二维溃坝绕流的WENO格式数值模拟

WENO(Weighted essentially non-oscillatory scheme)格式是一类新的高精度无振荡差分格式.本文将WENO格式和Runge-Kutta时间离散的思想应用于二维浅水方程组的求解,数值模拟矩形河道中大坝瞬间局部溃倒,下游有障碍物的洪水演进过程,并对模拟结果进行了分析,表明采用WENO格式所建立的高分辨率模型能够有效地模拟溃坝波的演进过程.     

亚临界雷诺数下圆柱绕流的大涡模拟

本文应用Smagorinsky涡粘性模式和二阶精度的有限体积法对圆柱绕流的流场进行大涡模拟．求解了非正交曲线坐标系下的N-S方程,对雷诺数为100和20000的工况进行了计算．计算结果与实验及动力涡粘性模式的结果进行了比较,表明计算对于层流及高亚临界雷诺数的湍流流动是合理的     

高雷诺数下多柱绕流特性研究

采用改进的延迟分离涡方法数值模拟了高雷诺数下的柱体绕流,包括单圆柱绕流、单方柱绕流、串列双圆柱绕流和串列双方柱绕流,研究了不同雷诺数下圆柱绕流与方柱绕流的水动力特性.计算结果与实验数据及其他文献的数值计算结果吻合良好,研究表明,单方柱绕流在2.0×10~3Re1.0×10~7范围内未出现类似于单圆柱绕流的阻力危机现象,其平均阻力系数C_d、升力系数均方根C'_1及斯特劳哈尔数S t维持在一定范围内波动.串列双圆柱绕流与串列双方柱绕流中,均选取L/D=2.0,2.5,3.0,3.5和4.0这五中间距比进行计算.串列双圆柱绕流中,当Re=2.2×10~4时,在3.0L/D3.5内存在一临界间距比(L_c/D)使得L_c/D前后上下游圆柱的升阻力系数发生跳跃性变化,且当L/DL_c/D时,下游圆柱的阻力系数为负数.而当Re=3.0×10~6时,则不存在临界间距比,且下游圆柱的阻力系数始终为正数.串列双方柱绕流在Re=1.6×10~4和Re=1.0×10~6两种工况下的临界间距比分别处于3.0L/D3.5和3.5L/D4.0区间内,且当L/DL_c/D时,两个雷诺数下的下游方柱阻力系数均为负数.     

高雷诺数下多柱绕流特性研究

采用改进的延迟分离涡方法数值模拟了高雷诺数下的柱体绕流,包括单圆柱绕流、单方柱绕流、串列双圆柱绕流和串列双方柱绕流,研究了不同雷诺数下圆柱绕流与方柱绕流的水动力特性. 计算结果与实验数据及其他文献的数值计算结果吻合良好,研究表明,单方柱绕流在范围内未出现类似于单圆柱绕流的阻力危机现象,其平均阻力系数\overline{C_d}、升力系数均方根{C\mathrm{\text{'}}}_l及斯特劳哈尔数\mathit{St}维持在一定范围内波动. 串列双圆柱绕流与串列双方柱绕流中,均选取L/D=2.0, 2.5, 3.0, 3.5和4.0这五中间距比进行计算. 串列双圆柱绕流中,当\mathit{Re}=2.2\times 10^4时,在内存在一临界间距比(L_c/D)使得L_c/D前后上下游圆柱的升阻力系数发生跳跃性变化,且当时,下游圆柱的阻力系数为负数. 而当\mathit{Re}=3.0\times 10^6时,则不存在临界间距比,且下游圆柱的阻力系数始终为正数. 串列双方柱绕流在\mathit{Re}=1.6\times 10^4和\mathit{Re}=1.0\times 10^6两种工况下的临界间距比分别处于和区间内,且当时,两个雷诺数下的下游方柱阻力系数均为负数.      

