网格嵌套技术在模拟海底沙波运移中的应用Ⅰ——超高分辨率海洋三维流场模拟

本文采用POM(Princeton Ocean Model)模式,结合多波束测量得到的高分辨率地形数据,通过网格嵌套分级计算,得到了南海北部琼西南海域近40km^2研究区内的水平网格分辨率达200 m的海底流场.通过数值试验,确定了内嵌模型的最佳侧面开边界条件.计算结果表明,本文所提出超高水平分辨率嵌套模式能够模拟复杂海洋地形上的余流特征.研究证明,本文为模拟开边界小区域海洋三维流场提供了一种较为快速、准确的方法.该方法的水平分辨率是目前国际上流行的高分辨率的9倍,也可用于开边界小区域物理海洋环境的数值模拟.

基于运动嵌套网格的直升机旋翼/机身/平尾干扰流场模拟分析

基于运动嵌套网格方法建立了一套针对直升机旋翼/机身/平尾非定常干扰流场的数值模拟方法,并通过ROBIN机身和Caradonna&Tung旋翼算例进行了验证。应用该方法计算了悬停和前飞状态下直-9直升机旋翼/机身/平尾干扰流场,并与孤立旋翼、孤立机身流场的数值模拟结果进行了对比,分析了不同前飞速度下的旋翼/机身/平尾非定常气动干扰规律。计算结果表明,机身对旋翼诱导速度的干扰具有很强的方向性,并且会导致旋翼桨尖涡涡管畸变,引起旋翼拉力系数波动峰峰值增加;在旋翼下洗流作用下,机身/平尾表面呈现出复杂的非定常压力分布;随前进比增大,旋翼尾流远离平尾区域,气动干扰显著减弱。

基于动态嵌套网格技术的载荷出舱过程研究

针对内装载荷在空中分离出舱过程中存在的安全性和姿态稳定性问题,文章采用动态嵌套网格结合罚函数的研究方法对载荷在考虑适配器碰撞下的出舱分离过程进行了数值模拟。相较于以往的研究,该方法将分离过程中的气动特性由离散的稳态计算转变为连续的瞬态计算,将适配器碰撞由特征点法估算转变为节点-面法精细计算,实现了非定常流场与多体碰撞的耦合求解,拥有更好的保真性。文章首先通过与美国空军Arnolds工程发展中心风洞实验室的标模试验进行对比,验证了所采用的数值方法的准确性;随后建立了载荷出舱系统仿真模型并分析了标准工况下的出舱特性以及初始速度、初始攻角对载荷在牵引伞作用下出舱过程的影响。结果表明:标准工况下载荷能够安全平稳出舱;初始速度越低,分离过程越平稳,适配器受压缩程度越低,马赫数Ma=0.5时运载器与载荷的最小间距相较于Ma=0.8时增大了1 mm;初始攻角较大对分离时的安全性和稳定性有不利影响,攻角ɑ=15°时适配器摩擦力是ɑ=5°时的2.67倍。该方法适用于采用适配器作为安全保护措施的载荷出舱系统的数值模拟研究,所得结论可为研究载荷出舱系统分离过程提供一定参考。

基于嵌套网格的某头罩分离装置分离数值仿真

由于飞行速度较大,超声速弹药头部受热严重,常常采用头罩分离技术对弹道末段的精确制导进行保障。本文利用结构嵌套网格并耦合6DOF运动方程,对某头罩分离装置的地面分离试验状态、真实飞行状态分离过程进行了数值模拟,结合地面分离试验验证了理论方法的可行性,并对两种状态下的头罩分离运动进行了对比分析。结果表明:数值模拟头罩分离可以清晰直观地得到头罩分离运动的姿态特性、分离轨迹以及流场特性;在分离初期,头罩受到的气动阻力会阻碍头罩与导引头沿轴向的安全分离;一定的飞行攻角可以使头罩在气动升力的作用下快速完成径向分离,有利于头罩、导引头安全分离。

