二阶ETG有限元方法在低雷诺数流动模拟中的应用

本文提出了二阶全展开Euler-Taylor-Galekin（ETG）有限元方法,并应用于对低雷诺数二维不可压缩粘性流动的模拟。深入考虑粘性不可压缩流Navier-Stokes方程中每个子项的作用,利用二阶Taylor全展开完成时间项向空间项的转化,采用时间推进和张量分析的方法推导了N-S方程的有限元离散格式。对具有典型意义的低雷诺数方腔拖曳流、后台阶流及二维方柱受限绕流进行了模拟,得到与相关文献较为一致的结果。表明本文提出的二阶全展开ETG有限元方法是一种具有较好稳定性和较高精度的算法。     

基于无网格伽辽金法的非线性流动数值模拟

基于无网格伽辽金方法针对典型的非线性流动问题进行数值研究,对Navier-Stokes方程使用Galerkin方法离散,方程中的惯性项分别采取速度项提出法和直接推导法进行离散,使用罚函数法施加压力和速度边界条件,建立了基于EFG法的二维N-S方程的离散形式。针对定常非线性流动问题,对矩形域上下平板相向运动流动进行数值模拟,结果表明该方法求解精度比较高,计算误差不超过3.66%;针对非定常非线性流动问题,采取θ加权法对N-S方程中的时间项进行离散,建立了EFG法非定常求解方程。以方柱绕流问题为例,证明了文中所建立的非定常算法的精度及收敛性。     

迎风型紧致算法在二维不可压缩粘性流动中的应用

给出一种高精度求解二维不可压缩粘性流动N-S方程的差分算法,该算法对流项具有三阶精度,粘性项具有四阶精度,能精确地求解二维不可压缩粘性流体运动的定常解。同时,用计算机数值计算和图像显示的方法模拟该流体运动压力云与流线图,准确地描述二维不可压缩粘性流动,完成了典型算例。     

求解离散方程的TDMA与PDMA方法性能分析

对二维对流扩散问题,应用延迟修正-TDMA和ADI-PDMA方法,求解对流项采用QUICK,CD格式的离散方程。通过SIMPLER算法求解二维移动顶盖驱动方腔内不可压缩流体流动和方腔内自然对流换热。比较了采用延迟修正-TDMA和ADI-PDMA两种求解代数方程组的性能,分析了影响上述两种方法求解速度、收敛的因素。在相同的条件下,通过计算证明了延迟修正-TDMA的健壮性强、精度较高、收敛速度较快。     

基于投影浸入边界法的流固耦合计算模型

针对建立的刚体和流体相互作用的浸入边界法数学模型,借助求解不可压缩N-S方程组的分步投影方法的思想来求解基于浸入边界法的耦合系统方程.在空间离散上,对流项采用Quick格式,扩散项采用中心差分格式.时间推进采用显式欧拉法,固体对流体的作用力源项引入流体体积(VOF)方法中的体积比函数,通过龙贝格算法高效求解每个网格单元中浸入刚体所占的体积比.利用VC++编写投影浸入边界法的数值计算程序,并以单圆柱绕流为基准数值算例,通过与其他文献和实验结果的对比,验证了数值计算结果的准确性和可靠性,并进一步分析了不同雷诺数下圆柱绕流场的涡结构分布特征.     

非结构旋转动态嵌套网格技术及其应用

发展并改进了一套基于非结构网格的旋转动态嵌套网格方法,通过数值求解Navier-Stokes方程对二维/三维带旋转运动边界的非定常问题进行了数值模拟.将计算区域划分成包含旋转运动边界的运动区子域和覆盖其它静止边界的静止区子域,以人工边界和约束线(面)作为约束条件生成整体计算网格,进而根据设置的人工边界完成嵌套网格的建立.对翼型绕流、旋翼/机身干扰流场以及颤振激励系统绕流进行了验证计算,结果与实验值相一致,表明了文中方法能够有效地对带有旋转运动边界的非定常问题进行数值模拟.     

一种二维不可压粘性流动的求解方法

本文采用边界元法求解二维不可压粘性流动的Ω-ψ方程。通过适当的数学推导,导出了关于流函数ψ。涡量ω的边界积分方程,并把它们在区域边界上离散,求解。二维扩张管道的计算结果表明,这是一种较优越的求解二维粘性流动的方法。     

一种改进的SIMPLER算法

利用改进的SIMPLER算法即环绕主节点的四个小控制体与推广的QUICK差分格式相结合，在非均匀同位网格上求解二维非定常流动与传热的控制方程。以封闭方腔内的层流自然对流换热问题为例进行了数值模拟，计算结果与已有文献一致，且得出的平均努赛尔数的计算公式较以前的计算公式精度要高，表明作者所采取的方法是可行的。     

