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.     

基于大涡模型水轮机压力脉动的数值预测

基于N-S方程和大涡湍流模拟(LES)模型，采用贴体坐标和四面体网格系统，对控制方程进行变换和离散，并用SIMPLE算法求解，对混流式水轮机全流道内的三维非定常湍流进行了数值模拟，并对水轮机尾水管内的涡带压力脉动进行了数值预测。     

基于层流假设的三角翼大迎角绕流特性数值模拟研究

三角翼大迎角绕流数值模拟的计算网格,需根据流动现象,对网格拓扑结构和网格点分布进行选择与搭配.C-H型网格适宜模拟尖前缘分离涡流态,物面、空间及尾迹区网格的处理是捕捉流场细节的关键.Euler方程具有模拟三角翼旋涡及预测涡破裂特性的能力,但对二次涡等粘性引起的流动细节把握能力不足.采用层流假设的N-S方程,通过合适的网格生成方法,可得到满意的计算结果,但对涡破裂后强烈的非定常湍流流动模拟能力不足.采用旋涡螺旋度可准确反映主涡与二次涡流动,描述旋涡的破裂现象.用轴向速度迅速减小并小于来流速度的点作为涡破裂判据似应更合理.     

SPH真实感流体交互模拟的改进算法

针对目前流体仿真中存在的模拟效率低及模拟交互的真实感不足等问题,提出一种基于光滑粒子流体动力学的流体模拟改进算法。首先,采用光滑粒子流体动力学方法进行粒子系统建模,通过矫正压力及速度场保证流体求解方程的精确性和稳定性;然后通过简化流体计算模型,完成流体表面建模,提高流体表面渲染速度;最后使用硬件加速算法实现流体模拟的快速渲染,提高流体的真实感和交互的实时性。实验结果表明,该算法能够明显提升流体渲染的真实感,减小计算复杂性。大规模粒子实时模拟帧率达到20帧/s,实现了较为真实的交互应用。     

合成射流与主流相互作用的数值研究

本文采用动网格技术,利用大涡模拟求解三维N-S方程,对直射流以及倾斜角为30°的斜射流进行了三维数值模拟。数值模拟结果表明:数值模拟的直射流出口速度曲线与理论速度曲线吻合较好,通过直射流与斜射流对比发现,直射流产生的涡环为对称涡环,而斜射流的为不对称涡环;直射流射流出口时均速度影响范围大于斜射流,但是其射流宽度小于斜射流射流宽度。本文还分析了射流与主流的相互作用,数值模拟了不同主流速度下射流的运动状态,结果表明:主流速度为2.0 m/s时,直射流产生的涡环受到主流的作用发生倾斜,斜射流产生的涡环由于主流的作用,变成典型的马蹄涡形式;由于射流对主流的影响,直射流对主流速度起阻碍作用,减缓了边界层及附近主流的速度,斜射流加速了主流边界层内的流体速度,使边界层速度更加饱满;随着主流速度的提高,射流产生的涡环被主流吹扫进入边界层,在壁面上发生破裂,与边界层内流体混合,射流对主流的的影响减弱。     

宾汉流体湍流流动的理论研究

依据宾汉流体本构方程,建立了适用于求解宾汉流体湍流流动的控制方程。采用压力加权校正算法,实现了宾汉流体速度场与压力场的关联。在理论研究基础上,对圆管内宾汉流体湍流流动进行了数值研究,取得了与已有的实验结果吻合较好的结果;同时,对直圆管内宾汉流体屈服应力和塑性粘度对湍流流动的影响进行了探讨。     

直管中黏弹性流体二次流的非线性特性分析

用Giesekus本构方程表征黏弹性流体的流变行为。采用数值模拟方法,发展了基于有限体积法的黏弹性数值算法,并用经典4∶1收缩流基准问题验证了所发展算法的有效性。然后分别模拟了内切圆直径等于20mm时横截面为正3-8边形以及椭圆的长直管道的黏弹性流体的流动,结果发现二次流产生涡的个数是边个数的二倍,椭圆横截面上二次流产生四个涡,直管中黏弹性流体二次流中涡的产生条件是横截面为变曲率边界。通过比较不同非线性系数发现,当非线性系数为0时直方管二次流为中心点流出的源流,且其二次流速度远小于非线性系数等于0.18时的二次流速度。结果表明,文中所发展算法能有效模拟黏弹性流体在直管中的二次流现象,而且数值结果所呈现的二次流非线性特性和理论上的非线性特性吻合较好。     