基于嵌套网格的环空流体内旋转杆柱与井筒碰撞特性研究

针对浸没在流体中杆管柱间相互接触问题,基于嵌套网格技术,该文建立了环空流体内旋转杆柱与井筒间碰撞的数值求解方法.将环空流体域分为相互嵌套的子区域:背景网格和组件网格,推导了各嵌套区域流场边界传递信息的插值计算公式,采用分域方法对环空流体域与杆柱固体域耦合进行求解.通过静止流体中球形颗粒与壁面正、斜碰撞实验对比,验证该文数值方法的正确性.研究了不同流体黏度、杆柱旋转速度条件下杆柱与井筒的碰撞特性,结果表明:1)杆柱与井筒碰撞的碰撞力、速度随黏度增大而降低,即杆柱与井筒碰撞的剧烈程度与流体黏度负相关;2)随着杆柱旋转速度增大,杆柱与井筒的碰撞力、速度也增大,即杆柱与井筒碰撞的剧烈程度与转速正相关.

基于嵌套网格方法的悬跨海缆涡激振动特性仿真

由于海流的长期冲蚀作用,埋设于海床表层的海底电缆容易形成悬空长度、悬空高度随时间逐渐开展的悬空段。当海缆悬空长度达到一定值时,海缆后方旋涡的脱落频率将与海缆的自振频率接近,发生频率锁定现象,处于锁定状态下的海缆振幅较大,极易引发铅护套的疲劳破损,因此考虑横流向和顺流向的耦合作用,建立了二维弹簧-阻尼涡振模型,并采用基于嵌套网格的切片法对不同参数影响下的悬跨海缆涡激振动响应进行仿真。结果表明:不同长度下海缆跨中节点的运动轨迹多呈“8”字形,同一约化速度下,海底电缆涡激振动横流向位移远大于顺流向振幅,但海缆在横流向的振动频率接近顺流向振动频率的2倍。海缆横流向最大振幅与海缆直径接近,端部约束方式和悬空长度主要影响海缆进入锁定区间的最小流速,对2个方向的最大振幅的影响较小。

基于嵌套网格的对称水翼流致振动数值模拟

在锁频工况下,水力机械叶片/导叶涡激振动幅值急剧增强,可达到非锁频工况时幅值百倍量级.以对称水翼为研究对象,基于嵌套网格的分离式双向流固耦合计算策略,开展了锁频和非锁频工况下流致振动的数值模拟.结果表明,锁频工况,水翼呈扭转振型,尾迹区涡脱落展向呈同相位平行脱落;非锁频工况,水翼以拍频形式振动.预测得到的锁频与非锁频区水翼振动振幅的相对差异与实验情况基本一致,可为大变形工况下的振动特性评估提供指导.

基于GIS技术与嵌套网格的大气PM_(2.5)污染最优集成预报方法

为了提升城市空气质量的预报准确率,分析大气PM_(2.5)污染物各尺度污染变化情况,提出基于GIS技术与嵌套网格的大气PM_(2.5)污染最优集成预报方法.基于大气污染扩散模拟情况,利用GIS技术的前、后期数据处理以及结果显示输出,处理大气PM_(2.5)污染数据,可视化展示污染扩散情况;采用嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS),模拟大气PM_(2.5)污染物各尺度污染变化,完成污染预报;基于观测、预报资料结合多种集成方法组建集成预报,经评价获取评分最高集成预报方法,完成大气PM_(2.5)污染最优集成预报.以安阳市为例,应用该方法进行空气质量预报实验.结果表明:该方法的PM_(2.5)质量浓度预报值与实际观测值更加接近,有效提升了大气污染预报准确率,以PM_(2.5)为代表的细颗粒物和以扬尘为主要源的粗颗粒物污染突出,需加强企业烟尘污染物的管控.

基于嵌套网格的高压大流量液压阀的动态仿真分析

本文首先对嵌套网格的应用原理和应用优势进行了介绍,之后阐述了基于嵌套网格对高压大流量液压阀进行动态仿真的流程。在此基础上,本文结合实例,选择模型构建、模型网格基础设置、动态网格的设置及计算、结果分析四个环节,对一种高压大流量液压阀进行动态仿真分析,最终较为准确地描述液压阀内部复杂的流动和压力分布情况,实现了分析目标。由此表明,嵌套网格在高压大流量液压阀动态仿真分析方面,具有较高的应用价值,可作为主要的分析方法之一,予以推广。

