非结构网格热化学非平衡辐射流场数值计算

针对三维热化学非平衡辐射流场设计了基于非结构网格的数值计算方法. 根据原子分子光谱理论逐条计算了100$\sim$1\,500\,nm间N, O, N$^{ + }$, O$^{ + }$的谱线以及N计算流体力学; 辐射; 热化学非平衡; 非结构网格; 有限体积法针对三维热化学非平衡辐射流场设计了基于非结构网格的数值计算方法.根据原子分子光谱理论逐条计算了100～1 500nm间N,O,N+,O+的谱线以及N2,O2,NO,N+2等分子的10个谱带,特别分析了NO的β'带,γ'带,δ带和ε带的辐射特性.采用耦合辐射的双温模型计算热化学非平衡流场,辐射源项通过直接求解辐射输运方程RTE(radiative transport equation)获得.在空间和方向上分别离散后,利用有限体积法求解不同方向上的辐射输运方程.计算得出了再入飞行器前驻点的辐射强度分布.采用该数值方法计算了MUSES-C模型在速度为11.6km/s时的绕流流场及前驻点处的辐射热流密度.并通过对比分析了热辐射对流场的影响.     

渐开线斜齿轮非稳态弹流润滑数值模拟研究

建立了渐开线斜齿轮啮合的弹流润滑计算模型,将斜齿圆柱齿轮啮合的齿面接触等效为有限长线接触的弹流润滑问题.考虑斜齿轮啮合的实际因素,将斜齿轮啮合过程中的等效曲率半径和齿面载荷的变化反映到弹流润滑计算模型中,应用统一Reynolds方程方法求得轮齿在1个完整啮合周期内的瞬时弹流润滑数值解.结果表明：斜齿轮啮合线上各点处的膜厚、压力均有较大不同,各接触点处的油膜厚度受综合曲率半径的影响较大;斜齿轮传动非稳态效应相对较弱;小齿轮齿根附近和节点位置处润滑状态较差;适当增大压力角可以改善齿轮的润滑.     

三维非结构聚合多重网格法数值模拟研究

在三维非结构网格上应用聚合式多重网格技术来加速Euler方程的收敛过程．自行设计了一种高效率的网格聚合方法．采用四重三维非结构网格，在每一层网格上采用有限体积法进行计算．通过对M6翼型的数值求解验证了多重网格加速收敛的高效性．     

非结构混合网格高超声速绕流与磁场干扰数值模拟

对均匀磁场干扰下的二维钝头体无粘高超声速流场进行了基于非结构混合网格的数值模拟.受磁流体力学方程组高度非线性的影响及考虑到数值模拟格式的精度,目前在此类流场的数值模拟中大多使用结构网格及有限差分方法,因而在三维复杂外形及复杂流场方面的研究受到限制.本文主要探索使用非结构网格(含混合网格)技术时的数值模拟方法.控制方程为耦合了Maxwell方程及无粘流体力学方程的磁流体力学方程组,数值离散格式采用Jameson有限体积格心格式,5步Runge-Kutta显式时间推进.计算模型为二维钝头体,初始磁场均匀分布.对不同磁感应强度影响下的高超声速流场进行了数值模拟,并与有限的资料进行了对比,得到了较符合的结果.     

涡轮增压器离心压气机非稳态工况流场分析

利用商用 CFD 软件对一小型车用离心压气机建立了数值模型,并将模拟结果与实验结果进行了对比:稳态的设计转速最高压比相差不超过 0.5%,最高效率相差不超过1.5%;非稳态模拟和实验得到的失速频率均为 3000Hz,模拟结果真实可信.主要利用设计转速下小流量工况时的非稳态数值模拟结果对喘振发生前离心压气机各部件的非稳态流动特点进行了详尽阐述.研究结果表明:小流量工况时离心压气机各部件均出现非稳态流动现象,这种非稳态效应在各部件中表现出不同的特点,且随着流量的减小这种非稳态效应会不断加剧.     

非稳态不可压缩自由表面粘性流体的三维数值计算

扩展了相对体积算法，计算了变速旋转的敞口圆筒内水的真实非稳态流动。采用了原始变量、交错非等分网格和显式迭代。计算结果与实验现象相吻合。当圆筒长时间等速旋转，其内流体与筒体一起作刚性旋转时，计算自由表面形状与流体力学理论公式的预言吻合得很好。     

床面上直立圆柱的三维湍流数值模拟

从数值预报桥墩等结构物床面局部冲刷的角度发展绕直立圆柱的三维湍流的数值模拟技术. 基于Wilcox的k-ω两方程湍流模式，采用基于有限体积法的压力修正SIMPLE算法, 计算了绕床面直立圆柱的三维湍流流场，分析了光滑和粗糙床面两种情况下的流动情况. 通过系列的验证计算，表明该计算模型能够比较准确地反映不同外来流条件下绕直立圆柱的流场. 计算结果揭示了床面粗糙度对绕圆柱的湍流流动的影响.     

