连续激光内通道传输的弱可压缩流模型

分析了激光在气体中传输时采用等压近似线性方程求解流场密度分布的优缺点,在高低速流场统一计算模型的基础上提出了基于压力原变量的分步求解的弱可压缩流计算模型,并分析了该模型的特点。采用该模型结合标量衍射理论对连续激光在封闭充气管道中受到的气体热效应影响进行了数值仿真。仿真结果与实验结果的对比表明,弱可压缩流计算模型能更精确地反映非自由边界热对流对气体密度分布的影响,进而反映流场对光束的影响。这说明弱可压缩流计算模型能较好地适应内通道光传输问题的仿真研究。

基于弱可压缩模型的抽蓄电站引水系统数值模拟

通过建立全三维的弱可压缩流体模型,利用求解非定常三维N-S方程的方法,在阀门出口边界加入流量随时间变化的程序,以模拟抽水蓄能电站的甩负荷工况,并对不同水体模型下的情况进行模拟,得到了引水管道内各测量断面压力与流量、调压井内水位随时间的变化规律,以及管道出口处压力、管道内部水流流态的变化规律,并参照试验数据与不可压缩流体模型及一维特征线方法进行对比.结果表明:在考虑流体可压缩性的情况下,弱可压缩模型结果较不可压缩模型更接近试验数据,提高约0.16%;而弱可压缩模型阀门出口处的压力头值,较不可压缩模型低10.87 m.而流态分析表明,数值模拟方法在管道内流态的表现以及在调压井的波动方面,相比一维特征线方法更有优势.结论可为研究抽水蓄能电站引水系统甩负荷工况提供新的参考,并为精确的数值模拟计算提供新的思路和方法.

水动力学问题的弱可压缩模型求解方法研究

从弱可压缩水动力学方程出发 ,采用坐标变换的方法处理自由表面 ,建立了能够模拟有自由表面流动问题的定常、非定常的三维水动力学模型和对流扩散模型 ,模型采用浮湍流模型进行封闭 。

弱可压缩流体边界处理算法

针对流体与固体边界的交互模拟问题,提出一种基于弱可压缩光滑粒子流体动力学(SPH)的边界处理算法。首先,引入一种新的体积权重函数,解决固体边界非均匀采样区域流体密度的计算误差问题;然后,提出一种新的边界力计算模型,避免校正流体粒子位置信息,保证固体边界不可穿透;最后,提出一种改进的流体压力计算模型,保证流体的弱可压缩性。实验结果表明,所提算法可以有效地解决基于位置校正的边界处理方法在模拟弱可压缩流体与非均匀采样固体边界交互时存在的稳定性问题,且仅需边界粒子的位置信息,在节约内存的同时避免了位置校正所带来的额外计算开销。

弱可压缩移动粒子半隐式方法对溃坝溢流问题的数值模拟

无网格粒子法(拉格朗日法)是计算流体力学领域最新一代的计算方法。由于不需要生成网格,无网格粒子法能够模拟任意形状的界面及其变形和碎裂,尤其适用于计算如溃坝溢流及波浪破碎等具有复杂自由表面运动的流体力学问题。其中,光滑粒子流体动力学方法(SPH)和移动粒子半隐式法(MPS)是无网格计算方法的典型代表。采用基于MPS法的修正弱可压缩移动粒子半隐式法(weakly compressible corrected moving particle semi-implicit method)构建了用于求解自由表面流问题的数值计算模型,并用于模拟干床面与湿床面上的溃坝溢流问题。计算结果与实验结果的对比分析表明,采用基于WCCMPS无网格法建立的数值计算模型对干、湿床面上溃坝溢流的溢流形态、水柱高度以及波前速度等均给出了良好的计算结果。