嵌套网格空气质量预报模式系统的发展与应用

主要综述中国科学院大气物理研究所自主开发的嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS,NestedAir Quality Prediction Modeling System)的历史发展与应用情况。模式发展伊始为欧拉污染物输送实用模型,利用其研究东亚硫氧化物的跨国输送问题,得出中国对于周边国家的输送量不大的结论;在系统中嵌入适合东亚的起沙机制模块,用来模拟沙尘发生、输送及沉降等过程,估算亚洲大陆沙尘气溶胶对海洋地区的输送与沉降通量,为研究海洋生物地球化学循环提供基础数据;利用该系统研究沙尘及其土壤粒子对酸雨的中和作用,发现沙尘输送对东亚酸雨的分布影响很大;发展城市尺度高分辨率气象和空气质量预报技术,使模式水平分辨率达到500 m,并应用于台北高浓度臭氧和PM10的模拟;研究和集成区域及城市尺度大气污染预报理论和模拟技术,研制成目前的嵌套网格空气质量预报模式系统,以探讨不同尺度各种污染(如沙尘暴、城市光化学烟雾、酸雨、高浓度悬浮颗粒物等)的变化规律。在模式系统中初步建立资料同化模块,开展大气化学成分及沙尘输送模拟的资料同化研究。系统已经在北京、上海、深圳、郑州等城市环境监测中心实施空气质量的实时预报。未来,系统将集成到全球环境大气输送模式(GEATM),以实现从城市群到全球具有双向耦合功能的模式系统。

一种适合于旋翼前飞非定常流场计算的新型运动嵌套网格方法

针对旋翼流场计算中关键的运动嵌套网格技术,提出了一个新的网格单元关系快速判断方法。该方法通过计算特殊网格点在背景网格上的位置来建立桨叶网格在背景网格中所占据范围的关系,并用于嵌套网格洞单元的识别,又进一步将该方法推广用于Inverse Map的建立,在此基础上,建立了一套用于前飞流场计算的运动嵌套方法。通过多种前飞旋翼测试算例,分别评估了背景网格、桨叶网格尺寸改变对计算时间的影响,同时验证了该方法的可靠性,结果表明构建网格嵌套关系所用时间随桨叶网格和背景网格尺寸的变化幅度较小,且具有良好的鲁棒性,能够满足旋翼前飞状态计算的需要。最后,在基于前飞非定常N-S/Euler流场求解器中,采用该方法模拟了UH-60A和7A旋翼悬停/前飞状态的气动特性,通过计算时间的对比体现出该方法的高效性,并且流场计算结果与试验数据对比表明该方法可以有效地用于旋翼前飞非定常流场的计算。

基于非结构嵌套网格的旋翼前飞流场计算

发展了一种基于线性弹簧理论的非结构动态嵌套网格方法,通过求解非定常Eu ler方程模拟了旋翼的前飞流场。根据距离参数快速生成便于计算的两个重叠网格子域,利用运动区子域网格的转动来模拟旋翼的旋转运动,并对其运用线性弹簧动态网格技术来处理旋翼的挥舞和变距运动。发展了一种快速查找插值贡献单元的方法,无需建立Inverse网格,提高了计算效率和精度。使用高效双时间方法分区求解非定常Eu ler方程,两个子域的流场参数在重叠区进行耦合。计算了旋翼的两种前飞状态,所得结果与实验和文献结果都很吻合。

基于嵌套网格技术的风力机叶片绕流数值模拟

采用雷诺平均Navier-Stoker(以下简称N-S)方程及嵌套网格技术发展了一种新的风力机叶片绕流数值模拟计算方法。空间离散采用中心有限体积法,时间推进采用改进的隐式LU-SGS格式。为了便于实施旋转对称性边界条件以及更好地捕捉尾涡,该文采用了嵌套网格技术。应用该方法对美国国家可再生能源实验室设计的CER实验风力机叶片进行了数值模拟,较精确地捕捉了尾涡。压力分布计算结果与实验值和参考文献值吻合较好,验证了计算方法的正确性。

