中低雷诺数流动直接数值模拟的算法比较（英文）

文章采用不同的算法对中低雷诺数方腔驱动流动进行了直接数值模拟,所用算法分别是人工压缩方法、SIMPLE算法以及PISO算法。三种算法均采用有限体积法基于交错网格技术离散N-S方程,时间项采用全隐格式离散,对流项采用QUICK格式离散,并将它们得到结果与Ghia发表的基准解进行了比对。文中分析了在同样的收敛条件下,不同算法之间的稳定性,收敛速率以及准确性的差异,发现PISO算法在较低雷诺数Re=400和Re=1 000情况下最准确,而人工压缩算法在雷诺数为5 000时最准确,在所有计算的不同Re数条件下,发现人工压缩法达到收敛所需时间都是最少的,这可以使它成为中低雷诺数下研究直接数值模拟最好的算法之一。     

中等雷诺数方柱绕流的直接数值模拟及涡系分析

作为一种典型的钝体绕流,方柱绕流具有物体几何外形简单而流场结构非常复杂的特性,常规的基于RANS的数值计算方法难以准确模拟。DNS不使用任何湍流模型,直接求解完整的非定常流动控制方程组,模拟包括脉动在内的湍流所有非定常流动量的时空演变过程,是湍流数值模拟中最精确的方法,在复杂流动数值模拟方面的应用潜力巨大。本文自主设计和编制并行数值模拟程序,使用基于"神威·太湖之光"国产CPU架构的大规模并行计算,开展了中等雷诺数(Re=10 000)方柱绕流的直接数值模拟。其中:不可压N-S方程组采用基于交错网格的有限体积法离散;压力-速度耦合采用SIMPLE算法处理;离散得到的代数方程组采用Gauss-Seidel迭代求解;时间步进采用Euler隐式格式,对流项采用QUICK格式,耗散项采用中心差分格式;数值模拟程序的并行化使用MPI方法处理。文中重点分析了方柱绕流的复杂涡系结构,同时给出了部分湍流统计结果,并通过与RANS和LES模拟结果的对比分析,展现了DNS在复杂精细流场模拟方面的优势。     

基于DES方法的三维圆柱受迫振动数值模拟

基于OpenFOAM平台对雷诺数3900下的三维固定圆柱绕流和雷诺数30000下的三维圆柱受迫振动进行数值模拟,对湍流的模拟采用SA-DDES离散涡模型.针对三维圆柱绕流问题,采用PISO算法耦合求解速度-压力场,对圆柱绕流的基础参数如St数、平均阻力系数和平均升力系数等与试验进行了比较,结果吻合良好.针对三维圆柱受迫振动问题,采用PIMPLE算法耦合求解速度-压力场,对不同频率下振幅比为0.3的阻力系数、尾涡形态进行了计算,阻力平均系数与实验值相比吻合较好.     

改进的基于特征线的N-S方程算子分裂有限元法

基于特征线的Navier-Stokes（N-S）方程算子分裂有限元法（CBOS有限元法）的核心是在每一个时间层上,采用算子分裂法将N-S方程的对流项和扩散项分开求解;对流项的求解过程借鉴了简单显式特征线时间离散,显式求解。该文在原CBOS有限元法基础上推导了一种更加精确的对流项显式离散方法。通过自编程序对方腔流进行数值模拟,表明该算法具有更高的计算精度。低雷诺数下圆柱绕流计算所得的阻力系数、升力系数、斯特劳哈数等与已有数据较为接近,表明该文中算法能较准确地模拟圆柱绕流的流场特性;最后,文中分析了Re=200时圆柱绕流在一个周期内所受升力变化与对应流场中压力和流线演化的关系。     

亚临界雷诺数下圆柱和方柱绕流数值模拟

基于RNG k-ε模型,采用有限体积法对亚临界雷诺数条件下(Re=3×102~3×105)的二维单圆柱和单方柱绕流进行数值模拟与仿真。得到了圆柱和方柱绕流阻力系数Cd与Strouhal数随雷诺数的变化规律。同时对雷诺数Re=22 000下的圆柱、方柱绕流相关特性进行详细对比分析。计算结果表明:同一雷诺数下,单圆柱绕流阻力系数Cd较单方柱低,但圆柱的Strouhal数较单方柱则要高。虽然二者边界层分离点不同,但流场的演变与漩涡的脱落具有一定相似特性。     