有限长轴承非稳态油膜力自由-移动边界问题的有限条解法

讨论了不可压缩流体润滑的动载径向滑动轴承油膜压力分布的自由移动边界问题的有限条解法．将自由边界问题转化为全域(矩形域)的具有不等式约束的微分方程的边值问题,进一步化为具有不等式约束的泛函极值问题。借助有限条法在矩形域上离散这个泛函,得到了一个特殊的二次泛函的规化问题。通过变量平移变换,使其化为标准的二次规划问题。然后借助于牛顿非光滑算法,迭代求解非线性的互补方程。给出了有限长轴承真实的油膜应力分布。对于所求解方程的系数矩阵的高度稀疏性。给出了紧缩存储算法。节省了存储空间和减少了计算量。算例表明该方法是有效的。     

裂隙岩体非稳态渗流数值模型及其应用

为解决裂隙岩体非稳态渗流问题, 发展了一种新的数值模型. 对于单裂隙渗 流求解, 其控制方程是基于一定假设的简化Navier-Stokes方程, 数值方法采用有限差分法 和流体体积法. 在裂隙网络中, 交界处渗流可以由专门的控制方程求解. 计算结果表明, 该 数值模型既可以大幅提高非稳态渗流的计算效率, 还可以避免孤立裂隙所带来的影响. 最后, 通过两个工程算例验证该数值模型的适用性.     

基于有限差分-谱方法的分数阶Burgers流体的非稳态驻点流动

研究了分数阶Burgers流体通过拉伸平板的非稳态驻点流动问题。将分数阶导数引入Burgers流体模型可以更好地模拟流动过程,但也增加了模型的复杂性和求解难度。首次运用有限差分-谱方法求解分数阶Burgers流体模型,离散格式构造简单有效。采用谱方法对控制方程中的空间项进行离散,利用有限差分方法分别结合L-1和L-2算法离散控制方程中的时间项,给出了两种离散格式,并且通过构造数值算例证明了离散格式的收敛性。结果表明,在靠近平板处,速度随着分数阶导数的增加而减小,而无穷远处的流体速度呈现出相反的趋势,体现了分数阶导数的记忆特性。此外,雷诺数越小,流体的粘度越大,导致流体速度越大。由于松弛时间参数的松弛特性,靠近平板处松弛时间参数对速度分布有抑制作用,远离平板处松弛时间促进流体流动。     

扩散抛物化Navier-Stokes方程数值解法评述

20世纪60年代末期在边界层理论基础上发展起来的各种简化Navier-Stokes (N-S)方程(统称为扩散抛物化N-S方程)及其算法, 较为彻底地解决了无黏流及黏流的相互干扰问题, 并为高雷诺数大型复杂黏性流场的数值模拟开辟了新的途径. 本文将系统地评述这一领域的主要成果, 包括各种简化N-S模型的优缺点; 数学奇性及正则化方法; 代表性的数值解法以及最近几年的新进展.      

CFD simulation of two‐ and three‐dimensional free‐surface flow

The paper describes the implementation of moving‐mesh and free‐surface capabilities within a 3‐d finite‐volume Reynolds‐averaged‐Navier–Stokes solver, using surface‐conforming multi‐block structured meshes. The free‐surface kinematic condition can be applied in two ways: enforcing zero net mass flux or solving the kinematic equation by a finite‐difference method. The free surface is best defined by intermediate control points rather than the mesh vertices. Application of the dynamic boundary condition to the piezometric pressure at these points provides a hydrostatic restoring force which helps to eliminate any unnatural free‐surface undulations. The implementation of time‐marching methods on moving grids are described in some detail and it is shown that a second‐order scheme must be applied in both scalar‐transport and free‐surface equations if flows driven by free‐surface height variations are to be computed without significant wave attenuation using a modest number of time steps. Computations of five flows of theoretical and practical interest—forced motion in a pump, linear waves in a tank, quasi‐1d flow over a ramp, solitary wave interaction with a submerged obstacle and 3‐d flow about a surface‐penetrating cylinder—are described to illustrate the capabilities of our code and methods. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

亚、跨、超音速及不可压流动的数值分析方法的研究

为了对亚、跨、超音速及不可压无粘流动进行数值模拟,将LU－SGS方法与预处理方法结合,给出了PLU－SGS方法。方程离散基于有限体积法,采用高阶精度AUSMPW格式。方程求解采用了特征边界条件。通过典型算例的数值试验对比分析,表明PLU－SGS方法可以有效地对亚、跨、超音速及不可压流动进行数值模拟,并具有较高的计算精度和收敛速度。     

用混合网格求解三维可压雷诺平均Navier—Stokes方程

用混合网格求解了三维紊流 N-S方程。在物面附近采用三棱柱网格 ,其它区域则采用四面体网格。方程的求解采用 Jamson的有限体积法 ,紊流模型采用两层 Baldwin-Lomax代数紊流模型。数值算例表明 ,用混合网格求解三维紊流 Navier-Stokes是非常有效的。     

