VOF方法模拟水面振荡流场

应用VOF(Volume of Fluid)方法结合不可压缩流体的N-S方程和连续性方程对矩形水池中的水面振荡流场进行数值模拟.采用共轭剩余法结合差分法求解N-S方程和连续性方程,采用施主-受主法求解流体体积函数控制方程.计算得到一个振荡周期内典型时刻矩形水槽水面振荡流场分布情况并与理论分析结果进行比较.并将计算得到的...     

共轭梯度法在三维复杂流动数值分析中的应用

将多块网格技术运用于三维T型管复杂流场的网格生成，利用不完全乔列斯基预处理共轭梯度，双共轭梯度方法求解N－S方程的离散方程。计算表明上述方法有良好的收敛特性，适合于诸如T型管等复杂流动的分析。     

双圆柱的入水参数对水作用力的影响

为了分析多圆柱入水的各个状态参数对圆柱所受水作用力的影响,本文采用了CFD方法对双圆柱同步常速入水这一物理过程进行了动态数值模拟。采用变密度的不可压缩Euler方程作为控制方程,通过求解密度域的接触间断来追踪自由液面。基于直角切割网格系统,采用Roe型的Upwind格式的有限体积法作数值离散。采用双时间推进法和人工压缩法来进行时域步进。相对单圆柱入水的受力而言,本文对双圆柱相互作用所引起的附加水作用力,采用数值拟合的方法,提出了简单的代数表达式。然后分别以双圆柱的半径、间距和入水速度作为状态参数,定量地分析了这些参数对附加水作用力的影响,综合构造出可用于任意双圆柱同步入水模型的附加水作用力的估算表达式。本文的思想方法也可用在多柱状体的工程结构的入水分析中。     

圆形断面水跃共轭水深的迭代计算方法

基于圆形过水断面的几何特点与棱柱体水平明渠的水跃方程,推导出圆形断面的水跃方程。通过数学变换,得到了圆形断面水跃共轭水深计算公式。针对具体算例,采用图解法与迭代计算相结合的办法对圆形断面的共轭水深进行了求解。算例表明,该计算方法简单、结果精确,便于推广应用。     

圆形断面水跃共轭水深的迭代计算方法

基于圆形过水断面的几何特点与棱柱体水平明渠的水跃方程,推导出圆形断面的水跃方程。通过数学变换,得到了圆形断面水跃共轭水深计算公式。针对具体算例,采用图解法与迭代计算相结合的办法对圆形断面的共轭水深进行了求解。算例表明,该计算方法简单、结果精确,便于推广应用。     

三角形渠道共轭水深简化计算

针对目前三角形断面共轭水深(完全水跃情况下)求解公式存在的计算过程繁复、误差大、适用范围有限等问题,在对三角形断面共轭水深基本计算方程进行简化整理的基础上,以共轭水深曲线线型分析为基础,采用优化拟合技术,通过对多组备选函数的拟合逼近,获得了计算过程简捷、适用范围广的共轭水深简化计算公式。精度分析表明,该公式求解三角形断面水跃跃前、跃后水深的最大相对误差分别为0.168%和0.124%,高于目前现有其他计算公式。     

基于速度势法的水电站进水塔弯曲自由振动解析解

介绍了基于速度势解析算法求解水电站进水塔在水中弯曲自由振动的方法。分析进水塔的主要受力特点,为引入流体速度势解析算法对结构进行简化和假设。以分布参数梁体系推导得到无水时进水塔弯曲自由振动频率方程,根据速度势拉普拉斯方程确定了所求解问题的边界条件,通过内外水压力表达式建立进水塔的弯曲自由振动方程。推导振动方程得到频率方程,经过数学软件编程求解,最终可得到结构振型和频率。推导过程表明流体速度势法是将水体转化成与塔体振型相关的质量附加于结构,从而影响结构的振动。与数值方法对比和探讨,分析了两者异同,提出本文方法适用范围。结果表明,本文解法可以引入内外含水矩形横截面进水塔的弯曲自由振动问题的求解,为下一步进水塔地震响应分析提供一种新的思路。     

