绕流直接数值模拟误差分析

对于无边界绕流问题的计算流体力学模拟通常是将物体置于“足够大”的槽道中,而通过不断改变槽道尺寸以及离散网格密度,后验对比方式来检查模拟误差。本文结合多种经典流场理论,提出一种简单的先验误差估计方法来确定槽道尺寸以及相应的网格分布。在此方法中,对于槽道尺寸的确定基于线性叠加原理(即在极小雷诺数下采用Stokes理论解叠加,而在其他雷诺数条件下采用势流理论解叠加),来估计槽道尺寸对绕流结果的影响。而对网格尺寸与分布,则是使用多项式逼近中的基本误差分析工具,应用到速度边界层,远场势流,以及Rankine涡等简单流动,从而确定整个绕流问题中的离散误差。为了验证前面的理论分析结果,本文模拟了相当大雷诺数范围内的二维翼型以及三维圆球绕流,所得数值结果非常好地验证了理论分析。结果表明,对于Stokes流动问题,槽道尺寸需要大约100倍于物体特征尺寸来保证其结果与无边界绕流相差不超过1%;而在雷诺数超过大约100时,槽道尺寸只需10倍(二维绕流)或者5倍(三维绕流)于物体特征尺寸来达到同等精度。在此先验误差估计方法可应用于一般化的绕流问题。

两相圆孔射流颗粒喷入方法关键问题的直接数值模拟研究

对两相圆孔射流颗粒喷入方法的关键问题进行了直接数值模拟研究。气相采用可压缩的N-S方程直接求解,颗粒相采用拉格朗日方法(Lagrangian)跟踪实际颗粒的运动。主要探讨了空间发展的两相圆孔射流在采用直接数值模拟算法的前提下,颗粒喷入的方法以及喷入方法对两相圆孔射流中不同直径颗粒的扩散特点。在拉格朗日坐标系下实际跟踪了每一个颗粒运动的轨迹,通过反复的数值试验研究发现,颗粒喷入方法是可信的,得到数值模拟结果成功地再现了不同直径颗粒扩散特性。

多孔介质流动的直接数值模拟

基于计算流体动力学软件Fluent建立了一个二维DNS模型,研究了多孔介质中的流动阻力和压降.模拟时对填充的圆柱粒子采用了2种几何排列方式,即直排和叉排.DNS直排模型的压差为53.5Pa,接近于采用原始系数A=150,B=1.75的尔格方程计算结果55.6Pa.叉排模型的压差为65.1Pa,接近于采用修正系数A=180,B=1.80的尔格方程计算结果62.1Pa.对于真实多孔介质材料的模拟来说,圆柱形粒子叉排比直排更为准确.因此DNS结果确认了修正系数组(A=180,B=1.80)比原始系数组(A=150,B=1.75)更适合尔格方程模型.应用文中推荐的DNS方法,通过采用不同的粒子几何排列方式、填充不同形状的粒子可以进一步地预测尔格方程系数或改善其他的多孔介质模型.

气固两相圆柱绕流的直接数值模拟

本文运用谱元方法对气固两相圆柱绕流进行了直接数值模拟。在获得高精度计算流场信息基础上,进行颗粒扩散运动的研究。通过研究颗粒大小对颗粒扩散运动的影响来刻画气固两相圆柱绕流的物理特征。研究时发现,由于圆柱尾流独特的涡结构特征,颗粒在流场中心轴线附近区域的扩散机理主要是决定于吸力作用,该作用会驱使小颗粒卷吸进入圆柱尾部近壁区,甚至与圆柱后壁发生碰撞,这种扩散机理与混合层中颗粒扩散机理明显不同。

竖直通道内相邻气泡对上升的直接数值模拟

采用Level Set方法和耦合表面张力模型的Navier-Stokes方程,结合ALE数值算法,直接模拟了竖直通道内两个相邻气泡的上升。重点研究不同空间布置的8mm气泡对后面的尾迹流及其相互作用。数值模拟准确再现气泡对的变形、吸引及排斥行为,气泡上升速度计算结果与经验式吻合。模拟结果表明,两个气泡后面的尾迹流及其相互作用决定了上升气泡对的行为。并排上升的气泡对,由于尾流区被一个射流流动分隔,气泡对没有聚并;然而当垂直上升气泡对中的尾随气泡有超过50%的投影面积进入到前头气泡的尾流区,聚并现象发生。

薄膜沿均匀加热平板下落的直接数值模拟

采用拉格朗日有限元法(FEM),对均匀加热下落薄膜进行了直接数值模拟.在线性阶段,由数值结果得到的空间增长率与线性稳定性理论的结果是一致的.在非线性阶段,对于4种不同的小扰动频率,薄膜流动最终分别发展为饱和周期波、准周期波、多峰波状结构以及弧立波(solitaryhump).表明该数值模拟方法有着相当高的精度.

