基于曲线坐标系浸没边界方法的折流燃烧室模拟

航空发动机折流燃烧室几何结构复杂,其高保真数值模拟需要高效的网格与边界条件处理方法。采用曲线坐标系隐式浸没边界方法结合大涡模拟-概率密度函数输运方程湍流燃烧模型开发自研软件,并实现WP11中折流燃烧室的高保真模拟。流动模拟中准确解析了该燃烧室中的三股主要气流,且三股气流分别约占进口流量的75%,12.5%和12.5%。两相燃烧模拟中针对拉格朗日框架下的液滴运动和欧拉框架下的湍流燃烧采用不同网格标记,模拟得到的出口径向温度分布规律与实验一致,平均相对误差为17.95%,表明基于本方法开发的自研软件能准确模拟折流燃烧室中的两相湍流燃烧现象。

浸没边界方法在微型泵中的应用研究

本文给出了有限体积数值离散中,采用双线性速度插值的直接强迫力浸没边界方法的数值实现公式推导;该方法对微小型泵内部流动的数值模拟结果与试验数据一致;使用该方法研究了泵顶部的平板长度对泵的流动特性的影响,发现平板附近的进口涡对流动的阻隔作用是影响泵流量的重要因素,在平板的相对长度为4的情况下,进口涡的阻隔作用最小,此时可以得到泵的最大流量。

浸没边界方法在翼型绕流大涡模拟中的应用研究

本文首先给出了有限体积数值离散中,采用双线性速度插值的直接强迫力浸没边界方法的数值实现公式推导;采用该方法对翼型绕流进行了大涡数值模拟的初步研究,大涡模拟的亚格子应力采用基于Germano等式和尺度相似假设的SDP动力模式,模拟结果与文献的DNS结果一致,表明SDP模式于本文的浸没边界方法的结合可以实现对复杂流动的精确模拟。

基于隐式扩散的直接力格式浸没边界格子Boltzmann方法

采用浸没边界格子Boltzmann (immersed boundary-lattice Boltzmann, IB-LB)模型执行动边界绕流数值模拟时,信息交互界面和边界力计算格式直接影响流动求解器的数值精度和计算效率.基于隐式扩散界面,一种改进的直接力格式IB-LB模型被提出.边界力表达式基于欧拉/拉格朗日变量同一性准则推导,转换矩阵描述的信息交互界面耦合了拉格朗日节点间的非同步运动.采用Richardson迭代数值求解关联边界力与无滑移速度约束的线性方程组,不仅克服了传统速度修正格式中矩阵求逆引起的计算效率问题,而且摆脱了算法稳定性对拉格朗日点分布的依赖.根据解析解已知的Taylor-Green涡流评估本文模型的数值模拟精度,结果表明改进的IB模型能够完整保留背景LB模型的二阶数值精度.静止圆柱和振荡圆柱绕流数值实验结果表明,当前模型在涉及复杂外形和运动界面的流动模拟中能够提供可靠的数值预测,满足力同一性的IB-LB模型能够有效抑制非定常流体力的伪物理震荡.波动翼型绕流模拟验证了当前模型的实用性,可在大变形柔性体流固耦合动力学问题中进一步推广.

一种稳定的浸没边界-格子波尔兹曼方法

基于强制边界条件的浸没边界-格子波尔兹曼方法(Immersed boundary-lattice Boltzmann method,IB-LBM)提出了一种稳定的IB-LBM。在该方法中,采用了具有良好稳定性的多松弛时间(Multi-relaxation time,MRT)模型代替原来的单松弛时间(Single-relaxation time,SRT)模型。因而,在保证无滑移边界条件能够精确满足的同时,该方法的稳定性和适用性都得到了提高。通过对中高雷诺数下二维圆柱绕流算例的模拟,计算所得的数值结果与其他文献中的结果吻合,从而验证了该方法的可行性。

