自由表面流动数值模拟方法的探讨

本文建立和开发了一个用于求解具有自由表面的二维不可压缩粘性流体流动的Navier- Stokes方程组的数值模型。这个模型采用 AL E方法描述流体的运动 ,基本方程组中的流速和压力利用 Projection2方法来解耦 ,空间离散采用有限单元法 ,而时间离散则采用 semi-implicit方法。自由表面位置则通过求解相应的偏微分方程来确定 ,而计算过程中网格的调整则采用了新的方法。算例结果令人满意 ,表明方法可行。

自由表面流动的移动粒子半隐式模拟方法

引入可压缩因子,对移动粒子半隐式方法(MPS)进行了改进,解决了MPS方法在计算中容易出现的不稳定问题.使用改进后的方法对液柱倒塌算例进行了模拟计算,并将计算结果与实验及其他数值计算结果进行了比较.计算表明,引入可压缩因子大大提高了计算的稳定性,且方法简单易于实现,在液柱与挡板发生碰撞、流体发生大变形时依然能进行有效地模拟.

基于非结构化网格上的三维微幅自由表面流动非静压数值模型

建立了基于非结构化网格求解三维微幅自由表面流动非静压数值模型。一种有限差分法和有限体积法相结合的方法被用来在非结构化网格上离散控制方程。模型中采用分步法,以使压力项分解为静水压力项和动水压力项来单独处理。在每一时间步,得到关于水位和由压力泊松方程得到的动水压力的稀疏的线性方程组。模型是质量守恒的和对于重力波速、风应力、底摩阻、垂向黏性无条件稳定的。通过三个非恒定微幅自由表面流动算例的数值解和解析解的比较,验证了本文所建立的模型能够准确有效的预测三维微幅自由表面流动。

模拟波浪运动的三维自由表面流动数值模型

基于Navier-Stokes方程建立了三维自由表面流动数值模型来模拟波浪运动。模型中Navier-Stokes方程的求解采用两步投影法,计算域的空间离散采用交错网格。采用满足自由表面运动学边界条件的水位控制方程来计算自由表面。通过数值结果与解析解的比较,验证了本文建立的三维自由表面流动数学模型可以精确的模拟线性色散波以及孤立波沿平底坡和非平底坡的传播。

自由表面流动问题的SPH方法数值模拟

利用光滑粒子流体动力学 (SPH)方法对两个自由表面流动问题——水坝坍塌及涌波进入静止水塘作了数值模拟 ,尝试了一种处理固壁边界条件的方法——边界力方法。数值模拟结果表明 ,SPH方法在处理流体复杂大变形问题方面具有优越性 ,而边界力方法则是

基于SPH方法的自由表面流动模拟

分析了光滑粒子流体动力学(SPH——Smoothed particle hydrodynamics)方法的理论基础及边界条件的处理,并给出了该方法自由表面运动的算例,与商业CFD(Com-putational Fluid Dynamics)软件的VOF(Volume of Fluid)模型的计算结果进行了比较。结果表明,SPH方法模拟复杂自由表面流动具有较好的效果。

正交变换法解自由表面流动

针对二维过坝水流,提出采用正交变换法解自由表面流动。通过引入一组互相正交函数ξ(x,y)和η(x,y),分别满足▽~2ξ=0和▽~2η=0,进而将具有复杂几何边界形状及待定自由表面的物理平面(x,y)上的定解问题,变换到固定规则平面(ξ,η)上求解。算例表明,该解法特别适合解自由表面临界流动问题,可避免计算单元剖分的困难,且敛收性好。计算结果与试验结果较为吻合。

用2D＋t理论预测穿过细长船体的非线性自由表面流动

从2D＋t理论的形成背景开始，介绍对物体周围流动描述的理论理论假设，即细长体理论的产生和发展情况及这种假设的几种常见情况，如轴对称式细长体，扁平物体，细长翼，瘦型船等。同时介绍模拟这些模型的各种流动现象的理论，对轴对称细长体的轴向，横向流动，细长翼的流动分离，排水型船舶的高速性能，波浪中的船体处理理论－切片理论及各种波浪形式和重力影响的处理等进行阐述。

自由表面翻卷与破碎流动的SPH数值模拟

对SPH方法模拟复杂强非线性自由表面流动的计算精度进行对比研究.介绍了SPH方法的基本原理,给出SPH方法的求解控制方程.探讨了人工可压缩性、边界条件、时间步进、位置修正方法的处理方法.对强非线性自由表面流动的典型情况涌浪问题进行了数值模拟,包括了波面的抬升、翻卷、重入和破碎等不同阶段.通过与边界元方法的比较分析,明确SPH方法模拟强非线性自由表面问题的规律和特点.

自由表面流动的三维SPH数值仿真研究

使用三维光滑粒子动力学(SPH)方法研究了自由表面流动问题,使用自编的三维SPH程序完成了溃坝算例。三维SPH模拟结果与两维SPH结果及实验结果保持一致,验证了三维SPH方法的可行性.数值仿真结果表明,在三维溃坝过程中,流体的形状、位置、速度等主要物理现象可以很好地进行模拟.通过合理地设置输入条件、边界条件及状态方程等仿真控制参数,提出的三维SPH方法可以很容易地进行扩展,可以处理许多其它的三维流体仿真问题.

