二维大涡数值模拟方程及其解法

采用高斯型滤波函数对Navier Stokes方程进行滤波处理 ,并引入亚格子雷诺应力模型推导出了在水力机械内部流场计算中实用的二维大涡模拟方程及其在物理平面和计算平面上的离散形式 。

基于一维、二维数值模拟的码头工程洪水影响研究

依托广州市某码头工程,采用大范围的一维河网数学模型与局部河道二维潮流数学模型相结合的方法,进行了洪水影响模拟和分析。结果表明,码头工程建设引起的水流流向及流速变化仅局限在工程位置附近,基本不会对工程所在河段的河势造成影响,对前航道的行洪能力影响也较小。

基于立方型气体状态方程的激波风洞准一维流动数值研究

采用基于立方型气体状态方程的准一维流动数值模拟方法研究了反射式高焓激波风洞的真实气体流动,重点关注了高压真实气体效应对风洞全场流动时空结构和驻室区气流参数的影响,并以理论分析揭示了高压真实气体效应对激波管内流动的作用机理。研究表明:对于以冷高压气体驱动的激波风洞,使用考虑分子体积和分子间作用力的真实气体状态方程能够更准确地描述气体的状态和风洞内的流动状况。高压真实气体效应主要在冷驱动气体中发生作用,其作用效果主要是使当地声速增大,从而使得入射稀疏波和反射稀疏波的传播速度加快;另一方面,高压气体效应在高温气体效应较显著的被驱动气体中作用微弱,且对激波管产生激波的强度和激波后的流动状态影响甚微。稀疏波的加快传播改变了激波管波系的相干时空关系。提前抵达的稀疏波可在一定情况下侵蚀激波风洞的有效试验时间。对于所测试的激波风洞构型,在150 MPa氢气驱动110 kPa氮气的工况下,高压效应导致的有效试验时间缩短约38%。适当加长驱动段长度和采用高温气体驱动均可有效减弱高压真实气体效应的影响。

转杯纺分梳排杂区气流场的多维数值模拟对比

为探讨转杯纺分梳排杂区二维与三维模型气流场数值模拟结果的准确度与差异性,采用COMSOL仿真模拟软件建立分梳排杂区的二维与三维几何模型,对气流场进行数值模拟并进行比较。结果表明:与二维模型模拟结果相比,三维模型输纤通道出口处速度高,分梳腔速度、压强与湍动能分布更均匀,且排杂区的气流与湍动能分布结果更加准确;引入杂质颗粒后的运动结果也证明,三维模型中大部分杂质颗粒随气流运动及时排除,仅有少部分杂质进入输纤通道内,对流场细节和颗粒分布情况的模拟展现得更加准确直观,适合指导实际生产与优化转杯纺机构的设计。

二维阀先导级污染颗粒分布的数值模拟

二维阀将先导级和功率级集成在一个阀芯上,易于实现阀的快速工作和高频响应,具有体积小、性能稳定、功重比大等优点。通过数值计算,分析不同参数条件下固体颗粒在二维阀内的分布特点和规律,揭示二维阀对油液污染的敏感程度。结果发现:阀芯转动形成的节流口,其上下游压差与射流形成的旋涡离心力的共同作用,使得固体颗粒物极易进入阀套斜槽区形成聚集现象;固体颗粒在旋涡中心区域分布较少,在旋涡边缘区域,特别是阀套斜槽外侧浓度较高。节流口开度、固相密度、颗粒粒径的不同,均对固体颗粒的分布产生影响,总体来看,旋涡态流束对其分布影响最大,即斜槽周边浓度大、中间区域浓度低,二维阀对油液污染较为不敏感。阀芯正、反转对阀套斜槽区内固相颗粒的体积分数分布影响不大。

基于线性化Navier-Stokes方程二维水槽内单涡到双涡的数值模拟

建立了Navier-Stokes方程的预估-校正有限差分方法,在此基础上求得了二维水槽内部单涡到双涡的数值解,所得结果与前人的数值结果和解析解吻合很好.数值模拟结果表明,自由振动运动中自由面波高因粘性作用会发生衰减,且Reynolds数越大衰减越缓慢.在短时间内倾斜加速度激励下对于不同Reynolds数会出现一定周期的单涡.经过长时间的倾斜激励,水槽内涡场由单涡变化成双涡,而且只在较低的Reynolds数条件下出现双涡.