基于大涡模拟的离散格式改进方法及应用

应用大涡模拟(LES)进行计算流体力学(CFD)数值仿真时,高阶离散格式虽然能够提高数值精度,但更高网格分辨率的要求会大大提高计算量。对现有离散格式进行合理改进,建立更高效率和精度的离散格式,能够在降低网格要求的同时保证数值精度。本文基于Gauss linear和Upwind两种常用离散格式,混合建立一种改进离散格式。基于类车体Dshap算例试验结果,对比分析3种离散格式下大涡模拟的仿真结果表明,经过改进的离散格式具有更高的求解精度和收敛性。进一步应用经过改进的离散格式,采用大涡模拟分析不同离地间隙下类车体Dshap的外流场特性,结果表明:地面的存在能够提高模型的气动稳定性;合适的离地间隙能够使模型在保持较低气动阻力的同时降低气动升力。本文方法可以为大涡模拟车外流场提供重要参考,具有较强的工程实际意义。     

圆柱绕流涡致振动的平面湍流数值模拟

为了研究工程中存在的湍流涡致振动问题,应用平面湍流k-ε模型和重整化群k-ε模型,结合分块耦合方法及任意拉格朗日欧拉法（ALE）数值模拟了圆柱绕流涡致振动,求解基于非交错网格系统, 其中包含满足连续性方程的压力泊松方程解法.计算了湍动能、湍流耗散率、湍流黏性系数及柱面涡量的变化情况.结果表明,当雷诺数为5 000～2×105时计算所得的阻力系数与实验数据吻合良好.研究发现,在涡致振动情况下的湍流耗散率比固定圆柱涡脱落情况下小得多,湍流黏性系数与雷诺数呈对数律增长.     

舰船空气流场数值模拟及特性分析

应用计算流体力学技术对舰船空气流场进行数值模拟,对比了求解雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)与分离涡模拟(DES)的结果,总结了2种方法在舰船流场模拟中的特点。结果表明,舰船空气流场呈现出非稳态特征,基于RANS的数值模拟精度不足,而DES方法能够较为准确地捕捉流场中涡的生成和脱落,且与实验符合较好。接着采用DES方法对航母空气流场进行模拟,对比了不同风向下流场中的涡流特征及其对舰载机进舰轨迹上速度分布的影响。发现航母舰岛、甲板等钝体边缘产生相互干扰的复杂涡系,其导致舰载机进舰轨迹上产生强烈的速度波动,这种波动主要集中在航母后部甲板及邻近的尾流区,且随着时间的推进而变化,呈现一定的周期性。     

基于投影浸入边界法的流固耦合计算模型

针对建立的刚体和流体相互作用的浸入边界法数学模型,借助求解不可压缩N-S方程组的分步投影方法的思想来求解基于浸入边界法的耦合系统方程.在空间离散上,对流项采用Quick格式,扩散项采用中心差分格式.时间推进采用显式欧拉法,固体对流体的作用力源项引入流体体积(VOF)方法中的体积比函数,通过龙贝格算法高效求解每个网格单元中浸入刚体所占的体积比.利用VC++编写投影浸入边界法的数值计算程序,并以单圆柱绕流为基准数值算例,通过与其他文献和实验结果的对比,验证了数值计算结果的准确性和可靠性,并进一步分析了不同雷诺数下圆柱绕流场的涡结构分布特征.     

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.     

边界数据浸入法在弱可压缩流动中的应用

受限于计算机的计算能力与计算的成本,实际的计算过程中,往往要对流体做出一些物理假设,如无粘流体、不可压缩流体等,但是这将给计算带来不同程度的误差. 为解决此问题,提出了一种对弱可压缩粘性流动问题进行求解的数值方法. 该方法不仅可以对计算域内包含静止固体的流场进行计算,也适用于包含运动固体的弱可压缩粘性流场的求解. 该方法从水的状态方程开始,对弱可压缩粘性流体运动的速度与压力方程进行了严格推导. 考虑到流场中固体的影响,使用边界数据浸入法(Boundary Data Immersion Method, BDIM)将流体子域与固体子域之间耦合,而所使用的BDIM可将流体及水下声学计算中的运动物体准确地表示出来. 因此,本文首次将弱可压缩粘性流动计算与BDIM结合起来,并解决了考虑流体的弱可压缩性与粘性的流场求解问题. 为验证所提方法的有效性及准确性,计算了3个二维经典算例,并将计算结果与采用其他方法所得数据结果进行比较. 对比结果表明,在考虑流体的弱可压缩性与粘性的前提下,本文所提出的新算法可对运动流体中存在静止或运动固体的流场进行准确有效的计算.     

