网格密度对尺度自适应计算的影响研究

设置不同网格条件,使用尺度自适应模拟(SAS)方法对流动情况复杂的高亚临界雷诺数圆柱绕流进行了数值计算,重点从模型尺度分布、湍流结构捕捉能力及流场统计积分量等方面分析了SAS方法的网格敏感性及对大分离流动的解析能力。计算结果表明:SAS方法使用基于当地速度导数的冯卡门尺度作为调节尺度,具有良好的湍流谱生成能力,且有效避免了使用网格尺度时的近壁“灰区”缺陷;使用密网格时计算的冯卡门尺度局部分辨率更高,获得了与实验值更接近的壁面压力、流场速度、阻力系数等物理量;使用粗网格时捕捉到的小尺度湍流涡结构较少,表现出较大的耗散性,SAS方法高精度湍流求解仍需一定密度网格支持。

高亚临界雷诺数圆柱绕流的尺度自适应模拟

借助γ--Reθ转捩模型,实现了高亚临界雷诺数(Re=1.4×105)下圆柱层流分离流动的尺度自适应模拟.统计平均结果表明数值计算和实验测量较为接近,尤其在圆柱后半段的分离区中,压力系数和实验符合得很好,误差主要源于分离点预测的不准确.瞬态流动则显示,层流分离的剪切层中出现了展向不稳定,且在向下游的输运过程中不断增强,最后转捩为完全湍流.在湍流分离模拟中,由于缺乏剪切层失稳的非定常性,SST-SAS模型的尺度分辨能力变弱,因此在分离区以及下游尾迹中求解出的湍流尺度要明显较层流分离时大.

基于尺度自适应模拟的汽车天窗风振噪声特性分析

采用尺度自适应湍流模型对一个简易天窗进行数值模拟,通过与试验结果对比,验证数值计算方法的准确性。针对某轿车天窗风振噪声问题,进行不同来流速度条件下的数值模拟,模拟结果表明,轿车天窗风振噪声是声反馈和亥姆霍兹共振两种机制共同作用的结果。在发生亥姆霍兹共振时,通过对一个周期内天窗开口处涡运动对乘员耳旁处压力的影响分析,揭示天窗产生风振的压力特性。深入地研究剪切层失稳特性,对于最强的风振噪声,流向上和横向上速度的方均根值最大,表明亥姆霍兹共振加剧了剪切层里的扰动,产生的风振能量最高。在乘员舱发生亥姆霍兹共振的风速条件下,随着乘员人数的增加,风振噪声的峰值声压级有所降低,与之相关的频率变化很小。

多尺度材料模拟的自适应有限元方法研究

研究了材料模拟中一类新型耦合多尺度的自适应有限元方法.采用微观分子动力学耦合宏观有限元的桥尺度方法来模拟材料破坏的前期行为,其中宏观有限元计算推广到了一般非结构三角形网格.材料破坏形成后,停止微观尺度的计算,它的进一步发展和演化通过一个宏观模型来描述,采用自适应有限元方法来求解这一宏观模型.其中,后验误差估计的基础是变分多尺度理论,即自适应网格加密是基于粗尺度上残差分布和细尺度上单元Green's函数.计算中采用了破坏准则来模拟材料的断裂.数值实验表明了方法的有效性.

尺度自适应模拟和大涡模拟的关联性分析

采用理论分析和数值模拟相结合的方法,系统研究了尺度自适应模拟(scale-adaptive simulation,SAS)和大涡模拟(large-eddy simulation,LES)的关联性问题.在理论分析方面,对比分析了系综平均和滤波的定义、Spalart-Allmaras(SA)湍流模型和动态亚格子(subgrid-scale,SGS)模型关于湍流黏性系数的求解方式.理论分析结果表明,系综平均等价于盒式直接滤波,SAS和LES的控制方程在数学形式上具有一致性;SAS存在过多的湍流耗散,主要来自于SA输运方程中的扩散项.在数值模拟方面,选取来流Mach数0.55,Reynolds数2×10~5的圆柱可压缩绕流为分析算例.计算结果表明,SAS和LES预测的大尺度平均流场信息几乎一致,SAS预测的湍流脉动信息略低于LES.SAS在圆柱近尾迹区的湍流耗散过大,而在稍远的尾迹区几乎能够完全等效于LES.