弱可压缩流体与可压缩流体模型的管路水击研究

为提升液体推进系统模型对可压缩流体的仿真能力,针对供应管路的瞬变流动,采用一维有限体积法,使用Modelica语言基于MWorks平台分别开发了适用于补燃循环发动机仿真模型库的弱可压缩流体与可压缩流体的管路模型,不同于控制方程中显含声速的弱可压缩流体模型,可压缩流体模型通过将守恒方程与真实流体的SRK型状态方程耦合求解来计算压力波的传播。在管路供应系统中,分别以液氢、液氧及液甲烷为工质进行关阀水击的仿真研究,结果表明:使用SRK状态方程避免了可压缩流体模型对内能拟合公式的依赖,减轻了建模难度;可压缩流体模型对液氧及液甲烷的仿真结果较为准确,最大误差不超过2%,对液氢的最大计算误差约9%;相对于可压缩流体模型,弱可压缩流体模型计算得到的水击压力在振幅及频率上均偏大;可压缩流体模型计算得到的流体密度波动不超过3%,因此工程实践中处理水击问题时将液体假设为弱可压具有一定的合理性。

二维弱可压缩黏性流体的近场动力学模拟

基于近场动力学理论,采用近场动力学微分算子(PDDO)求解流体连续性方程与动量方程,建立了二维黏性流体运动的近场动力学模型,流体假设为弱可压缩形式.通过二维方腔驱动、溃坝及低雷诺数圆柱绕流三个经典算例验证所建立的流体计算模型在内部流动、自由表面流及绕流问题上的适用性,并与已有试验数据和数值结果进行对比分析.结果表明:建立的近场动力学微分算子流体计算模型能够有效地模拟流体运动的全过程,速度分布曲线的趋势及极值与已有结果具有较好的一致性,并且同样可以清晰地捕捉到流场中的特征.

含气泡弱可压缩弹性材料的等效媒质法

声波在含气泡弹性材料中传播时不仅使固相介质产生形变,而且会使气泡非线性振动,据此建立了含气泡弱可压缩弹性材料的等效媒质法。利用等效媒质的微单元与含气泡材料的微单元具有相同的应力和应变,求得了含气泡材料的等效Lame系数,并得到了含气泡材料的非线性波动方程。其线性化结果与Gaunaurd的经典理论相比较,有很好的一致性。本方法还可给出含气泡弱可压缩弹性材料的另一重要参数——非线性系数。

弱可压缩SPH方法压力初始赋值方法比较

为研究不同初始流场压力赋值方法对于弱可压缩SPH方法数值结果稳定性的影响,采用静水压力赋值方法以及弱可压缩假设赋值方法,结合不同物理模型及不同数值影响因素对弱可压缩SPH方法的初始流场压力稳定性问题进行对比分析.对粒子数的比较研究表明,相同粒子数下,弱可压缩法在流场稳定速率及流场稳定性上均优于静水压力法.对人工声速的研究表明,弱可压缩法的自身稳定性及对人工声速的不敏感性显著优于静水压力法.对人工黏性的比较表明,静水压力法较弱可压缩法对人工黏性系数的敏感性较高,易受人工黏性变化而产生压力波动.弱可压缩假设赋值方法具有良好的鲁棒性,有利于提高初始流场收敛速度,提升流场数值稳定性,对于弱可压缩SPH方法流场初始赋值方法选择具有一定意义.

两种SPH算法在模拟不可压缩流中的比较

基于二维腔剪切流模型,对弱可压缩光滑粒子流体动力学(WCSPH)和不可压缩光滑粒子流体动力学(ISPH)两种SPH算法进行了对比分析。分别使用了排斥力方法与静态粒子法来设置边界。结果显示:ISPH算法在计算速度场和压力场时,计算精度均较WCSPH算法高;时间步长不像WCSPH算法受声速的限制,计算效率更高。

射流泵内部流动的二维大涡模拟

建立了弱可压缩的大涡模拟运动方程 ,采用弱可压缩流体运动方程作为控制方程 ,按照Deardorff的方法引入大涡模拟 ,利用Smagorinsky的亚格子紊动模型封闭水流运动方程组 ;进而对该守恒形式的方程进行求解 ,用有限体积法离散 ,用MaCormark显式预测—校正步进法计算。通过大涡模拟 ,得到了射流泵内部流动的流场分布、轴向压力和流速变化 。