声类比水下圆柱绕流声学特性研究

本文以三维刚性圆柱为研究对象,开展了基于大涡模拟和Lighthill声类比理论的混合数值模拟方法研究,确定了合适的声学计算模型参数。结合噪声频域特性和声学指向性,对比分析了不同雷诺数(Re=4.3×10~4、Re=1.0×10~5、Re=1.8×10~5和Re=2.5×10~5)、不同间距比(L/D=2、3、4和5)和不同排列方式(串联、并联和交错45°)下有限高单圆柱及双圆柱的水动力噪声特性,讨论了雷诺数、间距比以及排列方式对圆柱绕流水动力噪声的影响,为实现水下钝体和航行器流噪声的精确预报提供了详细的数值模拟方法指导。     

大雷诺数下桩基局部流场及阻力系数分析

本文利用计算流体力学软件,对粘性不可压缩流体的桩基绕流进行了三维数值模拟,采用有限体积法和PISO算法,通过三维k-ε湍流数学模型,模拟雷诺数在超临界区内的绕流流动,并计算了流体的水动力特性。计算结果表明:大雷诺数时桩基周围的流动具有明显的三维特性,当Sr=0.27附近时,桩基会出现涡街,此时桩基会出现较大的横向力。在超临界区内,随着雷诺数的增加阻力系数先快速增大而后当雷诺数接近7.5e~6时增速开始放缓,C_D值最终稳定在0.85左右。     

均匀粘性流体中截断直立圆柱体受迫振荡的三维数值模拟

研究了直立截断圆柱体受迫振荡时的三维绕流问题.以不可压缩Navier-Stokes方程为控制方程,采用有限体积法和PISO算法,以自身泻涡频率为振荡频率建立数值模型对受迫振荡圆柱体进行研究分析.分析对比了受迫振荡圆柱体与静止圆柱体力系数差别及流场特性,并取多组雷诺数对柱体的力系数和流场进行了研究分析,总结了受迫振荡圆柱体力系数幅值及平均力系数随雷诺数的变化规律.     

球形颗粒自由下落过程运动和流场数值分析

深海矿产资源开发一般采用水力提升方式将海底矿石输送到水面.单个矿石颗粒在水中的运动特性及尾流特征是水力提升动力学特性研究的基础.文中采用计算流体力学方法,对不同直径、密度的球形矿石颗粒在水中自由下落的过程进行了数值模拟.采用基于剪切应力运输的分离涡方法模拟颗粒周围流场,研究了单颗粒在雷诺数Re=184,228,285和6 400时的六自由度运动及尾流结构.研究发现,随着Re增大,颗粒分别呈现垂直下落、倾斜直线下落、倾斜振荡下落、随机下落4种不同路径,通过分析其尾流结构及受力特征,讨论了不同下落路径的产生机理,所得结果可为深海矿产资源水力提升管道的设计和机理研究提供参考与支撑.     

低雷诺数圆柱绕流的大涡模拟分析

以二维圆柱为研究对象,采用大涡模拟的方法对圆柱绕流进行数值模拟。计算的雷诺数Re=400。计算结果能够清晰地反映卡门涡街的周期性脱落。通过对圆柱表面压力分布的深入探究,揭示圆柱尾流中产生周期性旋涡脱落的原因。研究结果中的阻力、升力呈周期性变化规律以及斯特劳哈尔数(St)都与前人实验结果较好吻合,说明大涡模拟能够对低雷诺数的圆柱绕流进行准确的模拟。     

带流水孔潜体流场数值模拟

本文通过求解RANS方程,结合PISO算法与k-ω湍流模型,数值模拟了带有两种不同形式流水孔(纵缝式与格栅式)潜体的内外流场.数值模拟给出了流水孔流场的精细结构,计算并分析了潜体各个壁面上阻力成分的大小与成因.计算得到的流水孔阻力增量与试验值吻合较好.对计算结果的分析表明:流水孔引起的阻力增量主要集中在导流板与流水孔壁上;内部空腔壁上的阻力值是可以忽略的小量;涡旋流动主要集中在导流板之间;流水孔阻力系数随雷诺数的增加而趋于一稳定值.计算结果表明,本文中使用的方法可用于模拟流水孔内外流场.     