中尺度的自适应模式在降雪数值模拟中的应用

在中尺度模式的基础上引进了自适应网格设计的方法 ,它可以任意加密局地网格 ,从而达到以较小的计算量获得较高的计算精度的目的。自适应网格技术基于变分原理 ,能根据数值模式的特点 ,在物理量梯度大的地方 ,自动加密网格 ,提高模式的分辨率。文章将自适应网格技术应用于MM4中 ,用来模拟 2 0 0 2年3月 2～ 4日华北地区的一场中—大雪过程。结果表明 ,采用自适应网格技术后 ,结果稳定 ,对所关心的天气系统及其降水的模拟精度与采用均匀网格相比得到明显改善 。

尺度自适应模拟的网格尺度关联分析

采用尺度自适应模拟(SAS)对雷诺数3900的圆柱绕流展开数值模拟,对比分离涡模拟(DES)的计算结果和已有文献中的实验数据,系统研究了SAS和网格尺度的关联性问题。详细研究了不同网格分辨率和展向计算域的影响,分析了冯卡门尺度在尾迹区的时均湍流统计特性和瞬时分布规律。结果表明:在相同的网格分辨率下,SAS预测的回流区长度小于大涡模拟(LES),表现出较早的剪切层失稳;网格加密后,SAS预测的回流速度增大、雷诺应力峰值降低,计算结果与Lourenco&Shih的实验结果相接近。此外,在相同网格分辨率下改变展向计算域大小对SAS结果的影响很小。对SAS的网格尺度关联分析可以为该方法的工业应用提供指导。

基于SST-SAS方法与FW-H方程的串列双圆柱数值模拟研究

在飞机起降过程中,起落架噪声作为主要的机体噪声,越来越受到广泛的关注。串列双圆柱绕流是飞机起落架的简化模型,能够体现起落架复杂流动现象以及气动噪声的主要特征。本文采用基于SST湍流模型的自适应尺度模拟方法(SST-SAS),结合FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的数值计算方法研究了来流雷诺数为1.66×10^5且两圆柱圆心之间的距离与圆柱直径之比为3.7的串列双圆柱绕流的流动特征和声场特性。将结果与已有文献中的数据作了详细地比较,二者吻合很好,平均误差在5%以内。验证了本文气动声学数值计算方法对高雷诺数下大分离流动模拟的可靠性和有效性。

尺度自适应大气边界层参数化改进及其对一次海雾的数值模拟研究

大气边界层湍流运动是地球大气运动最重要的能量输送过程之一。当数值模式分辨率接近活跃含能湍涡长度尺度时,湍流运动被部分解析,被称为“灰色区域”,传统的边界层方案不适合此时模式湍流问题的描述。为了提高模式边界层方案在包括“灰色区域”的不同网格尺度上的描述能力,适应不同分辨率模式的需要,在雷诺平均湍流理论基础上,修正Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino(MYNN)方案湍流长度尺度参数和非局地湍流的参数表达,改进湿度和温度在“灰色区域”的湍流输送参数化及对网格尺度的自适应能力。利用改进的MYNN尺度自适应方案,分别采用3 km和1 km、1.5 km和0.5 km分辨率单向嵌套网格WRF中尺度模式,对2014年2月26日的一次黄海海雾过程进行模拟试验,检验不同分辨率下改进后的MYNN大气边界层参数化方案的合理性和对海雾的模拟效果。尺度自适应MYNN大气边界层参数化方案在千米级网格尺度上获得稳定、合理的湍流垂直输送计算结果。参照雾区卫星云图,不同分辨率模式低层云水混合比模拟结果具有稳定表现,模拟的雾区分布和温度、湿度等物理量结构都较好地再现了再分析“观测事实”,初步表明该参数化方案有较高的网格尺度自适应能力。

不同泡沫体系油藏适应性数值模拟

针对不同泡沫体系在油藏尺度条件下适应性认识不清的问题,通过求解泡沫驱局部平衡模型,拟合岩心实验得到表征不同泡沫性能的模型参数,开展泡沫驱提高采收率研究,确定了各泡沫体系的油藏适应性。实验表明:原体系适应泡沫干度范围窄、抗油性差,复配体系在较低质量分数和渗流速度下可充分形成泡沫,强化体系适应的泡沫干度范围较宽、抗油性强,但发泡性较差。数值模拟表明:泡沫段塞注入量不宜超过0.4 PV;原体系适应的油藏厚度较小;复配体系发泡能力强、运移距离远,适应绝大部分油藏条件;强化体系受发泡性能影响,适应高渗透带发育、流线集中以及原油黏度较大的油藏条件。研究结果为矿场合理选用泡沫体系提供了决策依据。