方柱绕流的数值模拟

采用有限差分法,对雷诺数为2.2×10~4的方柱绕流进行了大涡模拟(简称LES)。运用时间分裂控制(Split-Operator)法,将N-S方程分为对流步、扩散步和传播步。对Smagorinsky假设在近壁区的发散问题用两层模型进行处理。对流项用迎风—中心差分格式模拟,压力方程用SOR法迭代求解。计算得到的沿对称线的时均顺流向速度与文献上的实验结果进行了比较,结果吻合较好,同时还对绕方柱流的流场结构进行了分析研究。     

亚临界雷诺数二维圆柱绕流边界层流场动态特性的实验研究

本文给出了关于亚临界雷诺数二维圆柱绕流动态特性的实验结果。应用热膜、热线和压力传感器测量了壁面剪切应力脉动、壁面压力脉动和流场的速度脉动,给出了壁面剪切应力脉动频率在驻点附近和分离前后变化的特征,计算了这些脉动量在圆柱面上任意两点间的相关特性。实验结果表明,在亚临界雷诺数二维圆柱绕流的边界层流场中存在着一个频率与涡脱落频率相同的整体同步脉动。     

雷诺数三角翼绕流的影响

应用梁色液流动显示技术研究了雷诺数对６０°尖前缘三角翼前缘涡破裂位置、背风面流动结构等的影响，并详细分析了前风面流动随攻角的变化。     

基于波尔兹曼方法研究幂律流体的椭圆柱绕流

基于格子波尔兹曼方法(lattice Boltzmann method) 和幂律流体本构方程, 建立二维流动模型, 将充分发展的速度分布与理论解进行对比, 吻合良好. 对幂律流体的圆柱绕流进行模拟, 采用了反弹格式的无滑移圆柱边界, 并使用应力积分法计算阻力系数, 分析了稳态圆柱绕流时, 阻力系数随幂律指数n 以及雷诺数Re 的变化规律. 分析了椭圆横轴/纵轴长度比和幂律指数n, 对压力系数Cp 和黏度系数Cv 的影响. 得到的变化规律与有限元方法规律一致, 验证了格子波尔兹曼模型的可行性.     

高亚临界雷诺数圆柱绕流的尺度自适应模拟

借助γ-Re_θ转捩模型,实现了高亚临界雷诺数（Re=1.4×105）下圆柱层流分离流动的尺度自适应模拟.统计平均结果表明数值计算和实验测量较为接近,尤其在圆柱后半段的分离区中,压力系数和实验符合得很好,误差主要源于分离点预测的不准确. 瞬态流动则显示,层流分离的剪切层中出现了展向不稳定,且在向下游的输运过程中不断增强,最后转捩为完全湍流. 在湍流分离模拟中,由于缺乏剪切层失稳的非定常性,SST-SAS 模型的尺度分辨能力变弱,因此在分离区以及下游尾迹中求解出的湍流尺度要明显较层流分离时大.      

椭球体绕流阻力数值模拟研究

颗粒在无界均匀流场中的阻力是颗粒多相流领域最基本的问题之一。在相关的工程应用与科学研究中,颗粒基本都是非球形。早期基本以相同体积的圆球阻力来近似非球颗粒的实际阻力,近来则提出了多种基于实验数值拟合的非球颗粒阻力经验公式。本文通过高精度的计算方法,系统模拟了从扁平到细长的回转椭球颗粒,在常见的颗粒雷诺数范围内（0.1~1000）,对于各种来流攻角条件下的阻力,数值模拟结果得到了已知理论解的充分验证。在不存在理论解的大多数条件下,将数值结果与多种流行的经验公式结果进行了系统比较。一般而言,当颗粒以最大迎风面积置于来流中时,其所受阻力最大。但是数值模拟发现了特例,在流动进入牛顿阻力区时（雷诺数1000）,扁平的椭球在回转轴与流向一致时（此时具有最大迎风面积）,其阻力反而小于倾斜置于流场中的结果。对流动结构的分析表明,这是因为在非轴对称条件（颗粒倾斜）下,流动更容易失稳,造成紊乱的尾流,使得压差阻力上升。综合分析表明,对于给定的颗粒形状,数值模拟相对于通过各种实验数据拟合得到的适用于一般非球颗粒的经验公式具有更高的精度。累积更大量的高精度数值模拟结果,有望给出具有更高精度、更具适应性的阻力公式。

