椭圆柱绕流的理论研究

现有的椭圆柱绕流理论给出了椭圆柱周边流场分布示意图,但流场分布图的数学分析计算过程并不完善,给进一步研究椭圆柱绕流问题增加了难度。首先利用保角变换的方法求得攻角为零时的椭圆柱绕流复势,然后利用复变函数理论将椭圆柱绕流复势分离,得到了椭圆柱绕流的势函数和流函数,随后利用MATLAB软件绘制出了流线和等势线分布图,进而基于求得的绕流势函数和流函数,应用理想流体力学相关理论,讨论了椭圆柱面的流体压力分布规律。

不同雷诺数下二维椭圆柱绕流的数值模拟研究

利用计算流体力学软件Fluent对不同雷诺数(Re=100,3900,3.5×10^(6))下二维椭圆柱绕流进行了数值模拟研究,分析了不同轴长比(2b/2a=cosθ,θ=0°,15°,30°,45°,60°)下椭圆柱绕流的特性。通过对比尾部涡流情况、升力系数CL、阻力系数CD以及斯特劳哈尔数St初步发现:由于椭圆形截面偏流线型的特点,在三种雷诺数下随着θ的增大椭圆柱绕流尾涡强度减小,流场的变化使圆柱表面的压力系数减小,最终导致圆柱的升力系数幅值与阻力系数均值减小。而斯特劳哈尔数St在三种雷诺数下的变化不同,随着θ的增大,层流雷诺数(Re=100)下St值减小;亚临界雷诺数(Re=3900)下St值在45°处轻微上扬,在60°处明显减小;超临界雷诺数(Re=3.5×10^(6))下St值增大。

基于波尔兹曼方法研究幂律流体的椭圆柱绕流

基于格子波尔兹曼方法(lattice Boltzmann method)和幂律流体本构方程,建立二维流动模型,将充分发展的速度分布与理论解进行对比,吻合良好.对幂律流体的圆柱绕流进行模拟,采用了反弹格式的无滑移圆柱边界,并使用应力积分法计算阻力系数,分析了稳态圆柱绕流时,阻力系数随幂律指数n以及雷诺数Re的变化规律.分析了椭圆横轴/纵轴长度比和幂律指数n,对压力系数C_p和黏度系数G_v的影响.得到的变化规律与有限元方法规律一致,验证了格子波尔兹曼模型的可行性.

椭圆柱绕流的相关问题研究

研究无粘性不可压缩流体绕过椭圆柱时在椭圆柱附近的流动情况。利用儒可夫斯基变换根据复变方法得到45°冲角下椭圆柱绕流的复势函数;给出45°冲角下椭圆柱绕流的速度势函数和流函数并画出45°冲角下的流线图和压强系数图。根据流线图、压强系数图分析了椭圆柱表面的速度和压强分布情况。当椭圆的尺度参数取极限值时,所得结果可以退化为平板绕流的情形。

数值模拟电磁力作用下的椭圆柱绕流

利用格子Boltzmann方法,对电磁力作用下的椭圆柱绕流进行数值模拟,研究了电磁力椭圆柱绕流的影响,并且分析了曲线边界处理方法和曲线边界受力的计算方法,计算得到了不同强度的电磁力作用下椭圆柱绕流的流线,揭示了它的变化机理。结果表明:格子Boltzmann方法计算过程简单合理,而且电磁力能够改变椭圆柱绕流的边界层结构,抑制椭圆柱表面的流动分离,消除旋涡脱落。

不可压缩流体横掠椭圆截面管道时的对流换热

为获得不可压缩流体横掠椭圆截面管道时对流换热规律的一般性的认识,采用解析法与数值法相结合的方法,首先研讨了不可压缩粘性流体平面无环量椭圆绕流(动力)层流边界层的一些特征并将其应用于椭圆管面的对流换热问题,得到较为精密的椭圆管面局部对流换热系数的一般表达式,从而为在一个较广泛的视角下分析椭圆管的换热提供了一条途径。按此方法,对某一势流速度下局部换热系数与管形的关系给出了分析计算实例,并得到在此势流速度下,具有最大换热能力的椭圆管形。另外,基于笔者用函数论方法所得到的一个一般关系式,给出了一般椭圆管对流换热能力的一种估值。该方法和结果是对现有纯试验和纯数值方法的一个补充。