直接模拟蒙特卡罗方法的并行方案设计

针对直接模拟蒙特卡罗(DirectSimulationMonteCarlo,DSMC)方法的特点,提出了3种DSMC程序的并行方案.同时,对3种并行方案各自的优缺点进行了论述,并选择了各节点间程序相关性最小的并行方案,将其应用于稀薄气体二维微通道问题的求解.结果表明,串行程序与并行程序的计算结果完全吻合,并且得到了较高的并行效率,且并行效率随节点数的变化并非单调,而是有一个峰值.

采用多元颗粒模型对圆柱形颗粒在移动床中流动的离散单元法直接数值模拟

为了研究活性焦颗粒在移动床内的流动特性,通过离散单元法直接数值模拟方法对活性焦即圆柱形颗粒在移动床内的流动进行了数值模拟。采用多元颗粒模型来描述圆柱形颗粒,即圆柱形颗粒通过几个叠加在一起的球元构成。建立了圆柱形颗粒的碰撞机制,分析了圆柱形颗粒在流动时的受力情况,并通过实验验证多元颗粒模型的可靠性。从宏观和微观2个方面,比较圆柱形颗粒2种构建方式(2球元和3球元)下的模拟结果。结果表明:2球元和3球元构建的圆柱形颗粒在动能、转动动能、变形量、碰撞力、碰撞次数等微观方面的差别较大。且通过比较颗粒位置图和下料率可以看出,3球元圆柱形颗粒的模拟结果与实际结果更加相符,因此,选择3球元作为圆柱形颗粒的构建方式。

基于多GPU的格子Boltzmann法对槽道湍流的直接数值模拟

采用多GPU并行的格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method,LBM)对充分发展的槽道湍流进行了直接数值模拟.GPU(graphic processing unit)的数据并行单指令多线程(single-instruction multiple-thread,SIMT)特征与LBM完美的并行性相匹配,使得LBM求解器在GPU上运行获得了极高的性能,亦使得大规模DNS(direct numerical simulation)在桌面级计算机上进行成为可能.采用8个GPU,网格数目达到6.7×107,全场网格尺寸Δ+=1.41.模拟3×106个时间步长,用时仅24 h.另外,直接模拟结果无论是在平均流速或湍流统计量上均与Moser等的结果吻合得很好,这也证实了二阶精度的格子Boltzmann法直接模拟湍流的能力与有效性.

圆柱近尾迹湍流涡结构的直接数值模拟

本文运用谱元方法对圆柱尾流进行直接数值模拟。通过对中等Re数（1000）时的圆柱近尾迹湍流涡结构的演变系统细致的研究,经过长时间流动计算,用速度矢量及相应涡结构示意图显示主涡,二次涡结构的相互作用,显示整个尾迹涡结构在一个周期内的演变过程,获得了在实验中难以清楚观察到的近壁流动特征。本文得到圆柱近壁处二次涡形成有两种不同的机理,并总结出涡的合并所需要的条件。

三维平面混合层流场的直接数值模拟

用拟谱方法对三维湍流混合层的流场进行了直接数值模拟 ,描绘了流场展向涡和流向涡的演变过程以及混合层的三维发展情况 ,对展向涡和流向涡的结构在演变过程的拟序特征进行了分析。为了验证混合层湍流直接数值模拟 (DNS)的正确性和可靠性 ,将流场的模拟结果与前人的实验进行了对比 ,定量对比了流向涡湍流脉动速度和混合层涡量厚度等流动量。数值计算与前人实验的结果吻合良好 ,验证了直接数值模拟计算方法的正确性和可靠性。

颗粒沉降运动的虚拟区域法直接数值模拟

文采用基于四边形网格的分布式拉格朗日乘子／虚拟区域方法(DLM／FD method)对二维方槽内775个圆形颗粒在流体中的沉降过程进行了直接数值模拟。得到了颗粒流沉降过程中流体和颗粒速度和涡量分布、流场压力分布等流动细节,展示了颗粒在沉降过程中由于相间的相互作用以及颗粒间的作用,使得颗粒流在流场内形成大小不一的旋流区,颗粒回旋着沉降,同时颗粒的尾涡影响附近颗粒的运动．本文的结果说明分布式拉格朗日乘子／虚拟区域方法对模拟存在很多颗粒的悬浮体流动是可行的。

基于MPI的伪谱法DNS并行计算方法研究

使用伪谱方法的直接数值模拟准确、高效,但在高雷诺数情况下,计算量非常巨大,需要采用并行方法,但是快速傅里叶变换的并行算法在实际应用中有很大的困难。针对这一问题,提出了一种新的基于MPI的伪谱法直接数值模拟的并行计算方法。通过实例验证,该方法准确、易行、稳健,并且可以大幅提高计算速度,节省计算时间,这对直接模拟在科学研究和工程实际中的广泛应用都具有重要意义。

