基于非结构化网格和浸入边界的流固耦合数值模拟

对浸入边界方法进行改进,使其适用于非结构网格。利用非结构化网格技术生成贴体网格,充分利用贴体网格与浸入边界的优势,提高复杂区域内流固耦合问题计算效率。流体Navier-Stokes方程空间项采用非结构化网格有限体积法离散,时间项采用欧拉隐式方法。利用浸入边界方法模拟运动固体区域,流固界面作用力通过VOS(Volume Of Solid)方法进行处理。通过振荡圆柱绕流计算结果与文献实验数据对比,验证了本文方法的合理性和正确性,利用本文方法对管路中阀门动态过程进行了数值研究。     

基于浸入边界法的涡激振动流固耦合数值模拟方法

针对涡激振动的精确数值模拟,基于浸入边界法建立了一种处理涡激振动问题的流固耦合分区迭代数值求解模型,采用浸入边界方法处理振动结构的移动边界,并在Navier-Stokes方程中添加附加体力项以体现流固之间的相互作用。为实现流体与固体之间的强耦合作用,采用分区算法,在同一时间步内进行多次迭代求解直至收敛。为验证该方法,选用静止圆柱绕流与圆柱的"8"字涡激振动两个算例,与前人试验及数值计算所得结果展开对比,结果表明,该方法对涡激振动问题具有良好的适用性,有效性与准确性。研究成果可为工程领域中涡激振动问题的精确数值模拟提供了一种有效的计算方案。     

方柱绕流CFX三维数值模拟

该文利用计算流体力学软件CFX,对恒定来流条件下黏性不可压缩流体的圆柱和方柱绕流进行了数值模拟。采用有限体积法和SIMPLE计算方法,求解不可压缩Navier-Stokes方程。首先开展雷诺数(Re)等于100和300时的圆柱和方柱绕流问题的二维数值模拟,分析比较了网格大小和时间步长对模拟结果的影响,并比较了不同柱体情况下的流体流动的差异性。进而对Re=100、300时方柱绕流问题进行了三维数值模拟,重点分析了各截面上阻力和升力系数、Strouhal数以及涡量特性与二维结果的差异。发现Re=300时,周向压力、速度场和涡量场与Re=100时相比存在明显的三维特性,并且由于二维流动结构发展成三维流动结构时需要消耗能量,导致三维的阻力升力系数计算结果均小于二维计算结果。研究表明,该文的数值结果与文献结果吻合良好。     

基于FLUENT的小雷诺数下方柱绕流的数值模拟

采用FLUENT对小雷诺数（Re〈52）下方柱绕流进行数值模拟,分析方柱后对称反向漩涡的图谱与漩涡尺寸的特点,分析研究表明：在小雷诺数下,方柱绕流的图谱与圆柱绕流图谱相似,并存在两个特征雷诺数,但两个特征雷诺数较圆柱绕流的小些;方柱绕流对称反向漩涡尺寸与雷诺数呈线性关系变化,并且漩涡发生得比圆柱绕流更为剧烈;方柱绕流柱体后的漩涡能够较容易达到稳定状态。研究结论进一步丰富方柱绕流问题。     

方柱绕流数值模拟

利用FLUENT中的RNG k-ε算法对长宽比H/B=1.5方柱绕流进行数值模拟,分别模拟了在雷诺数Re=800的亚临界条件下,4种不同情况下的流动。分别为:流体流过单个方柱,流体流过间距为1H,2H,3H的两并列方柱的流动。根据数值模拟结果,分别得出了4种流动状态下流场,壁面的升阻力系数。并对升力系数进行傅里叶变换,分析及归纳了方柱绕流旋涡脱落的规律。     

基于扩展多面体单元的DEM-SPH耦合算法及应用

对于颗粒材料与流体介质的动力作用可分别通过离散元方法(Discrete Element Method, DEM)和光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)模拟颗粒和流体,并采用DEM-SPH算法计算两种介质间的耦合作用。当颗粒材料采用多面体单元进行模拟时,颗粒单元与流体之间会形成几何形状复杂的流固耦合界面,不宜采用计算效率较低的传统边界粒子方法。为此,该文基于Minkowski Sum方法构造扩展多面体单元,并通过Hertz接触模型计算单元间的接触力,进而建立基于扩展多面体单元的DEM方法;流体介质采用弱可压缩格式的SPH方法。将几何复杂的流固界面耦合作用近似为排斥力模型,从而只对SPH粒子与固体界面进行几何判断即可确定两者的相互作用力。该方法避免了对大量边界粒子进行的相关计算,具有计算简便且适用于复杂固体边界的优点。该文进一步采用基于GPU的并行算法从而实现DEM和SPH的高性能计算以提高DEM-SPH耦合的计算效率。采用以上方法对方柱绕流和溃坝冲击块体过程进行了数值计算,并与相关试验数值和计算结果进行了对比验证,一致性很好,进而说明了该文建立的DEM-SPH耦合方法对颗粒材料与流体介质相互作用数值模拟的合理性和准确性。     

