二维圆柱绕流的动模态分析研究

运用Fluent对单/双圆柱绕流非定常流场进行数值模拟计算,分析了涡脱落的发展演变过程。采用DMD方法对圆柱绕流流场进行稳定性判断,利用分解得到的DMD模态数据对流场进行还原,并对还原流场的误差进行分析。分析结果表明:DMD方法得到的模态包含模态的频率信息;DMD方法能通过提取出来的主要结构完成对流场的还原及预测工作。对于复杂流动结构的DMD分解,所提取的数据量极大程度的影响了模态分解的结果,是能否精确还原实验流场的关键因素。     

基于宏观方程数值本构关系的气体动理论加速收敛方法

在跨流域复杂流动问题的模拟中,基于求解速度分布函数演化方程的气体动理论方法的效率问题一直受到工程应用领域关注.研究提升气体动理论方法在定常流动模拟中的计算效率具有重要意义.为了提升定常流动计算收敛速度,本文提出了一种耦合宏观方程数值本构关系的气体动理论加速收敛方法.通过求解Boltzmann模型方程,将应力、热流高阶项的数值解与宏观方程耦合,实现了宏观方程的封闭;另一方面,宏观方程的计算结果被用来更新Boltzmann模型方程的当地平衡态速度分布函数中的宏观物理量,以此构造求解Boltzmann模型方程的全隐式数值格式.通过跨流域方腔流动、超声速圆柱绕流及双圆柱干扰绕流案例的数值模拟,对方法进行了广泛考核.计算结果与常规气体动理论统一算法、直接模拟蒙特卡罗法符合良好,证明该方法很好地描述了稀薄流动中的非线性本构关系,以及激波、强壁面剪切、流动分离等强非平衡特征.进一步,对于低努森数Kn的流动,方法能显著加速收敛过程,提升计算效率;随着努森数Kn增加,气体对流输运效应减弱,方法的加速收敛效果降低.与此同时,如何减少内迭代耗时,进一步提升效率有待更多研究.     

气体动理论的教学现代化

教学手段的改革是教学改革的一个方面，计算机辅助教学是发展方向，本文对气体动理论的计算机辅助教学实现过程进行了归纳和总结。     

基于转捩SST模型凸起圆柱绕流数值研究

为了研究局部凸起对边界层转捩的影响,采用转捩SST模型分别对亚临界、临界和超临界状态下带突起的圆柱绕流问题进行了数值模拟,分析了不同Reynolds数下带突起的圆柱绕流问题的近壁面流动特征以及表面时均压力与摩擦力系数的分布和凸起对圆柱表面流动分离以及转捩的影响,对比了有无凸起两侧圆柱表面时均压力、摩擦力系数的不同. 结果表明:当来流Reynolds数处于临界区时,气流在圆柱上表面凸起处形成了3个反向旋转的漩涡,之后随着θ的增大,发生了流动分离和流动转捩现象;对于不同Reynolds数下的来流,圆柱上表面的凸起可以使气流发生转捩的位置提前;圆柱上表面的凸起使流速增大、压强降低,从而导致圆柱产生升力,随着来流Reynolds数的增大,其升力逐渐变大.      

二维翼型跨音速绕流的数值模拟

本文结合高精度TVD格式的数值通量和时间进展多步法给出了一种求解定常流问题的数值方法。同时给出一些特殊处理来加快数值解的收敛速度。本文用以上方法计算了翼型跨音速绕流问题,结果表明此方法具有分辨率高,收敛速度较快之性质。     

考虑转动能的一维/二维Boltzmann-Rykov模型方程数值算法

研究考虑转动能的Boltzmann-Rykov模型方程,基于转动自由度对气体分子速度分布函数矩积分,引入约化速度分布函数,应用离散速度坐标法与数值积分技术,将气体运动论模型方程化为在离散速度坐标点处关于三个约化速度分布函数的联立方程组.应用拓展计算流体力学有限差分方法,数值计算考虑转动自由度的双原子气体一维、二维Boltzmann模型方程,得到高、低Knudsen数一维激波管内流动和二维竖直平板绕流问题的流场,分析验证考虑转动能的Boltzmann-Rykov模型方程全流域统一算法求解一维/二维气体流动问题的可靠性.结果表明,气体稀薄程度与分子内自由度对流场具有较大影响,且Knudsen数较高的稀薄气体流动呈现严重的非平衡流动特点.     