Numerical simulation of transpiration cooling through porous material

Transpiration cooling using ceramic matrix composite materials is an innovative concept for cooling rocket thrust chambers. The coolant (air) is driven through the porous material by a pressure difference between the coolant reservoir and the turbulent hot gas flow. The effectiveness of such cooling strategies relies on a proper choice of the involved process parameters such as injection pressure, blowing ratios, and material structure parameters, to name only a few. In view of the limited experimental access to the subtle processes occurring at the interface between hot gas flow and porous medium, reliable and accurate simulations become an increasingly important design tool. In order to facilitate such numerical simulations for a carbon/carbon material mounted in the side wall of a hot gas channel that are able to capture a spatially varying interplay between the hot gas flow and the coolant at the interface, we formulate a model for the porous medium flow of Darcy–Forchheimer type. A finite‐element solver for the corresponding porous medium flow is presented and coupled with a finite‐volume solver for the compressible Reynolds‐averaged Navier–Stokes equations. The two‐dimensional and three‐dimensional results at Mach number Ma = 0.5 and hot gas temperature T_HG=540 K for different blowing ratios are compared with experimental data. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

弹体侵彻干砂的数值模型

基于砂粒的不可压缩性假设,利用球形空腔动态收缩模型和广义Mises强度准则推导了干砂的孔隙压密演化方程;根据Hugoniot冲击突跃条件和Grüneisen系数,推导了干砂考虑孔隙演化影响的状态方程;根据关联流动法则,得到了大变形时砂的弹塑性应力应变关系;基于动力有限元计算平台,采用上述模型分析了弹体高速侵彻干砂的作用过程。结果表明,该模型能够表征高速侵彻时砂的孔隙演化对应力应变状态的反向影响,能够较准确地反映高速侵彻作用下干砂的动力响应过程。     

Numerical simulation of flow‐induced noise using LES/SAS and Lighthill's acoustic analogy

We present a finite element (FE) formulation of Lighthill's acoustic analogy for the hybrid computation of noise generated by turbulent flows. In the present approach, the flow field is computed using large eddy simulation and scale adaptive simulation turbulence models. The acoustic propagation is obtained by solving the variational formulation of Lighthill's acoustic analogy with the FE method. In order to preserve the acoustic energy, we compute the inhomogeneous part of Lighthill's wave equation by applying the FE formulation on the fine flow grid. The resulting acoustic nodal loads are then conservatively interpolated to the coarser acoustic grid. Subsequently, the radiated acoustic field can be solved in both time and frequency domains. In the latter case, an enhanced perfectly matched layer technique is employed, allowing one to truncate the computational domain in the acoustic near field, without compromising the numerical solution. Our hybrid approach is validated by comparing the numerical results of the acoustic field induced by a corotating vortex pair with the corresponding analytical solution. To demonstrate the applicability of our scheme, we present full 3D numerical results for the computed acoustic field generated by the turbulent flow around square cylinder geometries. The sound pressure levels obtained compare well with measured values. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

三维海洋内孤立波数值水槽造波研究

海洋内孤立波因其分布广泛和携带巨大能量,对于潜艇安全航行影响很大.本文采用有限体积自适应半结构多重网格法求解Navier-Stokes方程,并用VOF方法追踪两层流体界面,应用双推板造波法进行内孤立波数值造波,建立了两层流体中的内孤立波数值水槽.数值模拟结果证实了该数值水槽数值造波的有效性和可靠性,为后续研究打下了基础...     

Numerical simulation of supersonic reacting mixing layer

In this paper, the supersonic chemically reacting mixing layer is simulated with the third order ENN scheme, based on the Navier-Stokes equations, containing transport equations of all species. The numerical results show that the thickness of mixing layer increases gradually along the flow direction, and that the Kelvin-Helmholtz instabilities may not exist in mixing layer flows. The project supported by the National Natural Science Foundation of China     

考虑磁头表面高度不连续性气膜润滑的数值模拟与有效算法

随着磁头滑块的飞行高度不断降低,给气体润滑方程的数值求解带来了诸如计算时间过长、甚至计算发散等方面的问题。为了获得1Tbit/in2的存储密度,磁头滑块尾部的最小飞行高度接近1.5nm。本文基于作者提出的修正气膜润滑方程的线性流率(LFR)模型,考虑磁头滑块表面高度的不连续性,建立了基于有限体积法的气膜润滑方程离散格式,并把网格自适应技术与多重网格法应用到离散方程的迭代算法中,发展了可模拟最小飞行高度为0.5nm时磁头滑块压力分布的数值模拟方法与有效算法。文中以一个具有复杂表面形状的磁头滑块为例,检验了计算方法与算法的有效性。数值结果表明:在磁头滑块最小飞行高度较低时,必须要考虑滑块表面高度的不连续性,否则就得不到收敛的数值计算结果;与FK-Boltzmann模型相比,LFR模型具有较高的计算效率,采用网格自适应技术与多重网格法能有效地提高求解气膜润滑方程的计算效率。