饱和多孔介质顶盖驱动方腔流动量传递分析

本文以经典的孔隙介质顶盖驱动方腔流动为研究对象，完善流体动量传递机制，发展高精度数值模拟技术，分析流体动量传递特征及其主要控制因素。

基于OpenCL的并行方腔流加速性能分析

提出了一种使用OpenCL技术对方腔流问题进行加速计算的方法。在计算方腔流问题时,将其转换为N-S方程通过空间有限差分和龙格库塔时间差分求解,并使用局部缓存等技术进行GPU优化。实验在NVIDIA和ATI平台对所给算法进行评测。结果显示,OpenCL相对其串行版本加速约30倍左右。

二阶迎风有限体积法方腔流数值模拟

介绍了一种基于非结构网格的二阶迎风有限体积离散格式,在对流项的离散过程中,为了达到二阶精度,在界面上对物理量作Taylor展开,在处理展开项中的梯度时引入NND格式的优点,克服了中心差分格式不稳定的缺点,并对方腔流动进行了系统的数值模拟.计算网格采用三角形网格,节点数为12960,单元数为25600.压强修正基于SIMPLEC方法.给出了雷诺数Re达到5000时的定常流动结果,与以往方腔流计算的标准解非常吻合,但所用的网格数要少.计算结果表明该二阶迎风有限体积算法有很好的收敛性和稳定性,且松弛因子对计算结果影响很小.

用Gao-Yong湍流方程组数值模拟高雷诺数顶盖驱动方腔流

基于有限元方法中的虚位移原理,写出了不可压流Gao-Yong湍流方程组弱形式的微分方程表达式,利用有限元程序自动生成系统(FEPG)得到了全部有限元计算程序。对二维顶盖驱动方腔流进行了数值模拟,得到了方腔内的涡量分布和中心线上的速度变化曲线,并且成功地模拟出了高雷诺数时方腔内的双涡结构,计算结果与文献提供基准解符合良好。进一步证实了Gao-Yong湍流方程组能够准确模拟复杂湍流粘性场,并且为Gao-Yong湍流方程组的工程应用奠定了基础。

基于时间的驱动方腔流的高精度多重网格方法数值模拟

提出了一种求解二维非定常不可压缩Navier-Stokes方程组的全隐二阶时间推进和空间四阶差分紧致格式,在每一个时间步上,采用多重网格的全近似格式(FAS)加速其迭代收敛过程。利用该方法对驱动方腔流动问题进行了直接数值模拟,结果显示对于Re≤5000,本文在粗网格上(64×64等分和128×128等分)即可得到较为准确的定常层流解;对于Re=7500和10000,由于更多二次涡的出现,本文在256×256等分网格上同样可得到与前人的结果相吻合的非定常周期性解。

两相方腔流的格子Boltzmann模拟

利用基于Shan-Chen多相模型的格子Boltzmann方法对方腔内上板拖动的两相流动问题开展较为系统的数值模拟,详细研究雷诺数(Re),毛细数(Ca)和壁面润湿性对流动以及混合特性的影响.结果表明:Re数、Ca数越大,方腔内两相流体的混合界面长度越大,混合效果越好.另外,壁面憎水程度越高,混合界面长度增加越快,然而对于强亲水壁面,混合界面长度最终趋于一常数.

使用GAO-YONG湍流方程组对顶盖驱动方腔流的计算

运用SIMPLER方法、QUICK格式及交错网格技术求解GAO YONG湍流方程组 ,对二维顶盖驱动方腔流进行数值模拟 ,得到方腔内的涡量分布和方腔中心水平剖线上的速度变化曲线 ,并与DNS(DirectlyNumericalSimulation)结果进行定性对比 ,有较好的一致性 .结果表明 ,GAO YONG湍流方程组中与湍流多尺度现象相对应的机械能方程对此湍流方程组能够合理地模拟出顶盖驱动方腔流中复杂的湍流粘性分布以及湍流能量逆转现象起到了关键作用 .研究进一步证明了GAO YONG湍流方程组能够得到复杂流动的真实粘性场 .