SA765Gr.Ⅱ合金钢热拉伸本构模型的参数反求

在温度为950~1150℃,应变速率为0.01~5 s^(-1)的条件下,使用Gleeble-1500D热模拟实验机对SA765Gr.Ⅱ合金钢进行了等温热拉伸实验以研究其热拉伸变形行为。首先通过线性回归方法推导了SA765Gr.Ⅱ合金钢的Norton-Hoff模型参数,之后提出了一种基于自适应模拟退火(ASA)算法求解本构模型参数的方法(反求方法)。结果表明:相比于回归方法,反求方法构建的模型预测相关系数R从0.9831提高到0.9958、均方根误差RMAE由6.392降低至3.603、平均相对误差AARE由5.38%降低至3.69%。线性回归方法构建的模型预测误差期望与标准偏差分别为0.97和8.76,反求方法构建的模型预测误差期望与标准偏差分别为0.13和5.14。通过反求方法构建的Norton-Hoff模型预测精度得到了提高。

中尺度数值模式的自适应网格设计

引进了自适应网格设计的方法。自适应网格生成技术基于变分原理，所生成的网格具有光滑性、一定程度的正交性和可调节网格疏密程度的优点。这种新技术可任意加密局地网格，从而达到以较小的计算量获得较高计算精度的目的。将自适应网格技术应用于ＭＭ４中，并用来模拟１９９２年６月１４日这次大范围暴雨过程。结果表明，采用自适应网格后计算稳定，２４ｈ降水预报得到明显改善。

SAS与PANS模型在圆柱绕流中的应用比较

分别运用SST(Shear Stress Transport)、SST-SAS(Scale-Adaptive Simulation)、两种变fk(模化湍动能的比例)函数的SST-PANS(Partially Averaged Navier-Stokes)湍流模型对Re=3900的圆柱绕流进行了数值研究,重点从湍流结构捕捉、气动力计算、涡黏性控制等方面,比较了SAS与PANS两类RANS/LES混合模型的计算能力,并通过不同网格计算分析了模型的网格敏感性。数值结果表明:SAS及两种变fk方法的PANS模型均具有求解小尺度涡运动的能力,并能较好地反映出绕流尾迹的三维非定常特性,同时PANS模型能捕捉到更多的非定常结构;SAS模型中自适应尺度Lvk立足于当地流动,对网格依赖较小,计算的湍动粘度分布更合理,能够更好地计算剪切层及回流区;两种PANS模型网格独立性较差,出现了雷诺应力不足的现象;类DES可变fk函数构造相对简单,所得fk分布更准确,使用tanh函数计算的尾迹区fk值偏低,对流场调控能力稍差。

气候变化下新安江-富春江水电站径流响应模拟及适应性调度研究

评估了气候变化对新安江-富春江水电站控制流域径流的影响,提出不同气候变化情景下的适应性调度方案,并对不确定性进行了分析。结果表明,2016—2099年,新安江水库流域径流量预计降幅为5.4%~5.8%,金华江流域径流量预计增幅为6.2%~7.5%,衢江流域径流量的预计增幅在0.8%以内。在适应性调度模式下,新安江-富春江水电站未来总发电量比常规调度提高3.43%~3.85%,新安江和富春江水电站的最大下泄流量可分别下降22.74%~33.29%和16.57%~17.63%,两电站总弃水量降幅可达81.61%~99.99%和52.98%~58.64%,综合效益显著,且该调度模式对于辐射强度以及不同模式间的不确定性具有良好的适应性。

