笛卡尔网格下不同湍流模型的壁面函数方法研究

自适应笛卡尔网格湍流模拟时,网格数目呈雷诺数的指数方量级增长,带来网格规模“灾难”问题。壁面函数方法可以将壁面第一层网格尺度放宽1~2个量级,是有效的解决办法之一,然而,由于笛卡尔网格的非贴体特性,壁面函数的实现及其与不同湍流模型的匹配是关键。针对这一问题,从经典的Spalding壁面函数出发,采用显式赋初值的方式,解决了壁面摩擦速度迭代求解初值敏感及分层壁面函数速度不光滑问题;基于切应力恒定的壁面条件,构造了多层虚拟网格的切向速度和湍流粘性系数,实现了笛卡尔网格下的壁面函数方法;采用结构系综理论,通过DNS数据标定,构造了湍动能随湍流粘性比率变化的关系式,实现了壁面函数与KDO湍流模型的匹配,并以平板T3b、湍流凸包和跨音速NACA0012翼型绕流为算例,与常用的SST、SA湍流模型壁面函数方法进行了对比分析。结果表明:该文提出的KDO湍流模型壁面函数法准确、可靠,且因其形式简单、计算量相对较小,有较大的推广应用价值。

笛卡尔切割单元法在湖泊二维流场模拟中的应用

针对湖泊几何边界复杂的特点,为了高效并准确地计算流场,采用了基于有限体积法的笛卡尔切割单元法.该方法在流场主要区域采用笛卡尔网格,而对与固体边界相交处的单元采用特殊的处理.这样既保留了笛卡尔网格求解速度快的优点,同时在边界处又保证了精度,避免了传统差分法处理该类问题需采用阶梯形网格逼近而导致的失真问题.通过与一个标准算例的贴体网格计算结果对比,显示计算结果一致.最后运用笛卡尔切割单元法,求解了杭州西湖的二维流场,结果表明该方法适用于具有复杂几何边界的湖泊流场求解,且精度较高.

基于笛卡尔切割单元法的复杂河道地理信息系统环评可视化

复杂河道中污染物扩散计算及其在地理信息系统(GIS)上的可视化,对于地表水环境影响评价(EIA)具有非常重要的意义,但在网格生成、污染物计算模型及计算结果可视化方面存在着诸多困难。针对点源岸边排放河流污染物计算及基于GIS可视化中的难点问题,提出了基于切割单元法的地面水环境影响评价可视化方法。将切割单元法应用于网格剖分,通过切割单元交点追踪算法及河道轮廓线内背景网格筛取算法,生成了复杂河道笛卡尔网格。提出了基于污染物二维稳态衰减模式的网格自适应加密与稀疏算法,在非结构化笛卡尔网格基础上采用了基于河流几何信息判断的点源岸边排放河流污染预测算法与区域填充算法,实现了环境影响评价计算结果的可视化显示。通过一个河流污染环境影响评价可视化的实例,验证了所提方法的可行性与有效性。

WENO格式与虚拟单元浸入边界法在笛卡尔网格中的应用

高精度有限差分WENO格式在结构网格上处理具有复杂几何外形绕流问题时较困难,而虚拟单元浸入边界法却是一种较新颖且对网格的要求较低的方法,适用于复杂几何外形边界的处理.为此,在笛卡尔网格上采用WENO格式以求解Euler守恒律方程,试图将两者有效结合起来,希望能在笛卡尔网格上处理具有复杂几何外形的物体绕流问题.最后,几个经典数值算例的结果验证了该方法的有效性.

应用笛卡尔非结构切割网格进行外挂物投放的数值模拟

描述了一种新的网格生成技术 ,即笛卡尔非结构切割网格技术 ,采用叉树数据结构 ,完成了几种单段和多段翼型以及三维机翼的网格生成 .应用中心有限体积法 ,对其绕流问题进行Euler方程数值模拟 ,并将计算结果与实验数据进行对比 .在机翼绕流数值模拟的基础上 。

基于一种改进的虚拟单元法模拟包含静止/运动边界的流动问题

提出了一种改进的虚拟单元法,能够用来处理包含静止/运动边界的流动问题.以固定的笛卡尔网格作为计算网格,通过有限体积法求解二维非定常可压缩欧拉方程,空间离散采用了AUSM (advection upstream splitting method)系列中的AUSM+格式,通过MUSCL (monotonic upstream-centered scheme for conservation laws)方法构造二阶精度,时间离散采用了显式三阶TVD (total-variation-diminishing) Runge-Kutta法.为了简化虚拟单元的赋值方法和处理狭缝问题,选用了从虚拟单元出发沿X和Y轴方向的流场点作为镜像点,避免了复杂的插值运算,同时根据虚拟单元与物面点的距离对分别沿X和Y轴方向求得的虚拟单元变量值进行加权来求得虚拟单元的最终变量值,从而消除了扭曲现象.进一步给出了该虚拟单元法的推广形式,使其能够处理包含变速运动边界的流动问题.通过求解Schardin问题和激波抬升轻质圆柱问题验证了改进的虚拟单元法及其推广形式在处理包含静止/运动边界流动问题时的准确性.

全级配混凝土细观力学网格划分的单元切割法与等效弹模的计算

混凝土细观力学是研究混凝土材料性质的重要方法之一.首先,采用被占区域剔除法生成骨料,该方法能较快地完成高含量骨料的混凝土细观力学模型生成.然后,针对目前混凝土细观力学网格剖分的难题,提出了单元切割法,解决了全级配高含量骨料有限元网格剖分的难题,并且所产生的网格单元形状比较规则均匀.最后编写了三维细观混凝土试件等效弹模的数值计算程序.算例给出了湿筛二级配、三级配以及全级配混凝土的细观力学模型,并将单元切割法产生的网格应用于混凝土细观力学等效弹模的计算,数值计算结果与其他数学方法的结果接近,表明该方法具有较好的实用性.

基于笛卡儿网格的自动化CFD特点分析及一种新策略

计算流体力学(CFD)计算通常分为预处理、求解和后处理三个独立的过程,其中预处理过程需耗费的人力时间占整个计算周期人力时间的70%以上。CFD计算自动化,尤其是网格生成自动化,对于提升气动计算效率具有重要意义。当前,对于无黏Euler方程的求解,国内外已出现较为成熟的自动化CFD商业软件,如Cart3D、KARALIT CFD、PiFlow等。上述软件通常采用笛卡儿网格技术自动生成网格,采用单元切割或浸入边界法处理物面边界。在文献调研的基础上,本文对基于笛卡儿网格的自动化CFD软件功能与特点进行了总结分析。在此基础上,对笛卡儿网格框架下自动化CFD技术路线的优缺点进行了分析,提炼了该技术路线存在的问题。最后,介绍了一种基于非结构有限差分法的自动化CFD新框架和初步实现方法,探索自动化CFD发展的新路径。