湍流直接数值模拟的进展与前景

本文是一篇关于湍流直接数值模拟的综述报告。首先简要介绍了直接数值模拟的一些概念、优缺点与数值方法,着重叙述了直接数值模拟在近几年内所取得的巨大成就,说明直接数值模拟方法正日益成为湍流基础研究的一项基本手段。最后主要根据对今后十年内计算机能力发展的预测,估计了直接数值模拟的发展前景。

基于LBM的槽道流直接数值模拟

采用格子波尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM),进行了槽道流动的直接数值模拟。与经典的KMM结果比较了边界层速度型、均方根速度、雷诺应力分布以及槽道流中心区的能谱,结果表明LBM具有足够的精度模拟边界层的发展以及壁面存在对流动的影响。文中的研究表明,LBM有望用于风洞洞壁干扰的数值模拟修正。

N-S方程数值模拟方法研究及边界层中相干结构的非线性演化

建立了一套三维不可压流动的直接数值模拟方法。该算法在x及y向构造了基于非等间距网格的紧致有限差分格式和非线性项的迎风紧致型格式,在z向采用Fourier谱方法。并研究、提出了三维、非定常流体运动下游边界的无反射出流条件。另外,本文还构建了多涡结构的初始扰动理论模型,利用直接数值模拟的方法研究了边界层中多涡结构的非线性演化特点。结果表明多涡结构非线性演化中的许多特点,如雷诺应力分布、高剪切层的形成、喷射和扫掠等与壁湍流中相干结构的发展规律和现象十分相似。同时,通过对边界层中多涡结构的非线性演化问题的直接数值模拟,验证了该算法具有计算精度高,稳定性好,收敛速度快,出流边界影响小等优点。

三维气固圆柱绕流颗粒扩散的直接数值模拟

为了考察颗粒在圆柱尾流中扩散的运动机理,对气固两相圆柱尾迹流动进行了高精度紧致差分方法的三维直接数值模拟.在对气相流场进行高精度模拟的基础上,采用了Lagrangrian方法来追踪颗粒场的运动.比较了不同颗粒Stokes数为0.01、1、10和不同Reynolds数为180和200下颗粒的扩散函数,考察了三维圆柱尾迹流流场中气相场的运动对颗粒相扩散的影响.模拟结果表明:当气相流场由二维特性向三维特性转变时,由于受到气流场展向涡的影响,颗粒的展向扩散函数有相当程度的增大.颗粒在横向上扩散函数随着粒径的增大而增大,而在展向上颗粒扩散函数则随着粒径的增大而减小.

平行涡管三维合并的直接数值模拟

采用拟谱方法求解Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，对两个同向平行涡管的三维合并过程进行了直接数值模拟，分析了它的不同于二维合并的“缠绕式”特性．特别地，对在合并过程中产生的垂直于初始涡管方向的非主体涡量的意义和物理机制进行了探讨．

基于LBM-LES方法的翼型气动噪声直接数值计算

直接数值计算方法对航空飞行器机体气动噪声产生机理研究及噪声预测非常关键。本文基于在格子玻尔兹曼方法(LatticeBoltzmannMethod,LBM)框架下的大涡模拟方法(LargeEddy Simulation, LES)对SD-7003仿生翼型在较低马赫数条件下的气动噪声进行了直接数值计算,雷诺数选取为8.0×10~5。LBM方法采用多松弛时间近似,格子离散速度模型为D2Q9模型,LES方法的亚格子模型是动态Smagorinsky模型。噪声直接计算结果表明:LBM-LES方法能较精确地预测低马赫数及中低雷诺数条件下翼型气动噪声远场的声压,与实验结果相比,误差在10%以内;同时可以直接得到噪声声场及传播过程,并能揭示噪声的生成机理。

含激波的湍流流动高精度大涡数值模拟方法（英文）

针对采用亚格子模型进行含激波的湍流流动模拟时会面临激波附近的精度损失问题,考虑从通过亚格子模型以及数值模拟方法两方面的改进来实现湍流流动大涡模拟的精度提高。大涡模拟采用了Yee及Sjgreen(2009)提出的高阶低耗散方法。该方法采用自适应的流场探测器以控制计算中所需区域的数值耗散,并考虑对动力学模型采用在激波位置使用Sagaut和Germano(2005)提出的单边亚格子过滤器和(或)直接禁用亚格子项等方法加以改进。对于标准的马赫数1.5和3条件下的激波-湍流干扰问题,上述新方法相较于全区域采用亚格子模型的方法均表现出了相似的精度提升。同时实现的数值精度改进方案采用了Harten的亚单元分辨过程来定位和锐化激波,并在精确激波位置附近的网格点处采用了单边测试滤波。