熵格子Boltzmann方法的亚格子尺度模型

熵格子Boltzmann方法对格子Boltzmann方法的改进使其具有稳定模拟高雷诺数湍流的潜力。尝试将大涡模拟的重整化群亚格子尺度湍流模型引入到熵格子Boltzmann方法中。同时建立基于熵格子Boltzmann方法的大涡模拟重整化群亚格子尺度模型及大涡模拟标准Smagorinsky亚格子尺度模型,进行高雷诺数湍流圆柱绕流场的模拟计算。结果表明:所建立的熵格子Boltzmann方法重整化群亚格子尺度模型能够有效模拟高雷诺数湍流流动,其对高雷诺数湍流的模拟计算结果略优于熵格子Boltzmann方法的大涡模拟标准Smagorinsky亚格子尺度模型。     

格子Boltzmann方程模拟高雷诺数三维方腔流

为分析方腔流内部流场的特性和验证格子Boltzmann方法模拟湍流的能力,应用标准Smagorinsky涡粘性模型与多松弛时间格子Boltzmann方程(Multiple Relaxation Time Lattice Boltzmann Equation,MRT-LBE)组合对高雷诺数(Re=10 000)三维方腔流进行数值研究,计算了时间平均量,如速度,均方根速度、雷诺应力以及中心断面(y=W/2)处的流线等高线。模拟结果与已有实验和数值模型结果比较可知,MRT-LBE能够精准地计算剪切驱动方腔内流场的变化。另外,将基于图形处理(graphic processor unit,GPU)的计算统一设备架构(Compute Unified Device Architecture,CUDA)并行技术引入到基于MRT-LBE的Smagorinsky模型以提高计算效率,计算效率提高达200倍。     

结合大涡模拟的格子玻尔兹曼方法模拟高雷诺数流动

为了将格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann method）推广到高雷诺数流动的数值模拟上,文章研究了将大涡模拟的Smagorinsky模型及其改进的IR模型应用到LBM方法中并发展了LBM-SM模型和LBM-IR模型,其后以顶盖驱动方腔流动（Re=1000;10000;100000）和后台阶流动（Re=389;1000;10000;100000）为标准进行数值模拟与比较。数值结果说明该方法可以应用于高雷诺数流动的数值模拟,并克服了传统LBM方法在模拟高雷诺数流场时会出现非物理振荡的情况。通过分析对比,不仅得到了两种模型能够稳定计算且不失真的参数范围,并且认为LBM-IR模型有效参数的选取范围更为广泛。     

基于格子玻尔兹曼离心泵内部流场数值模拟

格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)作为一种新颖的计算流体动力学方法,能够模拟多种复杂的流体问题。论文采用格子玻尔兹曼无网格方法,利用XFLOW软件对离心泵内部流场进行数值模拟,模拟结果表明:离心泵在出口处压力达到最大值;速度从叶轮进口到叶轮出口逐渐增大,在叶轮出口处达到最大值;湍流强度在设计工况时最弱,在大流量工况和小流量工况湍流强度变大;涡量随着流量的增大也逐渐增大,在蜗壳的出口处表现最为明显。     

海洋立管涡激振动的数值模拟研究

利用计算流体力学软件CFX分别对刚性和柔性立管的涡激振动进行了二维数值模拟.首先在雷诺数为200时,采用不同的湍流模型,计算了刚性立管的升力系数(CL)和阻力系数(CD).与其它文献结果的比较表明,大涡模拟(LES)在计算精度上要优于其它湍流模型.然后分别计算了不同约化速度下立管的升、阻力系数、漩涡脱落频率以及无因次振幅,分析了流固耦合对立管涡激振动的影响,得到了升阻力系数随雷诺数的变化规律以及“锁定(Lock-in)”现象发生的约化速度范围.     

墩柱绕流水动力特性实验和大涡模拟研究

利用水槽实验对浅水环境中大直径墩柱绕流的三维水流结构进行研究,基于粒子图像测速技术(PIV)测量了墩柱周围瞬时流速分布;另外基本有限体积法建立不可压缩粘性流体三维运动数学模型,采用Smagorinsky-Lilly亚格子模型,对雷诺数为6 000墩柱绕流湍流结构进行大涡数值模拟(LES)。研究结果表明,数值模拟流速分布整体与实验吻合较好,墩柱绕流结构存在明显的垂向变化,近底约10%水深范围内脱涡结构受到床面抑制,卡门涡街发展不充分。对墩柱绕流三维水动力特性的研究将为墩桩冲刷分析和水流荷载计算提供依据。     

基于格子Boltzmann方法的方腔内自然对流与换热的数值模拟

基于双分布格子Boltzmann模型,建立了适合于流体流动和换热的热格子Boltzmann模型.温度分布函数中采用D2Q9离散速度模型.以热格子Boltzmann模型,模拟了方腔内自然对流的形成及其演化,通过与相关文献的计算结果对比可以发现,热格子Boltzmann模型在处理流体流动与传热方面存在着独特的优点,文中建立的数值模拟计算方法和程序是切实有效的.     