     

棱柱绕流流动的数值模拟

利用数值方法对长宽比为1／3, 1和3的棱柱绕流在雷诺数为100的非稳态流动特性进行了分析和研究。采用有限体积法对棱柱绕流的二维流动N-S方程进行离散求解,分析和研究了非稳态的棱柱绕流流场,升力系数,阻力系数和涡动特性,数值模拟的结果与相关文献的数据比较吻合。通过上述研究能够为了解棱柱绕流的非稳态流动特性提供有力的帮助。而对棱柱三维流动的模拟分析和对雷诺数的变化对棱柱流动特性的影响进行研究,将为掌握棱柱绕流的工程特性打下基础。     

并列双椭圆柱绕流的格子Boltzmann-虚拟区域方法的模拟研究

采用格子Boltzmann-虚拟区域方法对并列双椭圆柱绕流进行了模拟研究。首先,通过与并列双圆柱的结果进行对比,验证了数值方法的有效性。其次对雷诺数为200时两种间距(g=0.5a和2.0a,g为柱体表面间距,a为椭圆长轴)的情况进行了研究,考察了椭圆长轴与短轴之比,即α值对柱体升阻力系数及涡结构的影响。研究发现,与圆柱相比,对于g=0.5a椭圆柱的升阻力系数可能出现两种变化,一是升阻力随时间演化较规则,接近周期性;二是流场可能长时间偏向于其中一个椭圆柱,这些变化与α的值有关。对于g=2.0a,两个椭圆柱后的某一区域内会出现四列涡街,经过一段时间,四列涡街又会演化成两列向两侧扩张的涡街。     

爆炸冲击波绕流的三维数值模拟研究

对爆炸冲击波绕流问题采用可压缩流体模型建立了质量、动量和能量的偏微分守恒方程组,基于多物质流体Euler型算法, 采用算子分裂格式, 运用体积份额法处理多介质界面, 用自行开发的三维数值模拟程序MMIC3D模拟计算了三维空中爆炸的爆源附近和爆炸场中冲击波流场的发展规律, 研究了挡墙拐角处绕流的形成和变化情况, 分析比较了挡墙的位置、形状对挡墙后爆炸冲击波的影响, 并与经验公式进行了比较研究. 数值计算基本符合物理规律,说明文中采用的模型和算法是合理的, 为工程设计减压设施提供了数值计算依据．      

雷诺数对三角翼绕流的影响

应用染色液流动显示技术研究了雷诺数对６０°尖前缘三角翼前缘涡破裂位置、背风面流动结构等的影响，并详细分析了背风面流动随攻角的变化．     

绕流直接数值模拟误差分析

对于无边界绕流问题的计算流体力学模拟通常是将物体置于“足够大”的槽道中,而通过不断改变槽道尺寸以及离散网格密度,后验对比方式来检查模拟误差。本文结合多种经典流场理论,提出一种简单的先验误差估计方法来确定槽道尺寸以及相应的网格分布。在此方法中,对于槽道尺寸的确定基于线性叠加原理（即在极小雷诺数下采用Stokes理论解叠加,而在其他雷诺数条件下采用势流理论解叠加）,来估计槽道尺寸对绕流结果的影响。而对网格尺寸与分布,则是使用多项式逼近中的基本误差分析工具,应用到速度边界层,远场势流,以及Rankine涡等简单流动,从而确定整个绕流问题中的离散误差。为了验证前面的理论分析结果,本文模拟了相当大雷诺数范围内的二维翼型以及三维圆球绕流,所得数值结果非常好地验证了理论分析。结果表明,对于Stokes流动问题,槽道尺寸需要大约100倍于物体特征尺寸来保证其结果与无边界绕流相差不超过1%;而在雷诺数超过大约100时,槽道尺寸只需10倍（二维绕流）或者5倍（三维绕流）于物体特征尺寸来达到同等精度。在此先验误差估计方法可应用于一般化的绕流问题。

     