二维大涡数值模拟的算例及其分析

根据文[1]中给出的二维大涡模拟方程的离散形式及数值解法,编制了一套数值计算程序,并通过计算二维后阶湍流流动和双流道式污水泵叶轮内部流场的实例计算,验证了文[1]中推导出的方程的正确性、可解性,以及提供的数值解法的可行性和可靠性.经文中的实例计算,并把计算结果与实验实测结果相比较,令人十分满意.从而表明:二维大涡数值模拟既保持了原有三维形式的优点,又大大简化了三维求解对计算条件的苛刻要求,有望使大涡数值实现广泛的工程应用.

二维三温能量方程的差分格式及平面靶数值模拟

通过统一二维直角坐标与柱坐标下三温能量方程的差分格式,实现了LARED-H(laser radiationelectron dynamic holehurm)程序既可以模拟正入射激光平面靶过程,也可模拟斜入射平面靶问题,从而扩展了LARED-H程序的功能.使用发展后的LARED-H程序进行了直角坐标系下线聚焦打靶耦合过程数值模拟,给出了不同入射角度下靶等离子体的膨胀过程.

基于大涡模拟和FW-H方程的二维圆柱风噪声模拟

针对不同直径二维圆柱的风噪声,采用大涡模拟和FW-H方程声类比的方法进行计算,将基准模型的计算结果与他人计算和实验结果进行对比,分析不同直径二维圆柱的远场声场特征.研究表明:基准模型的数值模拟结果与实验值非常接近,说明了本文计算方法的适用性;远场采样点的声压级频谱峰值频率随着圆柱直径的增大而减小,同根据斯特罗哈数为0.2的理论值计算的峰值涡脱频率接近;10~38mm直径工况远场采样点的总声压级随着直径的增大基本上呈线性增加趋势;总声压级和A计权总声压级随雷诺数的增加,呈现在亚临界区内增加、而在接近临界区时减小的变化趋势.

基于流体并行计算的二维方柱涡激振动数值模拟

基于流体软件Fluent 6,采用松耦合方法搭建了求解气动弹性问题的数值计算平台,其中流体域可采用串行或并行计算,结构域采用Newmark法编程,流体域和结构域界面的耦合采用动网格技术实现。然后,主要介绍求解气动弹性问题数值计算平台的计算流程和流体域采用并行计算时的特别处理方法。最后,采用该计算平台进行了Re=22000时二维方柱横风向涡激振动的数值模拟,通过与已有文献结果的比较验证了其有效性。

基于全欧拉方程的二维平行剪切层声波产生和辐射的数值模拟

本文基于全欧拉方程对二维平行剪切层声波的产生和辐射进行了计算气动声学数值模拟。空间离散采用了频散相关保持有限差分格式,时间积分采用了低频散低耗散的龙格库塔法。数值模拟结果表明,当声源强度较小时,基于全欧拉方程的计算结果与解析解及基于线化欧拉方程的计算结果均符合得很好,当声源强度较大时(约140dB),线化欧拉与全欧拉的计算结果有较大的偏差,这说明此时非线性的影响不可忽略,线化方程不再适用。

二维钝体绕流的离散涡数值模拟

离散涡方法是一种无网格计算流体力学方法 ,和有限差分法、有限单元法以及有限体积法相比 ,可以更好地应用于计算风工程问题。本文根据高雷诺数流动假设 ,建立了高雷诺数无粘性离散涡流动模型。通过计算静止方柱的绕流问题 ,得到了不同时刻的流场分布图以及斯托哈尔数。

对短周期风洞中二维涡轮叶栅的非定常数值模拟

了对短周期风洞实验中，实验段建立起周期性稳定流动的时间进行估算，以便在实验中把握测量时间，保证测量数据的有效性和推确性，本文采用显式时间推进方法求解二维Ｅｕｌｅｒ方程对短周期风洞中二维涡轮叶栅的非定常流动进行了模拟。除预测建立起周期性稳定流动过程中的流场特征和达到周期性稳定流动所需的时间外，对叶片的升力等冲击载荷在建立起周期性稳定流动过程中的变化也进行了估算。