高雷诺数顶盖驱动方腔流实验

为得到高雷诺数（1×10^5-1×10^6）条件下顶盖驱动方腔水流流场和速度分布,设计了边长为0.2 m和0.5 m的立方腔,并利用粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry,PIV）对方腔流流场进行测量,分析方腔流流场特性和边壁对流场影响规律。结果表明：雷诺数达到5×10^5时方腔流中主涡旋发生变形,雷诺数从5×10^5增大到1×10^6过程中,中间的初级涡旋（Primary eddy,PE）继续变形,并分裂成两个涡旋;随着雷诺数的增大,顺流次级涡旋（Downstream Secondary Eddy Region,DSE）区域面积缩小,雷诺数为5×10^5时DSE区域可看到成型的涡旋,当雷诺数为1×10^6时,DSE区域继续缩小,在同样条件下看不到成型的涡旋;雷诺数增大的过程中各边壁的边界层变薄,边壁对方腔流流场特性影响明显。

三维方腔流的混合有限分析解

本文建立了三维对流扩散方程的混合有限分析八点隐格式，并证明了它的基本数学性质。应用原函数法和交错网格技术给出了三维Ｎ—Ｓ方程的混合有限分析解法，计算了雷诺数Ｒｅ＝２０、５０和１００三种情况下的三维方腔内的流场，结果与已有计算成果一致。

基于AMG法及多块非正交网格的三维方腔流场数值模拟

为了将AMG法与多块非正交结构网格结合起来,应用于求解基于多块格离散的三维N-S方程离散系统,针对经典算例三维顶盖驱动直方腔和45°倾斜方腔流动问题,构建了三维多块非正交结构网格系统,设计了三维N-S方程块结构网格离散系统系数矩阵CSR存贮格式;根据非正交同位网格SIMPLE耦合算法,建立了N-S方程的AMG数值求解方法,编制了用AMG法计算的三维数值仿真程序,并采用AMG法求解控制方程中所有流动参数;同已有的结果做了比较,给出了三维方腔流场内复杂的涡系图像,并对算法的有效性进行了验证.结果表明:AMG法及相关算法可用于复杂区域流动问题的数值模拟,为大规模的CFD数值模拟问题奠定了基础.

非均匀交错网格上的Temam方法及驱动方腔流动的数值模拟

给出一种有效求解多重尺度问题的计算方法，把作者在交错网格上的修正Ｔｅｍａｍ格式［５］推广到非均匀交错网格，网格分布是根据边界层厚度由无奇异连续坐标变换来实现，以保证计算精度，连续方程约束用压力修正投影法来实现．所导致的非均匀网格上的Ｐｏｉｓｓｏｎ方程用ＦＩＳＨＰＡＣＫ中的广义循环约减法程序求解。对驱动方腔流动进行了数值模拟，给出了Ｒｅ数为１００，４００，１０００，５０００的定常结果．这些结果定量上与文献中的结果一致，在Ｒｅ数较大时分辨出三级涡，但计算效率有显著提高。

二维辐射磁流体方腔流动与传热混合加强边界控制

本文研究二维直角坐标下方腔内辐射磁流体流动与传热的边界控制.以速度和温度一阶导数的L2范数作为混合衡量函数,设计一个边界反馈控制器,它能使混合衡量函数最大、使控制消耗和测量消耗最小.具体方法如下:首先,界定由动能和内能组成的能量函数;计算能量函数的时间导数,得出能量函数时间变化率与混合衡量函数的关系;给出由能量函数和混合衡量函数构成的性能指标上界;得到使性能指标最小的边界反馈控制器.然后,将温度边界反馈控制器作为温度边界条件,引入边界条件,通过配置点谱方法求解辐射传递方程,计算得到辐射源项和壁面热流.接下来,求解能量方程计算出温度场的状态变化,结合二步法以及谱投影算法,求解出压力状态变化.代入前面的结果,求解动量方程可以得到速度场的变化.最后,通过辐射磁流体力学计算程序验证了温度边界反馈控制器的有效性.

格子Boltzmann方程模拟高雷诺数三维方腔流

为分析方腔流内部流场的特性和验证格子Boltzmann方法模拟湍流的能力,应用标准Smagorinsky涡粘性模型与多松弛时间格子Boltzmann方程(Multiple Relaxation Time Lattice Boltzmann Equation,MRT-LBE)组合对高雷诺数(Re=10 000)三维方腔流进行数值研究,计算了时间平均量,如速度,均方根速度、雷诺应力以及中心断面(y=W/2)处的流线等高线。模拟结果与已有实验和数值模型结果比较可知,MRT-LBE能够精准地计算剪切驱动方腔内流场的变化。另外,将基于图形处理(graphic processor unit,GPU)的计算统一设备架构(Compute Unified Device Architecture,CUDA)并行技术引入到基于MRT-LBE的Smagorinsky模型以提高计算效率,计算效率提高达200倍。

交错网格上应用有限谱QUICK法计算方腔流动

王健平教授提出的有限谱方法是一种局域化谱方法,具有精度高、无相位差、应用灵活等特点,在以往的实践中取得了很大成功。本文在交错网格上对二维驱动方腔流问题进行计算,求解了二维不可压缩流动的涡流流函数方程。其中微分部分采用有限谱法进行处理,对流项的处理则应用了QUICK格式。本文计算了雷诺数为1000、5000、10000、20000等多种情况,将所得的结果进行分析,并将中线上的速度分别同已有的文献数据进行对比,从而,验证有限谱微分的正确性和其在实际应用中的可行性。