含振动能激发Boltzmann模型方程气体动理论统一算法验证与分析

为模拟研究高温高马赫数下多原子气体内能激发对跨流域非平衡流动的影响,将转动能、振动能分别作为气体分子速度分布函数的自变量,把转动能和振动能处理为连续分布的能量模式,将Boltzmann方程的碰撞项分解成弹性碰撞项和非弹性碰撞项,同时将非弹性碰撞按一定松弛速率分解为平动-转动能松弛过程和平动-转动-振动能松弛过程,构造了一类考虑振动能激发的Boltzmann模型方程,并证明了其守恒性和H定理.基于内部能量变量对分布函数无穷积分,引入三个约化速度分布函数,得到一组考虑振动能激发的约化速度分布函数控制方程组,使用离散速度坐标法,基于LU-SGS隐式格式和有限体积法求解离散速度分布函数,建立含振动能激发的气体动理论统一算法.通过开展高稀薄流到连续流圆柱绕流问题统一算法与直接模拟蒙特卡罗法模拟结果对比分析,特别是过渡流区平动、转动、振动非平衡效应对绕流流场与物面力热特性的影响机制,证实了所建立的含振动能激发的Boltzmann模型方程及气体动理论统一算法的准确可靠性.     

基于概念图的PBL教学方法对气体动理论教学研究

基于问题学习(PBL)的教学模式是一种调动学生学习的主动性和积极性,同时培养学生探索问题、解决问题的教学方式.以大学物理中气体动理论一章为例,探讨如何在工科院校大班授课过程中实施PBL教学.结果表明PBL教学方法能够卓有成效地提高学生对物理的兴趣,特别是对拔尖人才的培养,PBL模式是一种非常有效的教学方法.     

稀薄气体二维外部柱体绕流特性研究

本文采用直接模拟蒙特卡罗方法对稀薄气体二维外部柱体绕流问题进行了数值模拟。结果表明:外部绕流问题,在特定情况下会产生激波,激波的产生,不仅与气体的稀薄程度有关,还与来流马赫数有关。而气流与壁面之间的换热,随来流马赫数增加而增加,随气体稀薄程度增加而减小。     

用涡方法数值模拟运动物体非定常流场

采用涡方法对静止圆柱绕流、简谐振动圆柱、静止NACA0012翼型绕流和运动扑翼的非定常流场进行了数值模拟和数值验证,对比验证结果较好.控制方程采用二维不可压缩N-S方程,根据算子分裂法,对流和扩散分别采用不同的时间步长.涡方法基于Lagrange坐标系的特点使其方便模拟运动物体的非定常流场.本文的工作为今后的翼型动态失...     

涡流二极管三维强旋湍流流动的数值模拟

为了揭示涡流二极管内三维强旋流动的特性与其阻抗性能的关系,进一步提高涡流二极管正反向流动阻抗比,本文采用Reynolds应力模型对涡流腔内非对称强旋转湍流流动进行了数值模拟,分析了腔内矢量场与标量场的分布特性,基于涡流腔内的涡量分析,得到了涡流腔内旋流的强制涡与自由涡结构及各自区域范围,并研究了涡流腔径宽比对整体性能的...     

跨流域高超声速绕流环境Boltzmann模型方程统一算法研究

如何准确可靠地模拟从外层空间高稀薄流到近地面连续流的航天器高超声速绕流环境与复杂流动变化机理是流体物理的前沿基础科学问题. 基于对Boltzmann方程碰撞积分的物理分析与可计算建模, 确立了可描述自由分子流到连续流区各流域不同马赫数复杂流动输运现象统一的Boltzmann模型速度分布函数方程, 发展了适于高、低不同马赫数绕流问题的离散速度坐标法和直接求解分子速度分布函数演化更新的气体动理论数值格式, 建立了模拟复杂飞行器跨流域高超声速飞行热环境绕流问题的气体动理论统一算法. 对稀薄流到连续流不同Knudsen数0.002 ≤Kn_∞ ≤1.618、不同马赫数下可重复使用卫星体再入过程(110–70 km)中高超声速绕流问题进行算法验证分析, 计算结果与典型文献的Monte Carlo直接模拟值及相关理论分析符合得较好. 研究揭示了飞行器跨流域不同高度高超声速复杂流动机理、绕流现象与气动力/热变化规律, 提出了一个通过数值求解介观Boltzmann模型方程, 可靠模拟高稀薄自由分子流到连续流跨流域高超声速气动力/热绕流特性统一算法.     

