中等雷诺数圆球绕流的数值研究

采用三维黏性不可压缩流场分块耦合计算方法计算圆球绕流问题.动量方程分别采用高精度和常规精度离散,压力泊松方程采用二阶中心差分格式离散.出口边界条件为无反射边界条件;计算网格为全流场封闭的H-O型网格.计算了雷诺数为8.9～1000.0时圆球绕流受到的阻力,分析尾涡形状及长度随雷诺数的变化规律.计算得到的阻力系数和尾涡长度与实验结果符合较好.用高精度算法研究了尾涡结构问题,在雷诺数为1000.0时成功地获得了尾流发夹涡现象.

高马赫数低雷诺数条件下圆球绕流曳力系数

圆球绕流曳力系数通常表示为雷诺数的函数。而随着马赫数增大,曳力系数与马赫数的相关性逐渐增强。本文应用硬球-拟颗粒模型方法模拟研究1≤Re≤20和0.1≤Ma≤3条件下的圆球绕流过程。分析了模拟区域设置和拟颗粒-圆球作用的热适应系数对曳力系数结果的影响,得到合适的区域设置条件和热适应系数,获得高马赫数低雷诺数条件下圆球绕流曳力系数,并依此初步建立1≤Re≤20和0.1≤Ma≤3范围内马赫数对曳力系数的修正模型。

稳定分层流数值模拟方法及圆球绕流特征研究

本文通过分析温度、盐度和压力对海水密度的相对影响,利用标准海水状态方程,联合求解温度形式的能量方程,提出一种新的实现温度主导状态下的密度连续分层数值模拟方法。基于有限体积法(FVM),通过求解连续性方程和动量守恒方程,湍流状态时采用基于k-ω湍流模型的脱体涡模拟(DES)方法,对连续分层流中的圆球绕流进行数值模拟,重点分析尾流场的旋涡脱落流动特性及尾涡结构特点。定量分析了尾涡结构中无因次涡包络区长度、涡旋脱落斯特罗哈尔数(St)、无因次化后的Lee波波长和无因次分离流线高度等尾涡流场特征。本文数值结果和Lin的圆球实验结果在定性和定量上保持一致,从而验证了本文建立的数值方法的正确性和有效性,可以为进一步研究密度分层流中潜航体航行尾流场问题提供有效的计算流体力学方法。

格子Boltzmann方法模拟圆球绕流的并行实现

文中采用格子Boltzmann(LBM)方法,使用D3Q19多松弛模型模拟了圆管中的圆球绕流。模拟中对于曲面边界处理采用二阶精度的插值格式,实现了多进程并行计算,模拟结果与已有文献吻合,并且取得了很高的加速比。

圆球势流绕流的有限元方法

研究利用有限元方法解钝体绕流,利用有限元方法对钝体绕流进行数值编程求解,为简化计算,只求解理想不可压无旋绕流问题,以圆球绕流为研究对象,进行轴对称流动等参数有限元分析,对流场进行不同密度网格划分,比较不同网格密度下圆球绕流场的流线和压力场分布情况。计算结果表明,有限元法可以很好地得出圆球势流场的物理量分布,不同的网格密度对有限元法的求解会产生明显的影响,网格越密求解的流场精度越高,越接近真实的流动情况。

基于LES的亚临界和超临界圆球绕流数值研究

三维圆球绕流是流体力学中的经典问题,国内外学者曾对此进行过许多研究,但大多局限于较低雷诺数。该文采用基于动力亚格子模型的大涡模拟对亚临界雷诺数（Re=10~4）和超临界雷诺数（Re=1.14×10~6）等高雷诺数下的圆球绕流进行了数值仿真计算。计算结果表明,得到的阻力时均值和经典Re-Cd曲线相吻合,相比于亚临界雷诺数,超临界雷诺数下近球面回流区剧烈收缩,阻力系数锐减;圆球尾流场明显偏离了中心轴（x轴）,导致了侧向力的存在;球后有大尺度的规则涡从圆球表面脱落。

低马赫数下圆球绕流的硬球-拟颗粒模拟

硬球-拟颗粒模拟(HS-PPM)能够描述流动的微观细节,已应用于反应-扩散耦合和超声速流动等的研究。但对过程工业中广泛存在的低马赫数(Ma<1.0)流动,HS-PPM的适用性还没有直接证据。本文以低雷诺数(Re≤10)和低马赫数(Ma<1.0)下的圆球绕流为实例探索了这种可行性。圆球表面以解析法描述以保证光滑性,并采用回弹模型保证无滑移边界条件,所有方向上采用周期性边界条件。当Ma<0.1时,分析了模拟体系固含率、模拟区域的形状以及努森数对曳力系数的影响。结果表明,曳力系数随固含率的提高而增加;低固含率下的曳力系数与无限大流场中的单颗粒绕流接近;低努森数下得到的曳力系数更高。采用时空平均得到的流场稳定、轴对称,且无明显的温度和密度梯度,符合公认的实验和模拟结果。Ma>0.1时的曳力系数随马赫数的变化符合前人报道。上述结果展示了HS-PPM用于低马赫数流动研究的可行性。

