓｈｏｕｌｄｅｎｓｕｒｅｔｈａｔｔｈｅｓｅｏｆｆｓｈｏｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｒｅｒｅｓｉｓ ｔａｎｔａｎｄｓｔａｂ…     

A STUDY ON NUMERICAL METHOD OF NAVIER-STOKES EQUATION AND NON-LINEAR EVOLUTION OF THE COHERENT STRUCTURES IN A LAMINAR BOUNDARY LAYER

1. INTRODUCTION A high accuracy compact finite difference scheme has been extensively applied to direct simulation of turbulence coherent structure’s complicated and remote physical phenomena [1-5]. The Fourier spectralexpansion was previously commonly …     

FINITE ELEMENT ANALYSIS OF LAMINAR FLOW AND HEAT TRANSFER IN A BUNDLE OF CYLINDERS

In this paper two-dimensional Navier-Stokes equations and energy equation governing incompressible laminar flow past a bundle of cylinders were numerically solved by using the finite element method.The velocity correction method was used for time advancement, and spatial discretization was carried out with the Galerkin weighted residual method.Viscous flows past the cylinder banks arranged in in-line cylinder bundles and staggered cylinder bundles, coupled with heat transfer, were investigated for pitch-diameter ratios of 1.5 and 2.0 and the Reynolds numbers from 50 to 500.Flow structures and heat transfer behavior were discussed.The results obtained agree well with available numerical data.     

管流与明渠层流的总流机械能方程及机械能损失计算

管流与明渠流同属流体力学中的内流,其总流机械能方程在水力学中称为总流能量方程。现有水力学中的总流能量方程是以理想不可压缩液体的伯努利方程为基础得到的,无法得到总流机械能损失的表达式。该文作者曾直接从黏性不可压缩流体运动的控制方程出发分别得到了管流及明渠流的总流机械能方程,解决了以上问题。考虑到层流条件下明渠流自由表面的变形特点,该文在前述工作基础上,将管流及明渠流在层流条件下的总流机械能方程进行了统一,同时还分别计算了管流(圆管、不同长短半轴比的椭圆管、不同宽高比的矩形管和不同内外径比圆环管)及明渠流(不同宽深比的矩形明渠)在层流条件下的总流机械能损失系数。结果表明:在同一雷诺数条件下,圆管层流的总流机械能损失系数比椭圆管层流、矩形管层流、圆环管层流及较大宽深比的矩形明渠层流的机械能损失系数要小。