双向激振液化的离散颗粒-流体耦合模拟方法

针对离散元模拟动三轴液化时难以施加围压,导致无法实现双向激振液化模拟的问题,提出引入适用的流体方程和有效的伺服围压算法实现动围压加载.针对流体方程,采用包含适用于流体边界网格移动的任意拉格朗日-欧拉描述(ALE)项和流体-颗粒耦合力项的流体方程组;针对伺服围压算法,将离散颗粒-流体伺服体系等效为弹簧-振子模型,采用的围压伺服力函数基于自动控制理论中的HJB方程得到.将流体有限元方程和伺服围压算法嵌入颗粒流软件(PFC2D),通过模拟双向动三轴液化实验,结果表明,该方法可以有效施加动围压,实现双向激振液化的离散颗粒-流体耦合模拟.     

水平轴风力机的叶片设计与基于CFD的流场分析

选用NACA44系列翼型,基于经典的Glauert旋涡理论进行风轮模型设计。在FLUENT软件中采用不可压N-S方程和k-ωSST两方程湍流模型对该风力机进行三维旋转流场的数值模拟,得到流场的流动细节与流动特性,从而对风力机流场进行分析。探索性地研究了三维旋转流场物性参数的分布特征以及叶片周围流场的分布规律。     

基于SC/Tetra的搅拌槽挡板数目优化

在搅拌设备中,挡板的存在可有效地避免内部出现大涡流现象,使搅拌效果优于普通非挡板结构的搅拌设备.应用计算流体动力学软件SC/Tetra研究了搅拌槽挡板数目对其内部流场的影响.采用控制体积法离散控制方程,利用非连续网格对搅拌槽静止区域和旋转区域之间的界面进行剖分,然后基于Simpler算法和κ-ε湍流模型对搅拌槽内部流场分析仿真.计算结果表明,挡板数目愈多,湍动能的变化愈复杂,进而内部搅拌效果愈好,分析得知实际工程中挡板数目取4或6片为宜.     

方腔涡流运动对压力脉动噪声影响的数值分析

为了研究水下方腔内的湍流流动情况,采用k-ε模型和大涡模拟(LES)方法分析了腔内流场的涡旋分布及其发展规律、关键位置的压力脉动特征,运用MATLAB平台对时域下的压力脉动信息进行快速傅里叶变换,得到频域脉动压力级结果,进而讨论了腔内关键压力点的脉动特征.结果表明:压力脉动的峰、谷特征与涡流运动状态具有良好的对应性;方腔不同位置点的压力脉动频率和压力级特征不同,与相应的涡流运动状态密切相关;通过与相同方腔模型脉动声压实验数据的对比表明,在40 Hz以上频率,方腔涡流压力脉动级与实验具有很好的符合度,验证了数值模拟和傅里叶分析方法的可行性和准确性.     

输气管内壁仿生减阻大涡模拟

流向的微小沟槽表面能有效降低壁面摩阻,降低输送能耗。针对内表面有三角形肋条的输气管道,采用大涡模拟对不同流动状态进行模拟,分析了流场速度矢量图、均方根速度剖面线和雷诺切应力。结果表明,肋条无量纲尺寸s＋＝20.7时肋条的减阻效果最好;湍流形成的涡经过肋条时被肋峰切开在肋条中形成小的反向小涡,将流体与壁面之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦,降低摩擦阻力;光滑管壁、肋条的肋峰和谷底表面的速度剖面线只有在壁面附近差别较大,在远离壁面处趋于一致,肋条对流场的影响主要发生在近壁区。     

双辐板涡轮盘轴向通流旋转腔流动换热数值研究

采用计算流体力学商用软件CFX对双辐板涡轮盘腔进行三维稳态数值模拟,针对固体盘温度分布和流动结构及换热情况比较复杂的中心轴向通流旋转腔进行数值分析.轴向通流旋转腔流动换热具有周期性特征:腔内在一个周期中形成了一对涡团,其形状基本保持不变,并在盘中旋转;盘壁面的对流换热系数在一个周期内基本保持不变.     

纵向涡发生器对强化传热的影响

纵向涡发生器可以产生纵向涡,而纵向涡可以影响流体的结构,进而可以影响它们的传热过程.通过使用FLUENT计算软件和粒子图像测试仪(PIV),采用数值模拟和实验来研究布置一种新型纵向涡发生器的流场的非定常流动特性及它对槽道的传热的影响.新型涡流发生器为高宽比为0.5的斜截椭圆柱体.数值计算所用的湍流模型为大涡模拟.将数值模拟和PIV实验结果进行比较,两者的涡量场等极为相似,证明数值模拟的计算准确性.模拟和实验表明:高宽比为0.5的斜截椭圆柱体可以产生纵向涡,可以提高槽道的对流换热系数,起到强化传热的作用.     