平板壁面湍流脉动压力及其波数-频率谱的大涡模拟计算分析研究

壁面湍流脉动压力是重要的流噪声声源,对壁面湍流脉动压力及其波数-频率谱进行数值计算是流声耦合领域的重要课题,开展相应的研究十分必要。文章采用大涡模拟方法（LES）结合动态亚格子涡模型（DSL）与千万量级的精细网格,对平板壁面湍流脉动压力及其波数-频率谱进行了数值计算,并与试验结果进行了对比分析,验证了数值计算方法的可靠性。首先,介绍了大涡模拟的物理内涵与基本方程,给出了所采用亚格子涡模型的表达式。其次,描述了Abraham试验中矩形试验段的几何特征,给出了网格的剖分形式,并给出了相应的离散求解数值方法以及边界条件的设置。再次,探讨了湍流脉动压力变化规律及其相似律,基于Fourier变换计算得到了湍流脉动压力波数-频率谱,并详细讨论了壁面湍流脉动压力及其波数-频率谱计算值与试验值之间的差异,进行了定量与定性的验证分析,结果表明,计算结果与试验结果吻合良好,计算方法合理可靠,为今后复杂几何模型壁面湍流脉动压力及其波数-频率谱的计算研究工作奠定了基础。最后,基于试验和计算结果,比较分析了常用波数-频率谱理论模型,为波数-频率谱的工程应用提供了参考。     

螺旋桨梢涡空泡初生及尺度效应研究

应用气泡动力学方程和气泡运动微分方程研究了螺旋桨梢涡空泡的初生问题,并根据简化Reyleigh-Plesset方程推导了不同尺度模型空化初生空泡数换算公式,建立了空化初生尺度换算模型,研究了螺旋桨梢涡空泡初生尺度效应问题。螺旋桨梢涡流场应用RANS方法求解,湍流模型为经过旋转和曲率修正的代数雷诺应力模型(EARSM-CC)。计算结果表明,文中建立的数值方法能够准确预报出螺旋桨梢涡流场分布;螺旋桨梢涡空泡初生空泡数计算结果高于试验观察值;应用文中建立的空化初生尺度换算模型得到的结果与数值模拟结果基本吻合,而且其结果偏于安全。     

超临界雷诺数下桥墩紊流宽度的计算方法

桥墩紊流宽度的计算与水流雷诺数的范围关系较大,将影响到计算成果的合理性。结合山区河流超临界雷诺数条件,采用格子Boltzmann方法模拟桥墩三维紊流流场,并结合大涡模拟和运动边界处理方法,分析不同来流、河形等条件下的桥墩三维紊流宽度,由此建立了顺直河道和弯曲河道中圆型桥墩相对紊流宽度与弗劳德数之间的耦合关系。该研究成果通过四川邓家坝大桥航宽验算,与经验法及祖小勇算法比较,发现该方法得出的桥墩紊流宽度略小、其数值趋于合理。     

弯曲河道方形桥墩紊流宽度数值模拟

弯曲河道流态复杂,修建桥梁后桥墩对河道流场改变较大,对船舶航行安全非常不利。采用格子Boltzmann方法模拟桥墩三维紊流流场,并结合大涡模拟和运动边界处理方法,分析不同来流、弯曲半径等条件下的方形桥墩三维紊流宽度,由此建立了相对紊流宽度与弗劳德数之间耦合关系。利用上述成果,以四川新西林大桥为例进行验算,并与长江航道规划设计研究院的研究成果比较。结果发现,该方法得出的桥墩紊流宽度略大,但数值趋于合理。     

Test of large-eddy simulation models for homogeneous-shear turbulence in stratification

Numerical tests of various subgrid-scale (SGS) models were conducted for turbulence in thermally stratified homogeneous-shear flow at a relatively low Reynolds number. Compared with a direct numerical simulation (DNS), we found that nondynamic isotropic SGS models are not able to represent the energy spectrum very well because the energy decays considerably during the transition between an initial random stage and a stage of coherent turbulent structures. Dynamic models performed well for simulating the energy spectrum and the change of GS properties with time; anisotropy is not a necessary feature under the present simulation conditions, although one of the special features of stratified turbulence is anisotropy. This may be because the present grids for large-eddy simulation were fine enough to resolve the patches of counter-gradient heat fluxes, which play an important role in the evolution of turbulent energy in stratified turbulence. With respect to the domain-averaged values of SGS stresses, only the dynamic two-parameter mixed (DTM) model produced results of the same order of magnitude as those of filtered DNS. This is because of the terms arising from re-decomposing of the SGS stresses in the DTM model. It was also found that this incompetence in simulating the SGS stress is not necessary to simulate GS energy evolution, as is known for wall turbulence. Updated from the Japanese original (J Soc Nav Archit Jpn 2001; 190:27–39)     

Description of a flexible and extendable physical–biogeochemical model system for the water column