基于机器学习的双椭圆柱绕流场预测

双椭圆柱绕流是一种典型的钝体绕流现象,本文针对并列双椭圆柱二维绕流问题提出了一种基于机器学习方法的智能预测模型。首先通过本征正交分解(POD)将原始高维流场信息降阶为低维空间内的一组流场特征系数向量,然后采用门控循环单元(GRU)神经网络模型构建当前时刻特征系数与之前若干时刻特征系数之间的时序关系,最后以初始若干时刻的流场特征系数为输入,利用训练获得的模型预测后续时刻的特征系数并重构全阶流场信息。涡量场预测结果表明,本文构建的预测模型能够有效地捕捉双椭圆柱绕流场的周期性规律,能在较长的时间跨度内保持与CFD模拟相当的流场预测精度,且具有更高的预测效率。

一种模拟动边界绕流的锐利界面浸入边界法

为避免复杂贴体网格的更新和畸形对动边界流场计算效率、精度的影响,以充分掌握结构场的受力特性,采用一种改进的锐利界面(sharp-interface)浸入边界法模拟具有动边界绕流的流动问题。该方法将计算域中的固体视为流体,固体边界离散为若干个拉格朗日网格点,通过在界面单元处插值重构流动参数(速度),将其直接作为流动求解器的边界条件,由此来反映固体边界的影响。即通过构造“虚拟点—受力点—垂足点”的计算结构,借助双线性插值得到虚拟点的速度,再通过强制满足固体边界的无滑移条件计算出受力点的速度,以此为边界条件,最终求解基于浸入边界法的耦合系统方程,实现复杂动边界的流动数值模拟。采用C++编写该浸入边界法的数值程序,以单圆柱绕流为验证算例,通过与文献和实验结果的对比,验证了该方法的准确性和可靠性。在此基础上,对主动运动椭圆柱绕流问题进行了精细计算,探讨了不同轴长比(A_(R))、不同攻角(θ)下的椭圆柱对尾涡结构分布特征和水力不稳定现象的影响。捕捉到了反对称S型、“P+S”Ⅰ型、“P+S”Ⅱ型尾涡脱落模态,漩涡强度、涡脱频率和升阻比随AR和的变化规律,以及确定了升阻比临界攻角(25°)。

新的守恒积分在绕流问题中的应用

众所周知,研究物体在理想流体中的受力时,一般都是应用布拉休斯定理计算而获得。本文运用了一种新的守恒积分即具有路径无关性的积分对椭圆柱绕流和有环量平板绕流问题进行理论研究。此方法的要点为:首先,对椭圆柱绕流复势函数、有环量平板绕流流复势函数进行一阶求导;然后将一阶导数的平方代入守恒积分当中;再调整积分中的共形映射函数ζ(z),利用复变函数复合闭路定理计算得出流体对物体的作用力以及其他的物理量作用。研究结果表明,新的守恒积分能很好的应用于此类绕流问题的理论计算,使其计算过程得到简化。同时,对比传统的布拉修斯定理积分,新的守恒积分能计算得出更多的守恒量,而这些守恒量对于研究物体在流场中的绕流问题有着重要的意义。

用高精度紧致差分格式分块耦合求解二维粘性不可压缩复杂流场

本文提出了张量形式的粘性不可压缩流场方程的高精度分块耦合求解方法。在分块算法中用重叠一层的方法来实现子块间的数据交换 ,同时克服子块剖分所造成的数值奇性。利用本文所提出的算法成功地模拟了椭圆柱绕流问题的时间发展过程 ,如尾流 ,旋涡的产生 。