三角形布置圆柱体群绕流特性与流动机理研究

基于浸没边界-多松弛-格子玻尔兹曼方法,对Re=100时等边三角形布置三圆柱体群绕流问题进行数值模拟,分析间距比(Kd)与来流角度(α)两个关键参数对流体力系数及流场特性的影响,揭示其流动机理。计算结果表明:不同流场下尾流模式分为单漩涡、单漩涡体向双漩涡过渡、不规则的双漩涡、规则的双漩涡、双漩涡向三漩涡过渡、不规则的三漩涡和规则的三漩涡模式,在α=30°时流场下游涡街更加规则,尾流模式转变更快。三圆柱所受的时均流体力系数受间隙流流速影响较大,各来流角度下随间距比(除小间距比外)的变化趋势基本一致,尾流模式转变会导致三圆柱群的流体力系数均方根值发生显著变化,在Kd≥3.5后上游圆柱流体力系数均方根值有较大起伏。除α=0°工况外,在Kd≥2.5后中游圆柱的涡脱落频率受α和Kd影响较小,数值相对稳定。

刚性薄平板绕流特性的数值模拟

为了揭示雷诺数、来流剪切参数对平板尾流涡街演化过程以及平板阻力特性的影响规律,本文基于浸没边界-格子Boltzmann方法建立了刚性薄平板绕流模型,并在雷诺数为100~1200内,对不同雷诺数与来流剪切参数下的刚性薄平板绕流问题进行数值模拟。分别研究了平板尾流区沿流向的2次失稳跃迁过程以及平板流向载荷随来流剪切参数的变化及其对雷诺数的依赖性,并对其机理进行了讨论。研究表明:随着流场剪切参数的增加,平板近尾流经过数次准周期分岔过程进入了由大尺度涡结构所主导的混沌状态,进一步诱发了低频、混沌的结构阻力;雷诺数越大,向混沌特征流向载荷转变所需的临界剪切参数越小。

合成射流对层流状态下圆柱辐射噪声的影响

主动流动控制是降低流动噪声的新型途径,近年来吸引了研究者的广泛关注.利用二维格林函数,推导得到了忽略四极子影响的声比拟方程的二维时域解.在此基础之上,基于格子Boltzmann方法为核心的流场求解器以及声比拟方程为核心的声场求解器,在低雷诺数(Re=100)下,开展了合成射流频率和相位差对圆柱绕流近壁流场和声辐射远场影响的数值模拟研究.结果表明,在利用合成射流减小圆柱阻力时,出现了两种频率锁定状态,且远场辐射噪声会发生明显变化.提高射流频率或减小相位差会增强射流的自噪声,导致远场辐射声压进一步增大,并使得指向性由偶极子类型转变为单极子类型.在各个控制参数组合下,远场的总辐射噪声增加,与未施加控制时相比声功率增加了4到18 dB,同时,阻力方向的噪声始终增强.本研究可为探索低辐射噪声的合成射流控制策略提供参考数据.

粗糙元取向对湍流统计量影响的数值研究

采用直接数值模拟方法研究了椭球体粗糙元取向对粗糙壁槽道湍流统计量的影响,其中,粗糙元几何采用清晰界面浸没边界方法直接解析。考虑了四种不同粗糙元取向的粗糙壁,包括随机取向、垂直放置、朝下游倾斜45°、朝上游倾斜45°,对于每种取向选取三种不同粗糙元间距。模拟结果显示:粗糙元取向对湍流统计量有显著影响;对于小粗糙元间距(l=2.0r,其中r为椭球体的最短半轴长),“随机取向”粗糙壁的砂粒粗糙度长度(k_(s))大于其他粗糙壁;对于大粗糙元间距(l=2.8r、3.5r),“垂直放置”粗糙壁的k_(s)最大;“朝下游倾斜45°”和“朝上游倾斜45°”粗糙壁的k_(s)值和雷诺正应力(以壁面摩擦速度无量纲化)基本相同,并且其流向雷诺正应力远高于其他粗糙壁。另一方面,“朝下游倾斜45°”粗糙壁的流向分散应力高于“朝上游倾斜45°”粗糙壁;垂向和横向分散应力远小于流向分散应力,其中“随机取向”粗糙壁的垂向和横向分散应力幅值最高.

基于速度修正IB-LBM的圆柱强迫运动特性研究

基于速度修正的浸没边界-格子玻尔兹曼方法(IB-LBM),对雷诺数Re=100时等边三角形布置三圆柱流致运动问题进行了数值模拟,推导并修正了速度修正的IB-LBM,验证该方法的准确性和适用性,着重分析来流角度、旋转速度和间距比3个参数的变化对圆柱流场、流体力系数以及其中顺/横流向速度的影响.结果表明:在间距比和来流角度较小的情况下,旋转速度越小,流场的尾流形态就会越规则,反之亦然,但是,来流角度的增大会使它占据影响流场特性的主导地位,使得尾流形态再次呈现规则状态;当间距比和旋转速度均变大的情况下,圆柱群间的互扰效应会随着来流角度的增大而变得更强,产生不同的旋涡脱落模式,归根结底是因为圆柱群间不同圆柱的放置方法导致了旋转方向的不同.