切向管结构对涡流二极管性能影响的数值模拟

为研究涡流二极管切向管结构对其性能及内部流场的影响,本文采用SIMPLE算法、κ-ε模型对锥角为0.(直筒型),3°、5°、7°和10°的五种切向管结构模型进行了数值模拟.结果表明:随着切向管锥角的增大,由于强制涡速度的提高,反向阻力系数随之增大,同时由于切向管中涡量的增大,正向阻力系数也随之增大.直筒型切向管结构ε值...     

变密度随机涡模型在湍流射流扩散火焰中的应用

采用变密度随机涡模型,对H₂/O₂/N₂湍流射流扩散火焰进行数值模拟,湍流过程通过涡的采样、涡的抑制和涡的翻转实现.其中,针对变密度反应流问题,提出一种大涡抑制的新机制,并详细讨论各种参数对模型预测效果的影响.计算结果表明,修改后的模型可以合理预测H₂/O₂/N₂射流火焰结构,能够反映湍流的涡特性;模型中与涡采样和涡抑制有关的参数对预测结果有一定影响.     

基于1.5 μm多普勒激光雷达的飞机尾涡探测技术研究

为规避尾涡威胁,保障飞行安全,研究了飞机尾涡的激光探测技术.介绍了尾涡探测基本原理,给出了激光探测方式设计和探测系统参量选择.基于设计的尾涡激光探测方案,研究了飞机尾涡回波多普勒谱与机型参量、飞行参量以及环境参量间的关系,获得了尾涡的径向速度分布规律,建立了尾涡回波多普勒谱模型,选取最佳尾涡参量估计算法用于尾涡的全面表征|通过开展A340的尾涡探测外场实验验证了激光探测尾涡的可行性和尾涡参量估计算法的有效性.研究表明,尾涡回波多普勒谱值与径向速度的三次方成反比,与涡流环量的二次方成正比.     

Numerical study on the gas-kinetic high-order schemes for solving Boltzmann model equation

The high-order compact finite difference technique is introduced to solve the Boltzmann model equation, and the gas-kinetic high-order schemes are developed to simulate the different kinetic model equations such as the BGK model, the Shakhov model and the Ellipsoidal Statistical (ES) model in this paper. The methods are tested for the one-dimensional unsteady shock-tube problems with various Knudsen numbers, the inner flows of normal shock wave for different Mach numbers, and the two-dimensional flows past ...     

基于偏折光谱的非线性迭代层析数值模拟

模拟流场,校验自研发的偏折层析系统。根据光线偏折的光学原理,以及层析的数学、物理意义,研究开发了偏折层析程序。结合自研发的简单自相关代数迭代重建技术(simple self-correlative algebraic reconstruction technique：SSART),开发了一种新的层析系统,文章称“基于偏折光谱的非线性迭代层析系统”。用Gauss函数模拟复杂流场的一个切片,根据偏折层析算法计算该切片的偏折光谱,从偏折光谱中提取投影。采用SSART迭代重建算法重建截面。比较模拟重建结果与原场的差别,采用均方差 (mean-square error：MSE)和峰差(peak error：PE)指数标定重建效果,以检验算法的有效性。结果发现,应用开发的偏折层析程序,采用SSART迭代算法,能够精确重建模拟场,MSE稳定在0.000 09～0.000 11范围,PE稳定在0.007～0.013之间。因此,基于偏折光谱的非线性迭代层析系统能够根据偏折信息精确重建复杂流场。     

基于VLES模型的振动圆柱数值模拟

本文将一种VLES(Very Large Eddy Simulation)模型引入到动网格数值计算中,并验证了VLES模型用于模拟类似振动圆柱绕流的动边界问题的有效性.数值求解了不同振幅和频率下非稳态振动圆柱绕流问题.研究表明:随着振幅和激励频率的增加,绕圆柱流动涡脱离形式从2S模式转换到2P0模式,再到P+S模式.在...