关于飞行器高超声速不平衡气体绕流的数值模拟

高速飞行器气动计算是伴随着计算机技术及空气动力学的发展而发展的.较早从宏观角度出发求解欧拉方程,N-S方程,到考虑真实气体影响带化学反应和电离的N-S 方程的求解,以及从微观角度出发用蒙特卡洛法对气体分子运动直接模拟求解(DSMC),即代表计算动力学理论的发展,也是计算机技术发展的结果.虽然从理论上说DSMC方法适用于各种流动,但所需的计算时间非常巨大,因此只在不可避免的情况下才会应用,否则仍用宏观的解决方法.本文讨论的是与气动热有关的高超声速飞行问题,包括数学模型的选择,空气化学组分的确定及其化学反应,边界条件处理,辐射热的计算等等,最后推荐如何正确选择高超声速飞行的数学模拟方法.      

流向磁场作用下圆柱绕流的直接数值模拟

绕流是托卡马克装置中液态包层内常见的流动形态,对流场与热量分布有着重要的影响.本文通过直接数值模拟(DNS),研究了不同磁场强度下$Re=3900$的圆柱绕流,分析了磁场强度对于湍流尾迹的影响.无磁场情况下,直接数值模拟的结果与前人的实验及模拟结果吻合很好.圆柱下游的尾迹中,随着流向距离的增大, 流向速度剖面逐渐从U型进化呈V型, 并慢慢趋于平缓,这表明尾迹中的流动结构受圆柱影响逐渐减小.圆柱后方两侧的剪切层中,由于Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响,可以清晰地看到小尺度剪切层涡的脱落.通过对无磁场的计算结果施加流向磁场,本文计算了哈特曼数($Ha$)分别为20, 40和80的工况,以研究磁场效应对于湍流的影响.结果表明磁场较弱时,流动依然呈三维湍流状态.随着磁场增强, 近圆柱尾流区受磁场抑制明显,回流区被拉长,剪切层失稳位置向下游转移.圆柱后方的涡结构由于受到竖直方向洛伦兹力的挤压作用,随着哈特曼数的增加尾迹区域逐渐变窄.相比于无磁场情况的涡结构,由于磁场的耗散作用,相应的涡结构尺度变小.该研究不仅扩展了现有磁场下湍流运动的参数范围,对于液态包层的设计及安全运行同样具有重要的理论指导意义和工程应用价值.      

相同雷诺数下串列双圆柱绕流的仿真分析

为研究均匀水流场中串列排布的柱群之间的干涉影响,本文以三维串列双圆柱为例,通过计算流体力学(CFD)软件FLUENT15.0中双方程k-ε模型,分析模拟了双圆柱所受平均阻力、平均升力、后柱周向压力、斯特劳哈尔数等水动力特性。结果表明:在雷诺数为Re=2×10~4的串列双圆柱绕流中,两圆柱中心间距L与圆柱直径D的比值为L/D=4时,后柱受前柱绕流尾流影响大,明显高于单圆柱绕流的平均阻力系数,后柱的周向压力值也随前柱尾流的摆动呈现显著的不对称性;当L/D=8时,前柱绕流尾流对后柱影响逐渐减弱;当L/D=12时,两圆柱之间的相互干扰几乎可以忽略,可以看作是相互独立的单圆柱绕流。最后,计算的斯特劳哈尔数与单圆柱绕流对应的斯特劳哈尔数相近且仿真数值在计算数值范围之内,验证了整个仿真分析的准确性,也进一步说明了双圆柱绕流的柱群的干涉影响。双圆柱间距越大,前、后柱之间的干涉影响越弱。     

串列双圆柱绕流问题的数值模拟

本文运用有限体积方法,对绕串列放置的双圆柱的二维不可压缩流动进行了数值计算。为研究两圆柱不同间距对圆柱相互作用和尾流特征的影响,选取间距比Ｌ／Ｄ（Ｌ为两圆柱中心间的距离,Ｄ为圆柱直径）在１．５～５．０之间每隔０．５共八个有代表性的间距进行了计算模拟。计算均在Ｒｅ＝２００条件下进行。计算结果表明：对该绕流问题,流动特征在很大程度上取决于间距的大小。且间距存在一临界值,间距比从小于临界值变化到大于临界