三维顶板斜向驱动方腔流有限元并行计算

基于PETSc FEM开源代码,采用分步有限元算法和区域分解法,并行计算了不同雷诺数下的三维顶板斜向驱动方腔流问题。计算结果表明,当顶板沿其对角线方向运动时,流体与下游侧壁发生斜向碰撞后在下游对角处汇聚并形成射流,该射流在与底面、上游侧壁碰撞后形成较为复杂的涡流结构。雷诺数大小对三维顶板斜向驱动方腔流的涡流场结构形态具有重要影响。并行性能分析表明区域分解法能有效地提高三维粘性方腔流的计算速度。

Reynolds数对方腔流谱结构的影响

为了研究方腔流场的谱结构及Reynolds数对谱结构的影响,利用粒子图像测速技术(PIV)得到不同Reynolds数下方腔中垂面的二维流速场的时间序列,并对速度场进行能谱及本征正交分解(POD)分析。研究结果表明:方腔流场的能谱高值区主要集中在低频段,随着频率的增大能谱值不断减小。Reynolds数的增大,导致优势频率不断增大,能量由低频向高频转移,白噪声的能量不断增加,能谱可分辨范围不断减小。由POD分解可知,瞬时流场的能量基本集中在一阶模态,而脉动流场的能量在各阶模态分布较为均匀。随着Reynolds数的增大,一阶模态的含能比例递减,各阶模态投影系数的能谱逐渐变为白噪声,反映出方腔流场的无序性增加,能量逐渐从大尺度结构(低阶模态)向小尺度结构(高阶模态)传递。来流层流与紊流的POD分解模态投影系数的能谱具有不同的分布规律,层流能谱始终存在优势频率,而紊流能谱基本为白噪声。

三维顶板驱动方腔流的有限元数值模拟

该文基于PETScFEM开源代码,采用两种有限元方法计算不同雷诺数(1000、3200和10000)下的三维顶板驱动方腔流问题,并对计算结果进行比较。一种方法是整体求解NS方程,对流项采用streamline upwind Petrov-Galerkin格式(SUPG)进行稳定,不可压条件采用pressure stabilized Petrov-Galerkin格式(PSPG)进行稳定;另一种方法是分步有限元算法,基于poisson投影对速度和压力进行解耦。两种方法中均采用速度和压力同阶插值。计算结果表明,两种方法均能得到较好的结果,但分步算法对时间步长有一定限制。

方腔折流燃烧室冷态流场研究

方腔折流燃烧室是针对小型燃气涡轮发动机所设计的新型燃烧室设计方案,其目的是为了克服常规回流燃烧室所存在的总压损失较大、出口温度分布控制困难等问题。通过对方腔折流燃烧室和回流燃烧室的冷态流场进行数值模拟,发现在相同的工况下,方腔折流燃烧室具有对称的头部流场,其回流区空间尺度是常规回流燃烧室的9.4倍,回流强度是常规回流燃烧室的1.8倍,而火焰筒壁面总面积仅为常规回流燃烧室的51%,进出口总压损失仅为常规回流燃烧室的69.4%。

高阶谱元区域分解算法求解定常方腔驱动流

主要利用Jacobian-free的Newton-Krylov方法求解定常不可压缩Navier-Stokes方程,将基于高阶谱元法的区域分解Stokes算法的非定常时间推进步作为Newton迭代的预处理,回避了传统Newton方法Jacobian矩阵的显式装配,节省了程序内存,同时降低了Newton迭代线性系统的条件数,且没有非线性对流项的隐式求解,大大加快了收敛速度。对有分析解的Kovasznay流动的计算结果表明,本高阶谱元法在空间上有指数收敛的谱精度,且对定常解的Newton迭代是二次收敛的。本文模拟了二维方腔顶盖一致速度驱动流,同基准解符合得很好,表明本文方法是准确可靠的。本文还考虑了Re=800时方腔顶盖正弦速度驱动流,除得到已知的一个稳定对称解和一对稳定非对称解外,还获得了一对新的不稳定的非对称解。

基于格子Boltzmann方法模拟方腔顶盖驱动流

格子Boltzmann方法是使用时间和空间完全离散的细观模型来模拟流体宏观行为的一种新方法,模型的平均行为符合宏观的Navier-Stokes方程。给出了格子Boltzmann方法详细的求解过程,提出了一种简化的固壁边界条件处理方法。用格子Boltzmann方法对方腔顶盖驱动流进行了数值模拟,并对模拟结果进行了分析和讨论。通过与前人已有的试验及数值研究结果对比,验证了格子Boltzmann方法的正确性。