求解非均质多孔介质中非饱和水流问题的一种自适应多尺度有限元方法——Ⅱ.数值结果

为了验证作者在本文第Ⅰ部分所提出的自适应多尺度有限元方法的有效性与精确性,在第Ⅱ部分对水力参数是随机生成的呈对数正态分布的非饱和水流问题进行了数值试验。数值算例分别考虑了具有各向同性和各向异性相关结构的水力参数场。计算结果表明:自适应多尺度有限元方法的粗尺度解与参考的细尺度解之间具有很好的一致性:在Dirichlet和Neumann入渗上边界条件下,在粗网格中该方法能够有效地抓住细尺度解的大尺度结构,而且,在每一时间步,只有大约1/6的多尺度基函数需要重新计算。此外,还进一步地讨论了自适应粗网格方法的收敛性和重构细尺度解的可比性。数值结果表明:随着粗网格被细分,粗尺度解将收敛到细尺度的参考解,而重构的细尺度解可以很好地近似参考的细尺度解。

基于湍动能谱的自适应大涡模拟方法

为了在计算量有限的前提下实现对不同尺度上湍流燃烧结构的直接求解,提出了新的基于湍动能谱的自适应大涡模拟的概念。在这一概念下,利用湍动能谱和自适应网格技术建立了跨尺度算法,从而实现DNS和LES两种方法的耦合。在湍流非预混氢气射流火焰的模拟中,该方法既能捕捉大尺度湍流结构,又能分辨小尺度燃烧结构,计算出的物理量的瞬态和时均分布和DNS结果吻合得较好。计算偏差主要体现在DNS和LES区域的过渡处,这与亚格子湍动能在过渡处的变化不够平滑有关,表明跨尺度算法需要优化,以完善对不同尺度间湍动能传输的模拟。

核电封头-过渡锥体一体化成形全工艺过程多尺度模拟

SA508-3钢由于其优良的力学和理化性能而被广泛应用于核电大型锻件的制造。为了控制锻件的形状,并掌握大型锻件成形过程中开裂破坏和微观组织的演化规律。将SA508-3钢的流动应力模型、热成形开裂模型及微观组织演变模型通过软件二次开发与DEFORM-3D集成,建立了热锻成形多尺度模拟系统,并通过实验验证了该系统模拟的准确性。运用该多尺度模拟系统对核电封头-过渡锥体一体化成形进行了全工艺过程模拟,并对锻件形状、开裂趋势和微观组织演化进行了预测和分析。结果表明,锻件的形状得到了良好的控制;锻件在锻造过程中不会发生开裂;温度和应变是影响晶粒尺寸变化的主要因素。

基于SA-PSO优化自适应PNN网络的变压器故障诊断研究

概率神经网络中反映整个样本空间的平滑因子σ常以经验取值,缺乏足够的理论依据;对此提出一种自适应概率神经网络变压器故障诊断模型,针对作为自适应概率神经网络的激励函数的高斯函数,采用基于模拟退火思想的改进粒子群算法(SA-PSO)优化其平滑因子σ,从而提高概率神经网络诊断的识别率;通过搜集到92组故障数据进行仿真分析,其结果表明引入模拟退火过程后,粒子群算法的局部搜索能力得到了改善,并且使得SA-PSO算法优化下的自适应概率神经网络相对于单一PSO算法在变压器故障的诊断准确率上得到了较大程度的提高,从而保证变压器的安全可靠运行。

自适应小波方法求解波传问题

本文提出了一种求解波传播问题的数值模拟方法——自适应小波时域积分法,即首先引入对偶变量,通过 Hamilton交换将时间导数为二阶的波动方程改写为时间上的一阶方程,然后采用小波分析对波动方程的空间 变量进行离散,并结合时域积分方法得到原方程递推形式的半解析解。利用小波分析的多尺度特性与消失矩特 性,并结合阈值控制,可以自适应地控制计算精度;利用时域积分方法的半解析特性,可以有效地保证解在时间 域上的稳定性。数值结果同解析解进行了对比,表明了本方法的有效性。

区域尺度作物生产力对全球变化响应的研究进展及展望

作物生产力对气候变化高度敏感,因而成为全球气候变化科学研究中的焦点问题之一。开发作物生产力的区域模型,与区域气候模式相耦合,有利于对作物生产力形成过程中的时间和空间变量进行分析,为针对各地不同的气候、土壤、作物与耕作管理条件制定适应性对策奠定基础。本文综述了作物生产力对CO2 增加和气候变化响应的研究方法,指出应用遥感、地理信息技术与作物模拟技术、高分辨率的区域气候变化模式相结合。