串列双圆球的流场转捩研究

本文对虚拟边界法加以改善并推广到三维多连通区域的数值模拟上去，研究了不同雷诺数下串列双圆球的流场转捩现象．结果显示小间距比串列双圆球绕流场的第一分叉点位于雷诺数150～175，第二分叉点位于雷诺数225～250．大间距比绕流场的第一分叉点位于雷诺数170～200．转捩点的位置与单圆球绕流相比有不同程度的提前．给出了切面内流态沿流向的发展变化，捕捉到极限环现象，发现下游尾流场的涡结构分别脱落自下游圆球的上表面和下表面，两个来源处的涡脱频率为倍频的关系，随着雷诺数的增加存在频率竞争和占优频率交替的现象．

基于绕流阻力理论的无粘性土渗透系数的计算

渗透系数是渗流计算所需的一个重要参数。目前对于渗透系数的计算已经有很多计算方法,但是理论方法的计算精度不足。针对已有的理论计算方法,基于圆球绕流阻力理论,对Hagen-Poiseuille定律中水流阻力规律进行了等效处理,推求渗透系数的计算方法。在计算中,毛细管直径的求解推荐采用平均孔径计算。通过与实验结果的对比,本文的理论计算方法具有很高的可信性。土体参数对于本文公式的计算结果影响较大,不均匀系数小于5的土体,可采用本文方法;计算结果对于土体粒径和孔隙率的变化较为敏感,准确测量土体参数是运用该方法的基础条件。本文公式可计算不同温度条件下的渗透系数,并且指出由于实验边界和实验过程的影响可能导致本文公式计算与实验值的偏差。

k-ω DES与LES方法在光滑与凹坑球的绕流分析

采用基于剪切应力传输(SST)的k-ω两方程分离涡湍流模型(DES)方法和Smagorinsky-Lily亚格子大涡模拟湍流模型(LES)方法,对粘性不可压缩流体的光滑球与凹坑球体绕流问题进行数值模拟,计算了雷诺数为500,1 000,2 000,5 000四种情况。通过对所得的阻力系数Cd及速度云图等结果的分析及与实验数据的比较,发现两种方法当雷诺数较小时模拟光滑球的结果差异微小,对光滑圆球的模拟都是合理的;随着雷诺数的增大,LES方法与DES模拟光滑球和凹坑球的结果虽然总体特征一致,但是细节有明显差异,LES的结果优于DES的结果。

基于流体分析的三维海流传感器的研究

应用流体分析软件Fluent,采用分块网格划分,选择层流模型,不可压缩的N-S方程,对低雷诺数下不同流速不同攻角的圆球和薄圆盘模型黏性绕流场进行仿真计算。对圆球阻力及其系数的仿真值与实验值进行对比,验证了仿真计算结果的可靠性,得到了可靠的模型计算域和参数设置方法。重点分析了薄圆盘所受阻力、升力的变化趋势,得到了一定的变化规律。结果表明:在相同边界条件下,由相同特征尺寸的圆球与圆盘的绕流仿真结果对比可知,圆球所受阻力明显大于薄圆盘所受阻力,薄圆盘均匀纵向绕流中其升力更明显,由此提出了三维海流传感器的研究方案。

单颗粒旋转对气体湍流变动影响分析

基于Realize k-ε湍流模型对圆球绕流进行数值模拟分析。改变颗粒雷诺数和旋转速度系数,获得单颗粒旋转作用所引起的气体湍流变动规律:颗粒旋转速度系数越大,颗粒对尾迹区的湍流削弱作用越大,尾迹涡流区湍动能越小,气体湍流变动相应越小;单颗粒旋转湍流变动与颗粒雷诺数、颗粒旋转速度系数呈二次多项式。

无奇异边界元法精度分析

采用无奇异边界元法将传统常值面元法中原本直接布置在流体计算域表面网格中心上的奇点移至计算域外部,实现无奇异化.为了分析无奇异边界元法的精度,以类似于经典的圆球绕流为例,对去奇异关键参数进行了详细分析,并将数值模拟结果与文献中解析解进行了对比.研究发现无奇异边界元法可以大幅度提高流场在形状突变处的速度分布精度.

N-S方程的拟序扰动序列与改善的渐近展开匹配法

提出了以拟序扰动序列逼近N_S方程定解问题渐近解的一种方法· 对N_S方程及其边界条件的渐近拟序扰动序列解进行了讨论 ,并应用此方法对球坐标系中的圆球绕流进行求解 ,改善了渐近展开匹配方法 ,使匹配函数更容易确定· 改善后的阻力曲线与实测资料相比在雷诺数小于等于 4× 10 4 以前完全吻合·