用浸没边界-格子Boltzmann方法模拟双层刚性植被明渠水流特性

含植被明渠水流的模拟是水动力学中的一个典型问题。该文尝试用浸没边界-格子Boltzmann方法(immersed boundary-lattice Boltzmann method,IB-LBM),结合大涡模拟,对含双层刚性植被明渠水流进行数值模拟分析。首先介绍了IB-LBM的基本思想和局部加密网格处理刚性杆件的方法;然后模拟典型双层刚性植被明渠流,将模拟结果和实验数据及有限体积法模拟数据对比,验证了其精度和可靠性;最后,通过加大植被密度和改变密度比来深入分析植被密度影响规律。结果显示,通过局部网格加密和并行计算,IB-LBM可模拟较大规模的含植被流动;改变植被密度和两层之间的密度比对宏观流速剖面线的转折点和凹弧曲率有影响。

双自由度子母管线涡激振动数值研究

为了研究双自由度子母管线周围的绕流特征,本文采用高精度浸没边界方法模拟了不同布置条件下双自由度子母管线的涡激振动特性,探讨子母管线质量比、间距比、空隙比和角度对子母管线低雷诺数振动特性及水动力的影响。结果表明:随着子母管线的质量比和间距比的增大,管线涡激振动的最大振幅逐渐减小,发生锁定的区间也变窄。不同角度对子母管线涡激振动的抑制作用不同,子管与母管并列时对子母管线涡激振动的抑制作用更强。另外通过对流向和横向耦合振动的分析可发现,低质量比时流向振动对横向振动的振幅和频率影响较大,而高质量比时这种影响相对较小。

三圆形颗粒在通道中沉降运动的数值研究

主要应用浸没边界的格子玻尔兹曼方法 (immersed boundary-lattice Boltzmann method,IB–LBM)对处于不同倾斜角度通道内的三个刚体圆形颗粒在重力作用下下落的动力学特性进行了计算研究.首先分析通道倾斜角度的影响,结果显示当通道倾斜角处于59?～90?的范围时会发生后一个颗粒超越前一个颗粒的现象.其次,研究了Re对颗粒沉降特性的影响,结果表明Re越大,颗粒间发生聚集的时间越早.研究还发现当3个颗粒的直径大小不均匀时,颗粒由大到小纵向依次排列,或者出现中间小球直径较相邻两个小球直径大的排列情况,均能促使颗粒加快聚集.本文的研究结果可为环境工程及地质学中的颗粒沉降问题提供有价值的参考.

从水动力学角度分析深潭对产漂流性卵鱼类繁衍的生态学意义

深潭浅滩连续分布是产漂性卵鱼类产卵场的典型特征.为了探究深潭对于鱼类产卵繁衍的生态学意义,利用单相自由液面Lattice-Bolzmann方法对不同来流条件下各类深潭内流场进行模拟,分析其主要水动力特征及影响因素.通过理论分析研究鱼卵在涡旋中的受力与运动模式,并针对理想涡旋与实际深潭中鱼卵运动过程分别开展数值模拟,探究鱼卵颗粒的运动规律和持续时间.结果表明:涡旋流动是深潭内的重要流场特征,涡旋数量与大小主要由河道流速及深潭形态决定.由于与主流存在显著的流速差异,当主流流速过高时,深潭可以为亲鱼提供丰富的宜产卵流速选择.另外,产在潭内的鱼卵在径向压差力作用下,能够在深潭内作比较稳定的离心涡旋运动,最终到达涡旋外周进入主流界面,该随流运动过程不但可以为鱼卵受精提供适宜的水动力环境,还能在主流流速较低时,增加鱼卵有效漂程,降低鱼卵沉底死亡风险.