喷管不同摆角对水下发射导弹受力的影响

论文研究了带摆喷管推力矢量控制系统的导弹水下垂直发射时,不同喷管摆角对三维水气流场的非定常发展变化过程及对导弹受力的影响。采用燃气泡物理模型,通过水气流场的耦合计算研究燃气与水的相互作用,运用欧拉-拉格朗日和时间步进的方法跟踪燃气泡自由面。以三维欧拉方程为控制方程对喷管和燃气泡内的三维气流场进行数值计算,根据燃气泡不断运动变化的交界面生成贴体动网格,在贴体坐标系下采用无波动、无自由参数、耗散的差分格式(NND差分格式)数值求解三维气流场。采用势流理论,以拉普拉斯方程为控制方程,利用三维Hess-Smith方法数值求解了导弹与燃气泡周围的三维水流场。给出了不同时刻泡形的变化,气流场内马赫数、压力的演变规律,导弹受力及力矩。通过多个工况的对比计算,研究了喷管摆角对导弹受力及水气流场的影响。     

标准马蹄型断面共轭水深的直接算法

在马蹄型断面水跃共轭水深基本计算方程变形整理基础上,引入无量纲水跃函数、无量纲面积倒数、无量纲静水压力及已知综合参数,采用双函数拟合方法对公式中相关参数进行了拟合替代,获得了可直接完成跃前及跃后水深求解的简化计算通式,且表达形式简单直观、便于实际工程应用。     

共轭水深的数值算法

在水利工程的设计中,经常要遇到确定共轭水深的问题,即已知流量、渠道断面型式和一个水深,求相应的共轭水深。以往除矩形断面的共轭水深问题可利用图表求解外,对于其他断面型式的共轭水深的求解,需进行复杂的试算或图解。这个问题本质上是一个解一元高阶方程的问题,故用数值法求解将比较容易。     

突然扩散水跃方程的改进与比较

为研究突然扩散水跃方程的特性,根据动量守恒原理,在回流区平均水深作为代表水深的假设下,推导了突然扩散水跃的一般方程。在改进了回流区平均水深具体表达式的基础上,得到了突然扩散水跃的新方程,并给出了有关参数的确定方法。将已有的和改进的突然扩散水跃方程求得的共轭水深比与试验结果进行了比较,结果表明:不同突扩比时改进后的方程求得的共轭水深比与试验结果的平均相对误差和最大相对误差最小,计算精度最高;且改进后的方程具有显式解,计算方便。因此,改进后的方程可用于突然扩散水跃共轭水深的水力设计。     

三维薄翼入水水动力的计算

本文提供了一个计算三维薄翼高速入水水动力性能的非定常数值升力面方法。假设薄翼高速入水时,翼的背面为全空泡状态,当翼的随边进入液面后,此空泡域按一定的方向拖至自由液面。在翼的拱弧面上布置线涡和线源,在翼后空泡面上布置线源,所有的奇点系在自由液面上方存在映象以满足自由液面条件。根据翼迎流面的法向不可穿透条件和翼背面及翼后空泡面上的空泡动力学条件确定所有待定线涡和线源的强度,并由此可以计算各时刻翼上压力分布。利用本文提供的方法首先计算了二维薄翼入水的水动力性能,将结果与理论解进行比较,两者结果较为一致。然后,研究了三维薄翼的入水问题。     

基于OpenFOAM的挡板透空式防波堤水动力特性数值分析

基于有限体积法理论,应用开源计算流体力学软件OpenFOAM求解黏性不可压缩流体的连续性方程和动量方程,建立了二维数值波浪水槽,并通过规则波作用下挡板式透空结构的物理模型试验数据(波面、压力和流速)对数值波浪水槽进行了验证;计算并比较分析了不同入射波浪条件下挡板相对入水深度对透射系数和挡板底部流速的影响。结果表明,当挡板相对入水深度大于0.8时,透射系数可降低至0.5以下;随着挡板相对入水深度的增加,底部水体往复流动的速度也明显增大,这需要引起工程技术人员的额外关注。     