插有缓变曲线的反超高弯道二维数值模拟

针对如何减轻水流对河床的冲刷,舒缓弯道冲击力和离心力,降低弯道的水面横比降,改善水流流态等问题进行研究,提出一种新型弯道,即在直道与弯道段之间对称插入缓变曲线的基础上使得弯道凹岸渠底降低、凸岸升高的反超高对称凸型弯道。结果表明:较之圆弯道,对称凸型弯道的水流形态得到很好地改善,反超高对称凸型弯道水面横比降整体降低60%;弯道凹岸基本消除了冲刷。

基于二维浅水方程的溃坝水流数值模拟

针对溃坝水流的特点,提出了一种基于二维浅水方程的数学模型,对溃坝水流进行数值模拟研究.模型采用二阶leap-frog格式和一阶迎风格式相结合的有限差分格式进行数值离散,计算网格采用时间和空间交错网格.在模型建立完善的基础上,对模型进行一维和二维的数值验证,主要算例包括:下游有水的溃坝洪水理论解,带有三角形障碍物的一维溃坝模型试验以及二维溃坝数值模型试验.通过与理论解和实测值比较,结果表明模型具有良好的稳定性以及模拟间断水流和处理动边界问题的能力.

污水厂二维沉淀池水流和悬浮物运动数值模拟

以典型城市污水处理厂平流矩形沉淀池速度和浓度分布计算为例,利用涡量-流函数法建立控制方程,并以有限差分法中的控制容积法对方程进行了离散,求出速度分布场后,利用二维浓度迁移方程对沉淀池浓度分布进行了计算.通过与实验数据的对比,验证了方法的有效性与可行性.另外还对沉淀池数值模拟的应用进行了初步探索.

基于Godunov格式的流域地表径流二维数值模拟

采用完整二维浅水方程组模拟地表径流运动时会遇到干湿转化处理的难题,为解决该问题,本文采用坡面流为均匀覆盖流域地表的片状薄层水流的概念开发完成了一套新的基于Godunov格式的地表径流二维水动力模型。模型中,采用三角形网格离散计算区域,修正的Roe格式计算界面通量,底坡项直接积分求解,对高度非线性的摩阻项进行半隐式处理。本模型的最大优势是干湿处理变得异常简洁,单元水面和地形均无需任何特殊处理。通过4个经典算例验证了该模型具有良好的精度和稳定性。最后将模型用于解家湾流域S曲线的计算和实测场次降雨径流过程的模拟,所得计算结果合理、可靠,表明本文模型具备模拟流域地表径流运动的能力,可为小流域汇流计算提供一种新的解决方案。

数值模拟方法在二维沉淀池优化设计中的应用

简要介绍了数值方法在沉淀池悬浮物浓度计算中的应用方法 ,并尝试通过数值模拟过程建立起沉淀池沉降效率与几何尺寸间的关系 ,将其作为约束条件之一建立了一个简单的沉淀池优化设计模型。

旋风分离器上部空间各种二次涡的数值模拟

采用改进的雷诺应力模型对旋风分离器上部环形空间内的强旋湍流流动进行了数值模拟,重点分析了顶板和升气管附近的局部二次涡。数值模拟结果与实验对比表明雷诺应力模型对环形空间内的强旋流动有良好的预报精度。旋风分离器上部环形空间不仅在顶板下存在有二次涡,而且在升气管外壁附近还存在有局部二次涡,局部二次涡的尺度比较小,而且沿周向有变化,呈现非轴对称分布。

基于完全匹配层构建新方法的2.5维声波近似方程数值模拟

传统的吸收边界条件只对有限入射角和有限频率范围内的波具有很好的吸收效果,而在有效吸收范围外的边界反射将对数值模拟结果造成污染。为此,在2.5维声波数值模拟中引入完全匹配层吸收边界条件,并提出了一种完全匹配层构建新方法。该方法将完全匹配层构建在研究区域的右边界和下边界的外部,同时改变相应的衰减因子,使之关于完全匹配层的中心呈对称分布。在采用有限差分法计算波场时,将完全匹配层外边界的网格点与相应的研究区域边界的网格点连接起来,使波在传入完全匹配层之后又传入到研究区域中。由于完全匹配层良好的吸收效果,波在完全匹配层中被完全吸收,基本不会再传入到研究区域。在构建相同数量的完全匹配层的情况下,完全匹配层构建新方法使波在传播过程中比以往的构建方法多通过一倍的完全匹配层介质,从而提高了对边界反射的吸收效果。通过均匀速度模型和Marmousi速度模型证实,完全匹配层构建新方法对边界反射的吸收效果较好。