无限长偏心旋转圆柱间Taylor涡动问题研究

对径向滑动轴承中润滑油膜从层流到湍流的流动状态进行了研究，分析了轴承中润滑油膜的速度分布、压力分布间隙比，偏心率等参数的影响。本文对滑动轴承润滑油膜流动的分析方法不同于以往的局部理论和小参数理论，采用原始变量的差分法直接从运动基本方程出发，绎运动方程中小是一项不作删减。     

Numerical predictions and stability analysis of cavitating draft tube vortices at high head in a model Francis turbine

Draft tube vortex is one of the main causes of hydraulic instability in hydraulic reaction turbines, in particular Francis turbines. A method of cavitation calculations was proposed to predict the pressure fluctuations induced by draft tube vortices in a model Francis turbine, by solving RANS equations with RNG k-turbulence model and ZGB cavitation model, with modified turbulence viscosity. Three cases with different flow rates at high head were studied. In the study case of part load, two modes of revolutions with the same rotating direction, revolution around the axis of the draft tube cone, and revolution around the core of the vortex rope, can be recognized. The elliptical shaped vortex rope causes anisotropic characteristics of pressure fluctuations around the centerline of the draft tube cone. By analyzing the phase angles of the pressure fluctuations, the role of the vortex rope as an exciter in the oscillating case can be recognized. An analysis of Batchelor instability, i.e. instability in q-vortex like flow structure, has been carried out on the draft tube vortices in these three cases. It can be concluded that the trajectory for study case with part load lies in the region of absolute instability (AI), and it lies in the region of convective instability (CI) for study case with design flow rate. Trajectory for study case with over load lies in the AI region at the inlet of the draft tube, and enters CI region near the end of the elbow.     

锥形涡诱导下正方形平屋盖风压特性

为揭示旋涡作用下的脉动风压功率谱特性和确立谱能量与旋涡运动或湍流尺度之间的演变关系,基于大跨屋盖结构风洞测压试验,以涡轴方向测点列和横风向测点列为研究对象,分析了来流非垂直于迎风墙面时3种不同来流工况(均匀流、格栅紊流和B类地貌)和3种不同风向角(15°、30°和45°)下正方形底面的平屋面风压分布和锥形涡涡轴的运动特征.分析结果表明,3种来流工况下屋面最大风吸力、最大脉动值均出现在屋面下三角区的迎风顶点附近.3种风向角下,30°时在迎风顶点附近锥形涡诱导的平均、脉动风压均达到最强.对于同一来流工况下,随着风向角的逐渐增大,涡轴与迎风前缘的夹角和再附作用范围均在逐渐减小.涡轴方向迎风点附近测点风压谱谱峰值与其对应的屋面风吸力成正比例关系:在高频范围内,测点风压谱相应频率对应的谱能量峰值越大,屋盖平均风吸力也越大;在低频范围内,相应频率对应的谱能量峰值越大,其脉动风吸力也越大.均匀流下涡轴方向各测点间的互相关性较弱,格栅紊流和B类地貌下测点间的互谱曲线呈现指数衰减模式.     

Large eddy simulation of unconfined turbulent swirling flow

Large eddy simulations(LES) were performed to study the non-reacting flow fields of a Cambridge swirl burner. The dynamic Smagorinsky eddy viscosity model is used as the sub-grid scale turbulence model. Comparisons of experimental data show that the LES results are capable of predicting mean and root-mean-square velocity profiles. The LES results show that the annular swirling flow has a minor impact on the formation of the bluff-body recirculation zone. The vortex structures near the shear layers, visualized by the iso-surface of Q-criterion, display ring structures in non-swirling flow and helical structures in swirling flow near the burner exit. Spectral analysis was employed to predict the occurrence of flow oscillations induced by vortex shedding and precessing vortex core(PVC). In order to extract accurately the unsteady large-scale structures in swirling flow, a three-dimensional proper orthogonal decomposition(POD) method was developed to reconstruct turbulent fluctuating velocity fields. POD analysis reveals that flow fields contain co-existing helical and toroidal shaped coherent structures. The helical structure associated with the PVC is the most energetic dynamic flow structure. The latter toroidal structure associated with vortex shedding has lower energy content which indicates that it is a secondary structure.     

二维格子Boltzmann方法圆柱绕流湍流模拟

采用多松弛格子Boltzmann方法的大涡模拟技术对二维圆柱绕流问题进行了数值模拟.运用二阶插值反弹格式处理圆柱边界,同时结合Wall-Adapting Local Eddy-viscosity模型(WALE)对壁面附近湍流粘性进行修正,测算了其升、阻力系数和涡脱落频率.结果显示:在雷诺数小于300时,升、阻力系数以及涡脱落频率均跟实验值吻合较好;对于较高Re数问题,其三维效应不能忽略,模拟结果跟实验值有所偏差,但通过引入WALE模型进行壁面修正,该方法较其他二维方法在估算阻力系数上精度有明显提高.