梯形断面波浪形底板消力池自由水跃特性研究

应用动量方程推导了梯形断面波浪形底板消力池自由水跃的共轭水深计算公式,采用VOF(volume of fluid)方法追踪自由液面,模拟了三维梯形断面波浪形底板消力池自由水跃,辅以RNG(重整化群)湍流模型封闭时均流方程,选用有限体积法离散微分方程,使用压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法耦合求解速度与压力。模拟结果显示:梯形断面波浪形底板消力池中水跃的自由液面的形状、位置和水跃尺寸等模拟结果与实验值吻合较好;水跃区纵断面的流线、流速和紊动动能分布规律近似于矩形断面消力池,表明梯形断面波浪形底板消力池自由水跃的水力特性与矩形断面相似,并且矩形断面波浪形底板自由水跃的经验公式可以应用于梯形断面波浪形底板消力池的自由水跃。研究结果对消力池工程设计有一定的参考价值。     

基于改进结合界面边界条件方法的矩形柱驰振数值模拟

针对流固耦合问题该文提出了一种改进结合界面边界条件方法,即通过重构界面修正公式,完全消除未经修正的拖曳力,引入新的耦合参数ω/△t以考虑时间步的影响.基于任意拉格朗日-欧拉有限元方法和弱耦合算法求解流固耦合系统.采用CBS(Characteristic-Based Split)稳定化流体有限元算法求解不可压缩Navier-Stokes方程;采用Newmark-β法求解结构运动方程;对流固耦合系统的网格更新,采用子块移动技术结合正交-半扭转弹簧近似法;在流场压力泊松方程中加入质量源项以保证几何守恒律;增加界面处的位移修正,以保持几何连续性.并运用该方法数值模拟了低雷诺数下长宽比4:1的矩形柱驰振,计算结果与已有文献结果高度吻合.     

溢流堰消力池水力近似计算

依据水跃理论,为减少试算法或图解法的繁杂计算,提出了求解消力池收缩水深与相应共轭水深的近似计算。直接求解收缩水深和共轭水深,并假定以池深等于乘以安全系数的共轭水深与出水渠水位之差,并用算例和算表加以说明,基本满足临界水跃要求,从而简化了消力池水力计算。     

泄水建筑物扩散段水跃共轭水深的近似算式

以扩散段水跃基本方程为基础,利用直接求解跃前水深近似算式,求出跃前水深值,并对扩散段水跃基本方程进行优化,可得到求解扩散段共轭水深的算式。     

格子Boltzmann方法在模拟液滴冲击液面中的应用

应用格子Boltzmann两相流方程,结合水平集界面重构技术,提出两相流的数值模型。采用五阶WENO格式和三阶TVD Runge-Kutta格式来求解水平集函数的输运方程。在不计重力的条件下,对液滴平动进行了数值模拟,在计算了800个时间步后,平动的液滴仍然保持原来的形状。在考虑重力的条件下,对液滴在空气中自由下落、液滴冲击液面的全过程进行了数值模拟,精细地刻画了液滴和液面界面的变化过程。数值模拟结果与物理现象一致。     

基于CIP方法的入水过程模拟

入水问题涉及到军事、航空等领域,如子弹入水、船舶砰击等,具有很强的应用背景。物体入水的过程涉及到固、液、气三相流动和相互作用,并伴随水花飞溅、空泡形成等复杂的物理现象。该文基于紧致插值CIP(constrained interpolation profile)数学模型,分步求解Navier-Stokes(N-S)方程,并通过多相流理论描述固-液-气之间的相互作用,采用Volume of Fluid(VOF)类型的高精度紧致tangent of hyperbola for interface capturing(THINC)方法重构自由面。模拟了刚性圆柱和方柱的入水过程,结果与实验数据吻合较好。     

梯形明渠共轭水深计算方法

一方面,通过对共轭水深方程进行数学变换,并根据共轭水深的水流特点,得到计算其水深的迭代公式;另一方面,通过求解一元二、三次方程得到共轭水深的初值近似计算式,并以此为初值,用迭代公式进行一次迭代得到梯形明渠共轭水深的直接计算公式。计算数据表明,该法不依赖图表,计算便捷且精度很高,可供工程实际参考应用。