基于四叉树网格下的浸入边界-格子Boltzmann方法

提出了一种基于非均匀四叉树网格下的浸入边界-格子Boltzmann方法。在不同层网格界面上,为了保证物理量的连续性,需要在时空方向上进行插值。由于四叉树同层网格在空间上步长相等、且相邻时间层上时间步长相等,所以在时空方向上采用平均值插值,这样做的优点是时空方向插值既可以达到二阶精度,又可以简化计算过程,节省资源,对任意边界加密下的网格,格子Boltzmann方法的实现比较容易。为了充分利用均匀笛卡尔网格的优势,物面边界的处理采用了速度修正法,与传统浸入边界-格子Boltzmann方法中的直接力法、动量交换法相比,无滑移边界条件得到了较好的保证。同时,把大涡模型加入到浸入边界-格子Boltzmann方法中,实现了在四叉树网格数据结构、边界处理技术、大涡模拟几种模型相结合下,绕障碍物的较大雷诺数流动的模拟。通过不可压缩粘性流中圆柱绕流算例验证,结果与其它方法结果吻合良好。

刚体-流体耦合运动的浸入边界法研究

为避免复杂贴体网格的生成和动、静界面滑移网格技术插值带来的误差,提出采用浸入边界法模拟流体刚体的耦合运动.借助求解不可压缩N-S方程组的分步投影方法的思想,来求解基于浸入边界法的耦合系统方程.其中刚体边界离散点的作用力密度通过强制满足刚体边界的无滑移条件(位移和速度一致)导出,结合刚体定轴旋转的动量矩定理,采用Newmark时间积分方法,实现对刚体运动特性的预测.同时,通过δ光滑函数,将刚体边界离散点的作用力密度转换到流体的欧拉网格点上,实现对流场速度的修正.在空间离散上,对流项采用Quick迎风格式,扩散项采用中心差分格式,采用2阶显式Adams-Bashforth法离散时间项.以雷诺数为300的圆柱绕流为基准数值算例,验证数值计算结果的可靠性.

基于滑移速度壁模型的复杂边界湍流大涡模拟

采用滑移速度壁模型实现了浸入边界方法与壁模型相结合的大涡模拟.本文首先分别采用平衡层模型和非平衡壁模型对周期山状流进行数值模拟,以考查在壁模型中考虑切向压力梯度的作用.数值结果表明,流场的压力对本文所采用的壁模型形式并不敏感,但是考虑切向压力梯度可以显著改进壁面摩擦力的计算结果,并且能够准确的预测强压力梯度区以及分离区内的流动平均统计特性.不考虑压力梯度效应的平衡层模型显著低估了壁面摩擦力的分布,同时无法准确预测分离区内的平均速度剖面.非平衡模型的修正项正比于切向压力梯度和壁面法向距离,因此在强压力梯度区或者网格较粗时,计算得到的平均压力和摩擦力分布以及流动的低阶统计量均与参考的实验和计算结果吻合.在此基础上,通过回转体绕流的大涡模拟考查了该方法用于模拟高雷诺数壁湍流的适用性,非平衡壁模型可以准确地捕捉流动的物理结构并较准确地预测其水动力学特性.结果表明,将浸入边界方法与非平衡滑移速度壁模型相结合的大涡模拟,有望成为数值模拟复杂边界高雷诺数壁湍流的工具.

基于刚塑性流动理论的无网格伽辽金方法

为了对金属体积成形过程进行数值模拟,给出基于刚塑性流动理论的无网格伽辽金方法。由于移动最小二乘近似的非插值特征给无网格伽辽金方法的应用带来了一定的困难,将再生核质点法中的完全变换法与无网格伽辽金方法相结合,通过对速度场的移动最小二乘近似进行修正,实现速度边界条件的精确施加;采用罚函数法引入体积不可压缩条件,运用刚塑性材料的不完全广义变分原理,给出基于刚塑性流动理论的无网格伽辽金方法的离散控制方程以及收敛判据和收敛控制方法。数值计算结果表明方法的可行性及有效性。

基于IBVCM的二维非定常动边界数值模拟研究

主要研究了影响非定常动边界问题的一些基本参数并分析了其与推进力的关系。数值模拟采用格子波尔兹曼方法求解流场信息,并用浸入边界速度修正方法进行边界处速度的修正。研究对象为二维情况下摆动的鱼,影响推进力的参数有鱼体的形状、频率、波长、雷诺数。通过对各个参数的一系列模拟,得出其对推进力的不同影响关系。本文总共选取五种形状的鱼体,其运动模式为鱼体中线以行波的方式做横向摆动。最后,从涡的角度分析鱼的尾尖在不同位置时鱼体表面涡的分布情况,得到旋涡变化与鱼身运动的相互关系。通过研究发现,不同形状的鱼推进力不同,在高频、增大波长、增大雷诺数时,推进力增大。