三维溃坝问题的数值模拟研究

采用求解三维弱可压流动模型及Ｋ－ε两方程湍流模型的方法，用有限差分法数值求解，研究了三维清坝引起的非定常复杂流场，文中给出一种简单而有效的处理自由面边界的方法，并详细地给出一个三维弱可压的流体动力学计算方法，数值计算表明本文的方法能较好地给出自由面的变化规律及流场的非定常过程．

基于大涡模拟数值仿真的喷射泵喉管长度优化

采用弱可压缩流体理论、大涡模拟数值方法、有限体积离散法、贴体坐标变换等理论和方法,研究了喷射泵内部流动状态。通过数值仿真,分别计算了具有不同喉管长度的喷射泵内部流场,并经过分析确定了喷射泵的最优喉管尺寸,计算数据和试验数据对比非常接近,证明了数值仿真结果是合理的、可信的。

基于ALE有限元法的储液罐耦合竖动响应研究

推导了一种基于ALE描述弱可压缩液体与结构非线性耦合求解的分步有限元数值计算法,速度与压力使用同阶线性插值,并对耦合系统的竖动响应进行了分析。通过二维黏性流体大晃动问题实例计算,验证了该法简便、可行有效。

大空间建筑有害气体输运过程研究方法的分析

大空间建筑中有害气体的扩散和输运过程为低速流动(马赫数M<<1),呈不可压缩或弱可压缩(WeaklyCompressible)特性,这类问题的实验研究和数值模拟均存在不少问题和困难。本文分析了此类问题研究方法的现状,系统地分析和比较了场模拟常用数值方法的特点,以及不同湍流模式的适用性。分析表明采用LES的场模拟方法是研究此类问题行之有效的方法,亚格子尺度模型是此类方法应用需重点考虑的因素。

三维有自由表面问题的数值模拟研究

本文采用求解三维弱可压流动模型及带浮力修正的K—ε两方程湍流模型的方法,用有限差分法数值求解,研究了有密度差的污染物在复杂流场中的对流扩散规律,文中给出一种简单而有效的处理自由面边界的方法,并详细地给出一个三维弱可压的流体动力学计算方法,数值计算表明本文的方法能较好地给出自由面的变化规律、流场的非定常过程及预测了污染物的对流扩散规律.

超低马赫数空腔流诱发自激振荡数值模拟

为了揭示超低马赫数空腔流诱发自激振荡的机理,通过引入弱可压缩流体模型并采用大涡模拟对空腔内的瞬态流场和压力脉动进行了计算。将计算获得的腔内压力脉动与低噪声风洞测试结果进行了对比,以验证计算方法的可靠性。结果表明:弱可压缩流模型的大涡模拟能较为准确地预测超低马赫数空腔流自激振荡的频率与幅值;频率分布显示振荡具有准谐振的特点;空腔内的流场结构和开口处涡的运动表明自激振荡的产生机理为空腔前缘的涡旋脱落后击打在空腔的后缘,产生压力回弹,回弹的压力波传到上游进一步加剧了涡旋的脱落。

A new scheme for identifying free surface particles in improved SPH

The present paper proposes a new scheme for identifying free surface particles in an improved SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). With the development of the SPH, free surface identification becomes a key challenge in free surface flow simulations, especially for violent breaking water waves. According to numerical tests, existing free surface identified schemes are not reliable for weakly compressible SPH when violent waves are modeled. The new free surface identification scheme suggested here considers changes in density ratio and three auxiliary functions. Although this new scheme originates from a scheme for another meshfree method (MLPG_R method), it includes several improvements, especially developed for the improved SPH. The limited numerical tests have indicated that the scheme does not significantly increase CPU time required, but it considerably improves the identification of free surface particles.