A modelling system for coupled physical–biogeochemical simulations in the water column is presented here. The physical model component allows for a number of different statistical turbulence closure schemes, ranging from simple algebraic closures to two-equation turbulence models with algebraic second-moment closures. The biogeochemical module consists of models which are based on a number of state variables represented by their ensemble averaged concentrations. Specific biogeochemical models may range from simple NPZ (nutrient–phytoplankton–zooplankton) to complex ecosystem models. Recently developed modified Patankar solvers for ordinary differential equations allow for stable discretisations of the production and destruction terms guaranteeing conservative and non-negative solutions. The increased stability of these new solvers over explicit solvers is demonstrated for a plankton spring bloom simulation. The model system is applied to marine ecosystem dynamics the Northern North Sea and the Central Gotland Sea. Two different biogeochemical models are applied, a conservative nitrogen-based model to the North Sea, and a more complex model including an oxygen equation to the Baltic Sea, allowing for the reproduction of chemical processes under anoxic conditions. For both applications, earlier model results obtained with slightly different model setups could be basically reproduced. It became however clear that the choice for ecosystem model parameters such as maximum phytoplankton growth rates does strongly depend on the physical model parameters (such as turbulence closure models or external forcing).     

Effect of bed vicinity on vortex shedding and force coefficients of fluid flow on an offshore pipeline

The effect of rigid bed proximity on flow parameters and hydrodynamic loads in offshore pipelines exposed to turbulent flow is investigated numerically. The Galerkin finite volume method is employed to solve the unsteady incompressible 2D Navier–Stokes equations. The large eddy simulation turbulence model is solved using the artificial compressibility method and dual time-stepping approach. The proposed algorithm is developed for a wide range of turbulent flows with Reynolds numbers of 9500 to 1.5×10⁴. Evaluation of the developed numerical model shows that the proposed technique is capable of properly predicting hydrodynamic forces and simulating the flow pattern. The obtained results show that the lift and drag coefficients are strongly affected by the gap ratio. The mean drag coefficient slightly increases as the gap ratio increases, although the mean lift coefficient rapidly decreases. The vortex shedding suppression happen at the gap ratio of less than 0.2.     

格子Boltzmann方法在串列双圆柱绕流数值模拟中的应用研究

基于格子Boltzmann方法,对二维静止串列双圆柱绕流进行了数值模拟,并将模拟结果与已有研究结果进行了对比分析。为提高计算效率和计算精度,采用了多块网格耦合算法,并在圆柱曲边界处采用了较为精确的边界处理方法。提取了圆柱的升阻力系数,讨论了圆柱间距对圆柱受力情况和尾流特征的影响。数值模拟在雷诺数Re=200条件下进行,对两圆柱中心间距为1.5~4.0D(D为圆柱直径)之间的典型间距进行了数值模拟,获得了圆柱升阻力系数以及尾流中涡和流线的变化,验证了临界间距的存在,模拟结果和已有研究结果符合得较好。     

基于IVCBC涡方法高雷诺数下串联双圆柱的数值计算模型及其尾流特征研究

针对串联双圆柱的结构特点,利用IVCBC涡方法适合高雷诺数下数值计算的特点,建立了高雷诺数下串联双圆柱绕流的数值计算模型;采用经典算例验证了IVCBC涡方法的收敛性;探索了雷诺数为2.5×104、间隙比分别为1.1,1.25,2,2.5,3,3.25和4的串联双圆柱绕流的尾流特征;清晰地展示了尾流中较小的漩涡的形成、分裂和融合,详细地阐述了串联双圆柱流体特征发生突变的原因;深刻地揭示了串联双圆在高雷诺数下的绕流机理。研究表明:尾流模式与经典的实验尾流模型吻合较好,两圆柱中间的涡对是串联双圆尾流发生突变的主要原因;间隙之间时,间隙上部小漩涡形成、间隙中间流体的振动与下游圆柱表面上涡的脱落是同步的;该流体模式能清晰地展示尾流中较小漩涡,说明与有网格方法比较,该计算模型具有较大的优越性,为进一步研究高雷诺数下串联双圆柱流体力的特征提供了重要的研究工具。     

航道清礁对西江鱼类保护区紊流体的影响

河底裸露的礁石增加水体紊动,有助于鱼卵正常形成,大量存在礁石的河段往往是鱼类栖息和产卵的重要场所。礁石也存在碍航的可能,航道清礁一定程度上影响水体紊动强度,改变鱼类栖息环境。为此,在重要鱼类栖息河段进行航道清礁需充分论证。以紊动动能作为评价水体紊动强度指标,开展西江中游珍稀鱼类保护区河段三维紊流数值模拟,计算并统计航道清礁工程前后水体紊动动能及不同强度的紊流水体体积,分析其变化规律及原因。研究结果表明,断面中紊动动能强度与水深成正相关关系;清礁工程导致河段中弱紊动动能的紊流水体体积增加,强紊动动能的紊流体积减小;底层水体紊动动能的变化量高于表层;强紊动动能水体体积减少的变化率大于弱紊动动能水体体积增加的变化率。