解非线性方程的Newton迭代法的一点注记

用不同的方法对求非线性方程数值解的Newton迭代法进行了推导,并利用高精度的数值积分方法得出新的迭代算法.经过严格的理论证明,新算法具有三阶收敛性,比Newton迭代法的收敛速度提高了一阶.数值实验表明,新算法对初值选择要求也较为宽松.     

基于水平集方法的软性磨粒两相流场特性分析

为了解决模具结构化表面精密加工(SAFM)过程中软性磨粒两相流场特性参数难以求解的问题,提出一种基于水平集法 (LSM)的磨粒流场特性分析方法. 基于LSM结构拓扑变换原理,结合流体体积模型(VOF)计算方法,建立面向软性磨粒两相流湍流流型分析的动力学模型. 通过高阶TVD Runge-Kutta、迎风格式以及高阶本质无振荡(ENO)方法分别对水平集时间项和空间项进行离散,且利用N-S方程和压力耦合方程的半隐相容(SIMPLEC)算法,实现软性磨粒两相流场的压力、速度等特性参数的求解. 以工程中常见的90°方形弯管为具体仿真实验对象,研究软性磨粒两相流流经管道过程中的速度场与压力场变化. 实验结果表明,数值计算结论与直管处速度场试验结果是一致的,验证了该方法的有效性,为软性磨粒流精密加工方面的研究提供了可靠的理论依据.     

有向外力场作用下机器人路径规划方法

针对有向外力场作用下基于格点的机器人路径规划方法不能得到最优解的问题,采用了基于水平集方法的路径规划方法.将机器人的粒子跟踪转变为曲线的数值演化,通过解哈密尔顿-雅克比方程得到最优时间路径,改进后向路径追踪的数值计算精度保证了规划路径的可行性.仿真结果表明,算法可以有效应对复杂的有向外力场,并且在强外力场中仍保持路径的可行性.采用的连续路径规划方法可以突破传统机器人路径规划算法基于格点搜索的限制,并有效利用空间中存在的外力场.     

计算流体力学与求解方法在叶轮机械中的应用

介绍了计算流体力学和常用求解方法的特点, 对于定常流动, 通过增加维数的方法把对象划归为同一性质的问题, 避免了控制方程的不确定性给求解造成的困难.以有限体积法为例说明了偏微分方程组向代数方程组转化的方法, 并以燃气轮机涡轮叶片流道内流场的计算为例说明了计算流体力学及求解方法的应用.     

新型低阻导线气动特性数值模拟

采用流体力学计算软件FLUENT6．3,对新型低阻导线LP810导线进行雷诺数76000时气动力特性以及流场的数值模拟。计算采用有限体积法和SIMPLEC算法求解均匀黏性不可压缩流体的NaV1er—St0keS方程（N—S方程）,采用三阶精度二次迎风插值（OUICK）离散N—S方程,以降低求解过程的数值振荡。计算区域网格划分采用具有良好形状适应性的非结构化三角形网格,贴壁网格尺寸取为约0．0005倍的导线直径,网格尺寸在导线周围直径4倍于导线直径的圆形加密区内沿半径方向按照1．009的比例增大。计算结果表明,计算方法具有良好的计算精度,与试验结果吻合较好。新型低阻导线LP810导线的特殊截面设计,使得导线在高雷诺数时的分离点显著推后,降低了在高雷诺数时的阻力系数。     

基于物理的不可压缩流体动画模拟

在计算机动画领域中,经常需要对流体进行模拟,基于物理的流体模拟已成为目前的一个研究热点.纳维-斯托克斯方程组（Navier-Stokes Equations,NSE）能够完整的描述流体运动,对它的求解直接影响流体模拟的效果.本文利用MAC（Marker And Cell）方法求解NSE,通过粒子来确定流体的运动状态,能够生成具有真实感的流体动画.     

二维薛定谔方程的全离散有限元两层网格方法

针对一类二维依赖于时间的线性薛定谔方程,在空间方向采用双线性有限元进行离散,时间方向利用向后欧拉方法得到全离散有限元格式,构造一种全离散有限元两层网格算法,对薛定谔方程耦合的实部和虚部进行解耦。从而将在细网格上进行求解,简化为在粗网格上求解原问题以及在细网格上求解两个泊松方程。数值实验结果表明,两层网格有限元方法比标准有限元方法更高效,且当粗细网格尺寸满足一定条件时,数值解具有相同的最优误差阶。