一个东海嵌套网格台风暴潮数值预报模式的研制与应用

建立了一个覆盖东海的两重嵌套网格高分辨率台风暴潮数值预报模式 .粗、细网格模式分辨率分别为 6′和 2′ .两套网格的嵌套采用单向松弛套网格技术 ,即在细网格的内边界附近建立了一个“过渡区” ,对预报的物理量进行松弛 ,使粗、细网格模式变量逐步过渡 ,避免了边界附近寄生波的产生 ,从而增加了模式的稳定性 .利用该模式 ,对显著影响东中国海地区的 6次风暴潮过程进行了后报和预报试验 .与观测资料比较 。

基于非结构嵌套网格和逆风格式的旋翼悬停流场数值模拟

为更好地计及桨叶间相互影响,同时捕捉桨尖附近的流场细节,发展了一套非结构运动嵌套网格方法,并针对关键的贡献单元搜寻问题提出了一种高效的搜索方法。为了可方便地扩展到前飞状态的计算,同时为提高旋翼流场涡量的捕捉精度和效率,采用双时间法求解惯性坐标系下的非定常N-S主控方程,空间方向上使用二阶迎风格式,在此基础上,将不同精度格式的计算结果与试验值进行对比,并讨论了桨尖形状变化对旋翼气动特性的影响,结果表明本文建立的CFD方法对旋翼悬停流场的模拟是很有效的。

基于非结构嵌套网格的旋翼-机身干扰流场数值模拟

文章基于非结构动态嵌套网格对直升机旋翼/机身干扰非定常流场进行了数值模拟研究。流场区域被分为2个相互嵌套的子域,即运动区和静止区。运动区包含桨叶,并且随着桨叶一起旋转,静止区包含机身,通过重叠区域传递流场信息。采用非定常Euler方程和双时间推进方法模拟了美国佐治亚理工学院旋翼/机身干扰实验外形非定常流场,并将计算结果与实验值以及文献的计算值进行了对比分析,吻合较好,得出了旋翼机身干扰的一些规律。

复杂嵌套网格模型及其在三河闸大修工况泄流流态模拟中的应用

针对三河闸启闭系统更新及土建附属工程实施时63扇闸门半侧开启泄流、半侧关闭更换启闭机的方案,构建三河闸枢纽泄流数学模型,采用结构网格疏密嵌套及2D-3D同步嵌套方法对计算区域进行离散。计算结果表明:(a)大修方案将使枢纽上下游产生大范围的回流区,局部单宽流量增大;(b)枢纽上游快活岭对过闸水流流态有重要影响;(c)与闸门全开工况相比,半开工况入闸水流存在明显偏流,北侧泄流时平均入流偏角最大,达到27.35°。根据数值模拟结果提出改善入闸水流流态的建议,为三河闸大修时水闸的调度、运行和管理提供参考。

基于动态嵌套网格的飞行器外挂物投放的数值模拟

运用Euler方程和六自由度动力学方程数值模拟了外挂物投放的气动特性与运行姿态和轨迹。为了模拟外挂物从飞行器分离后的绕流特性和相对运动,采用了动态嵌套网格技术,并发展了一种洞边界建立和外边点的插值单元搜寻蛇行法,提高了计算效率。通过算例,证明了本文方法的有效性和合理性。

基于熵条件二阶差分格式的嵌套网格分区算法

以带熵条件的二阶TVD格式为基本格式,设计了三维曲线坐标下的Euler方程数值计算方法.对多个物体使用分区嵌套网格设计了相应的分区算法.所建立的算法适用于处理物体相互分离以及相互接触的定常与非定常流动问题.给出了绕两圆柱的超声速流动在两圆柱处于不同位置时的详细结果,并模拟了装配鸭舵火箭弹在超声速旋转飞行时的气动特性.

基于运动嵌套网格的前飞旋翼绕流N-S方程数值计算

通过求解 Navier-Stokes方程数值模拟了直升机旋翼前飞非定常流场。为了模拟包括旋转、周期性变距和周期性挥舞的非定常运动 ,采用了一种能够快速完成重叠网格间流场信息交换的运动嵌套网格方法。空间上采用中心平均的有限体积法进行离散 ,时间方向应用含隐式子迭代的双时间法推进求解。为了验证程序的正确性 ,数值计算了一有升力悬停流场 。