SPH方法在自由表面流体研究中的应用

对光滑粒子流体动力学法(SPH方法)的发展背景、理论基础等进行介绍,总结了SPH方法在溃坝、海冰和河冰模拟、船舶流体力学等具有自由表面的流体研究中的应用现状,认为作为一种无网格的纯Lagrange方法,SPH方法较传统的基于网格的模拟方法具有不可比拟的优势。最后分析了SPH方法的缺陷及目前研究中的不足,并就今后的研究方向和发展趋势提出自己的看法。

复杂地形下带自由表面水流的分离涡模拟

将分离涡模型(DES),即一种RANS和LES的混合模型,应用于带自由表面的地表水流运动,建立一套数值仿真模型.模型基于有限体积法,水平面内采用非结构计算网格,垂向为结构化网格,对流项离散格式采用二阶TVD格式,并行基于Open MP语言库.算例表明DES模型有助于揭示复杂地形条件下带自由表面水流的大涡拟序结构.

带自由表面水流的分离涡模拟（英文）

目前水动力学问题的数值求解仍然广泛采用RANS模型,特别对于大尺度的地表水流的数值模拟,该类模型计算效率较高,但其难以给出湍流场的小尺度涡结构。深入研究复杂地形条件下的水流运动,需要发展诸如LES等的高级数值模型。天然地表水流,地形、边界复杂,雷诺数通常较高,高级数值模拟受限于计算能力的限制,还难以工程应用。RANS和LES混合模型是目前具有工程应用的一种混合数值模型,其已经在CFD领域获得了长足发展。然而对于地表水流运动的数值模拟,相关工作还较少。本文将分离涡模型(DES),即一种RANS和LES的混合模型,应用于带自由表面的地表水流运动,建立了一套数值仿真模型。模型基于有限体积法,水平面内采用非结构计算网格,垂向为结构化网格,对流项离散格式采用二阶TVD格式,并行基于OpenMP语言库。算例表明DES模型有助于揭示复杂地形条件下带自由表面水流的大涡拟序结构。

模拟自由表面问题的移动粒子半隐式模拟方法

使用移动粒子半隐式(MPS)法对典型的自由表面流动问题——二维溃坝问题进行了模拟,研究了不同粒子分布对模拟结果的影响,发现对于过大和过小的粒子间距均无法得到合理的结果.将模拟结果与SPH、VOF法结果和实验结果进行了比较,发现MPS的模拟结果介于VOF和SPH的模拟结果之间.在没有引入黏性的情况下,MPS法得到的结果比VOF法的结果更接近于实验结果,预期引入黏性后可达到与SPH法同样合理的结果.

自由表面问题的质点有限元方法及其有效性分析（英文）

研究了求解自由表面流动的拉格朗日型质点有限元方法.此方法将网格节点视作质点,并且流场的物理性质(压力、速度等)随着质点的移动而转移.通过与传统有限元方法结合,求解了描述不可压缩流体的Navier-Stokes方程,有效模拟了溃坝水流问题,并分析了解对网格划分与时间尺度的依赖,验证了算法的有效性.

完全三维自由表面非静水压力流动数学模型Ⅰ:算法

为准确模拟具有自由表面的非静水压力水波流动问题,本文采用有限体积法,在交错的、z坐标网格体统下,求解三维Navier-Stokes方程,建立了完全三维非静水压力水波流动数学模型。动量方程的对流-扩散项采用守恒的Euler方法离散,使模型具有守恒性的特点。为了减少垂向分层以及计算代价,采用对垂向动量方程积分的方法,与传统的垂向分层的三维非静水压力模型相比,模型考虑了表层非静压的影响。模型具有简单、守恒和高效的特点。

非静压假定的σ坐标下垂向二维浅水模型的应用研究

本文采用σ坐标下的垂向二维自由表面流动的k -ε双方程湍流数学模型 ,加入动水压力项 ,采用有限体积法来离散 ,求解模型时利用SIMPLE算法。本模型通过带有槽沟的明渠水流资料进行验证 ,计算结果与实测结果吻合较好 ,在预测底部有潜堤明渠水流时 ,计算出潜堤后面有明显的回流。

SPH方法的理论及应用

对光滑粒子流体动力学(SPH)的发展背景、理论基础等进行了介绍,并分析了SPH方法在海冰和河冰模拟、具有自由表面的流动等方面的应用,作为一种无网格的纯Lagrange方法,在和其他方法对比的基础上列举了其主要优缺点,结合目前国内外研究成果总结了改善缺点的对策。

SPH数值模拟中固壁边界的一种处理方法

在光滑粒子流体动力学 (SPH)数值模拟中尝试了一种处理固壁边界的边界力方法 ,给出了一种新的边界力形式。利用SPH方法及边界力方法对水坝坍塌和涌波进入静止水塘这两个自由表面流动问题作了数值模拟。数值模拟结果表明 。

SPH在水下高速物体空泡发展模拟中的应用（英文）

考察SPH对水下高速运动物体引起的流动的模拟,并观察空泡发展过程.将SPH计算空泡形状与Logvinovich独立膨胀原理给出的空泡形状进行比较.固体壁面条件的实施通过联合使用两种不同的虚粒子方法 (Ghost Particle Method,Dummy Particle Method)实现.