三方柱绕流的大涡模拟及频谱分析

高雷诺数条件下,无论来流是均匀还是非均匀,多方柱绕流情况下方柱受力及尾流的相互干扰都是相当复杂的.为了研究方柱受力及下游尾流的相互干扰,基于大涡模拟紊流模型对后品字等边布置的三方柱绕流进行了数值模拟,数值模拟结果表明,上游两个方柱的阻力系数要明显小于下游方柱,而上游两方柱升力系数远大于下游方柱,且下游方柱的升力系数基本...     

引入动力模式的DDES模型及其在大分离流动中的模拟应用

该文研究了引入LES模型中的动力模式的DDES模型在大分离流动中的模拟应用。引入动力模式的DDES模型(动力DDES模型)根据流场特性动态地决定模型系数,理论上能够捕捉到更多的湍流小尺度运动。为了验证动力DDES模型的模拟表现,分别应用动力DDES模型和DDES模型对雷诺数Re=3900的三维圆柱绕流和雷诺数Re=22000的三维方柱绕流进行了数值模拟,比较分析了这两种模型计算的时均流场特征和瞬时流场特征。结果表明,引入动力模式对DDES模型计算的流场特征有一定的改善,同时动力DDES模型可以模拟更精细的瞬时流场湍流结构。     

基于SPH方法的自由水面溢流过程开边界数值模拟

SPH方法是近年发展起来的流体数值模拟的一种新方法.目前,SPH方法流体模拟主要是经典的激波、Poiseuille流、Couette流、腔内剪切流及像溃坝一样的自由表面流动.均属于初始给定所有粒子的闭边界数值模拟.该文依据SPH方法,采用周期运动边界,实现了溢流坝自由表面流开边界数值模拟.计算水面线与物模实测结果吻合较好.     

高阻塞率方柱绕流的大涡模拟

该文采用PIV测速技术和大涡模拟(LES)数学模型对雷诺数Re=13 400,阻塞率为22%的方柱绕流进行了研究,探讨了高阻塞率对方柱绕流流场的影响,并与先前的研究结果进行了比较。研究发现:大涡模拟能很好地再现方柱绕流的流场特征;高阻塞率下方柱绕流的斯特劳哈尔数和阻力系数都有所增大;阻塞率增高导致紊动能增加,使得方柱上游端横断面上的纵向速度脉动与横向速度脉动比低阻塞率情况下强。     

三方柱绕流的大涡模拟及频谱分析

高雷诺数条件下,无论来流是均匀还是非均匀,多方柱绕流情况下方柱受力及尾流的相互干扰都是相当复杂的。为了研究方柱受力及下游尾流的相互干扰,基于大涡模拟紊流模型对后品字等边布置的三方柱绕流进行了数值模拟,数值模拟结果表明,上游两个方柱的阻力系数要明显小于下游方柱,而上游两方柱升力系数远大于下游方柱,且下游方柱的升力系数基本上在零左右振荡,通过频谱分析发现了它们之间的区别。方柱的尾流存在着强烈的非对称相互干扰,且涡有明显的三维性。     

基于有限元法的散度自由隐式浸入边界求解

该文针对现有的浸入边界算法不满足连续性条件的问题,提出了散度自由的隐式浸入边界求解方法。将控制方程沿特征线展开进行时间离散,使用有限元法进行空间离散。通过直接力法求解附加体积力时,采用隐式方法,考虑了控制方程中附加体积力与压力的耦合关系。将附加体积力按是否与压力耦合分为两部分,分别求解。在分步法的求解过程中,速度校正在附加体积力和压力的迭代计算内完成,从而使计算结果同时满足无滑边界条件与连续性条件。以圆柱绕流为基准算例,验证了算法的可行性与准确性。同时验算了方柱匀速运动算例,对比了显、隐式求解方法的计算结果。     

二维浅水流动的有限元进行数值模拟

建立了并行计算系统工作站机群，实现了浅水流动的并行数值模拟。采用信息传递接口(MPI)为通讯库，实现了基于图论的区域剖分方法，并且提出了一种显隐交错的数值格式，该格式具有数值计算精度高，适合并行计算的特点。计算了较低雷诺数下（R<300）方柱绕流的情况。并与Suzuki及Breuer的结果进行了比较。     