航空发动机燃烧室数字孪生体系关键技术

通过曲线坐标系浸没边界方法(IBM),在设计阶段可以实现对真实航空发动机燃烧室的高保真虚实映射,保留全部几何结构信息。在IBM方法基础上,采用大涡模拟(LES)结合概率密度函数输运方程湍流燃烧模型(TPDF),对双旋流燃烧室、某单头部直流燃烧室以及某折流燃烧室1/10模型进行真实结构仿真,测试数字孪生体系关键技术的有效性。对比预测结果和实验结果,双旋流燃烧室的旋流器出口附近轴向、径向、切向速度平均误差分别为15.7%、23.8%、15.0%;非稳态解析了真实直流燃烧室与折流燃烧室的详细湍流燃烧场,出口温度分布的平均相对误差分别为11.66%和17.95%。因此基于虚实映射得到的燃烧室数字孪生体系具有一定的有效性,该方法具有潜在的工程应用前景。

AECSC-IBM航空发动机燃烧室数值模拟软件研发与检验

针对航空发动机燃烧室的高保真数值模拟需求,基于浸没边界方法(IBM)及大涡模拟-输运概率密度函数湍流燃烧模型(LES-TPDF)开发软件AECSC-IBM,用网格标记映射燃烧室真实几何结构。通过模拟双旋流燃烧室算例和Sandia射流火焰算例检验湍流流动和燃烧的模拟精度。在双旋流燃烧室模拟中,旋流器出口时均轴向、径向、切向速度平均误差分别为15.7%、23.8%和15.0%。在射流火焰的模拟中,Flame-E和Flame-F的温度、燃料质量分数平均相对误差分别为14.69%、5.22%和14.18%、5.54%。进一步将AECSC-IBM软件应用于某真实结构单头部燃烧室算例,模拟得到出口温度与实验数据相比方均根误差为11.66%。算例检验表明AECSC-IBM软件能快速精确映射几何模型,大幅减少复杂几何高质量网格生成工作量,高效准确地模拟航空发动机燃烧室内的两相湍流燃烧现象,模拟结果可为燃烧室精细化研发提供燃烧场数据参考,具有工程实用价值。

前后排列柔性细丝在黏性流体中自主推进的稳定形态及动力学机制

鱼类集群运动行为蕴含着复杂的水动力学机制.针对一种简化的鱼类集群运动模型,利用浸没边界方法对黏性流体中做自主推进运动的两个前后排列柔性细丝进行数值模拟,对其稳定运动时的排列形态以及相应的涡相互作用模态开展研究.为保证进行长时间的自主推进运动,本文将流体和固体运动方程写在非惯性系下,通过基于投影思想的隐式动量力实现流固耦合,避免了自主推进运动对计算域尺寸要求过大的问题,可以有效节省计算量.通过改变前后细丝的初始水平间距和垂向偏移距离,发现了3种稳定排列形态:远距离前后排列、近距离前后排列和并行排列.对于远距离前后排列形态,后排细丝受垂向偏移距离的影响较小,始终会穿过前排细丝脱落的涡;对于近距离前后排列形态,前排细丝表面的剪切层在脱落成涡之前和后排细丝表面的剪切层合并,脱落成较强的涡,推进速度较快,前后细丝的运动和受力会有一定的相位差;当垂向偏移距离增大,后排细丝受前排细丝的影响减小,最终稳定于并行排列同步运动,上下细丝两侧的同号剪切层合并脱落成较强的涡,但由于迎风面积增大而推进速度变慢.

微通道内椭球颗粒惯性聚焦行为数值研究

基于浸没边界-格子Boltzmann方法,对方形截面微通道内椭球颗粒的惯性迁移与旋转动力学行为进行数值研究,发现微通道内椭球颗粒的惯性迁移存在两种主要的运动状态:①翻转状态,即椭球颗粒前进过程中长轴始终在中心对称平面内;②滚动状态,即椭球颗粒前进过程中长轴始终垂直于中心对称平面.研究表明:在低Re数(Re=10)下颗粒以两种状态随流体迁移至平衡位置;在较大Re数(50≤Re≤200)下最终均以翻转状态随流体迁移,随Re数增加,平衡位置先逼近壁面后远离壁面.通过对不同运动状态下椭球颗粒周围的微观流场进行分析,提示该微观流动在颗粒惯性聚焦行为特征中有重要影响,并从流体和颗粒的惯性角度对颗粒不同运动状态的转换机理给出解释.