基于LES方法圆柱绕流三维数值模拟

该文采用计算流体软件CFX5中Large-eddy simulation(LES)模型计算了均匀流场中三维圆柱绕流的水动力特性。使用有限体积法对三维N-S方程进行求解。数值模拟着重研究了高雷诺数时展向各截面的压力、阻力、升力及涡管特性。数值计算结果表明:展向各截面柱体受力关于中截面对称且小于二维情况,柱体周围流场呈现明显的三维特性。     

振动边界耦合作用下基于微分求积法的三维不可压缩粘性流体的数值模拟

本文采用微分求积(DQ)法基于非交错网格建立在考虑流体-结构相互作用下求解三维不可压缩流体NavierStokes方程的数值方法。弹性振动边界为矩形薄板，诱发板振动的因素为作用在板上的脉动压力场，边界板的振动与流动形成耦合作用。数值结果给出了一箱形流道内雷诺数分别为100，1000和10000时的流场。大量分析表明．用本文方法模拟考虑流体一结构相互作用下的流动问题是可行的。     

近壁水平圆柱绕流漩涡特性流场计算

该文运用计算机数值模拟了均匀流绕固定圆柱的流场.对3种模型进行了分析,分别是:孤立圆柱绕流、串列双圆柱绕流和并列双圆柱绕流.实验中主要模拟了雷诺数为20、40和100时的绕流流动,并得到流场的速度等值线图、速度欠量图和流线图.计算结果发现:当雷诺数为40时,流场有明显变化,有趋势但并没有形成明显的卡门涡街.     

核电站管路流致振动和噪声的数值模拟研究

该文针对工程上亟待解决的管路流、固及声耦合引起的振动和噪声问题,综合应用专业软件ANSYS、FLUENT和ACTRAN,基于流固耦合算法计算流致振动,基于多步骤混合算法(DES,有限元求解Lighthill方程)计算流致噪声。数值模拟了复杂工况下实际工程管路的流动模态、结构湿模态和管内声模态,为通过错频避免这三个模态耦合共振提供了基础;定量分析了振源和声源分布,以及流致振动和噪声频谱,为通过流场控制实现流致振源和声源强度控制提供了数值模拟方案;定量评估了关键部位倒圆角的减振降噪方案的工程效果。通过与实验数据的比较,验证了流、固和声模态定量计算以及流固耦合振动频谱与管内流致噪声频谱定量计算的适用性,为解决相应工程问题提供了有效的数值模拟方法和关键参考数据。     

均匀来流中大长径比深海立管涡激振动特性

提出了一种对大长径比深海立管涡激振动特性进行三维耦合数值模拟的方法。其中,流场采用大涡模拟方法进行三维数值模拟,结构振动采用基于薄壳模型的有限元方法进行数值计算,并采用一种将流场和结构响应数据进行实时传输的新方法,实现了流体与固体之间的三维耦合数值模拟。在雷诺数Re=3400和11000下,对某长径比为1200的深海立管模型在均匀来流中的横向涡激振动特性进行了数值模拟与分析。结果表明,大长径比柔性立管的横向振动响应对其尾涡动力特性会产生显著影响,包括会出现涡泄频率显著增大和多频涡泄等复杂现象。尽管来流是均匀的,但立管的横向振动响应会出现明显的多模态特征,除了包含有与涡泄频率一致的振动响应外,还包含有其它频率成分的振动响应。特别地,还会出现多种高阶模态振动共存的非对称复杂弯曲变形等现象。研究表明,该方法为研究深海立管涡激振动特性及其工程预报的相关问题提供了一种有效的途径。     

考虑流固耦合的渡槽动力计算方法综述

对解决渡槽流固耦合问题的附加质量法、Housner弹簧模型、边界元法及ALE有限元法进行介绍和比较后指出：附加质量法，将渡槽中的水体质量当作固定的附加质量考虑；Housner模型，将水体简化为一系列质点及弹簧振子；边界元法，对流体域进行边界元模拟，分析流体晃动对渡槽的作用；ALE有限元，用ALE概念追踪流体域。     

线性剪切来流对方柱绕流特性影响的数值分析

为研究线性剪切来流对方柱绕流特性的影响,将对流出口边界条件引入特征线算子分裂有限元法中,建立了线性剪切来流的方柱绕流数值模型,并采用均匀来流的方柱绕流模拟结果验证了该模型计算方柱绕流问题的可靠性。数值模拟结果表明,剪切参数k对方柱绕流尾部形成的两排涡影响明显,涡脱落在k较大时被抑制,在k≥0.4时涡量最终形成一个类似三角形的区域;驻点随k的增加逐渐向高速侧分离点移动,在k≥0.3时驻点的位置不再发生变化;平均阻力系数在0.2≤k≤0.25时发生较大变化,平均升力系数在k≥0.2时为负。