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。     

Prediction of hydrodynamic coefficients of ship hulls by high-order Godunov-type methods

Numerical simulations of incompressible flows, with and without free surface, by means of high-order Godunov-type schemes are presented; the results are compared with the second-order essentially nonoscillatory (ENO) scheme, already implemented and extensively used by the authors for the simulation of flows around ship hulls. Uncertainty assessment and convergence properties are discussed for two practical test cases: the steady and unsteady laminar flow past a NACA 0012 profile with and without incidence, and the steady free surface flow past a ship hull at model Reynolds number. The analysis is aimed to highlight advantages and drawbacks of the numerical schemes considered herein. This work was presented in part at the International Conference on Computational Methods in Marine Engineering—MARINE 2007, Barcelona, June 3–4, 2007.     

绕船体自由表面流的数值模拟

本文采用RANS方程和VOF算法数值模拟了系列60粘性自由面流动，比较了幂指数律，二阶迎风，QUICK格式对计算结果的影响，详细给出了波形，阻力，伴流等的计算结果，与试验及其它计算结果比较显示本文的计算方法具有较好的计算精度，可用于船型性能分析和优化。     

不同时空格式在求解Boussinesq水波模型中的应用

为了解不同时间空间差分格式在常用的二阶或四阶Boussinesq模型中的应用，针对4组近似到0（旷）阶完全非线性的二阶或四阶色散性的高阶Boussinesq水波方程，在非交错网格下，利用Crank-Nicolson格式、蛙跳格式、混合四阶Adams-Bashforth-Moulton格式，建立不同的数学模型。利用这些数值模型模拟波浪在潜堤上的传播变形，通过数值结果与试验结果的比较．考察时间格式及空间格式对模型的影响。结果表明：对同一方程，混合四阶Adams-Bashforth-Mouhon格式和Crank-Nicolson格式均能取得较好模拟效果，蛙跳格式的模拟效果最差；二阶Boussinesq模型采用追赶法求解已能满足要求；对四阶Boussineq模型，二阶空间导数色散项亦采用四阶精度，其数值效果会更好。     

基于高雷诺数的并联双圆柱绕流研究

文章采用基于边界瞬时涡量守候的拉格朗日方法(IVCBC),结合并列双圆柱的特点,建立了双圆柱绕流数值计算模型。对高雷诺数下Re=6×10~4,间隙率为T/D=1.1~7的并联圆柱双圆柱二维绕流特性进行了研究。提出了双圆柱间隙中点的速度区别宽窄尾流的新方法。分别讨论了流体力系数随间距增加的特点,脉动流体力的特点,尾流特征以及斯托哈尔数特征。研究发现:区别宽窄尾流的新方法是可靠的;在双圆柱尾流附近有五种尾流模型存在;同时发现了在宽窄尾流的频率,存在一个中间频率。     

Numerical investigation of turbulence near a sheared air–water interface. Part 1: Turbulence statistics beneath a flat water surface sheared by wind

Direct numerical simulation (DNS) and large eddy simulation (LES) of turbulent shear flow beneath a flat water surface with imposed wind shear stress are presented. The results of DNS indicate that there are clear differences, and also similarities, between wind-driven flow and the flow near a solid wall. The qualitative structures of turbulence are similar in both types of flow. Low-speed streaks are also present in wind-driven flow. On the other hand, profiles of the mean velocity and turbulence intensities in wind-driven flow are significantly different from those in flow near a solid wall. The differences are attributed to the lack of a viscous sublayer, and to the boundary condition which allows fluctuations of the tangential velocity components at the boundary. LES of the same flow was also carried out to evaluate subgrid-scale models. It was shown that the features of the flow observed in DNS are well simulated by all models tested, and that the discrepancies between DNS and LES with the dynamic mixed model are very small. Received: August 17, 2000 / Accepted: December 22, 2000     

带附体潜艇绕流场数值计算与验证

采用κ-ε湍流模型和有限体积法用求解RANS方程的方法,对全附体的SUBOFF AFF-8潜艇模型三维粘性绕流场进行了数值模拟计算.一种结合增强型壁面函数的两层模型被采用,以便在近壁区域采用精细网格来模拟边界层内的流场流动特征.给出了雷诺数Re=1.2×107下模型表面纵中剖面线上半部分压力系数与摩擦阻力系数的分布,以及指挥台围壳与尾翼表面不同高度处的压力系数分布,同时计算了桨盘面处的尾流速度分布,并与有关文献给出的实测值进行了比较和验证,分布趋势基本一致,较相关文献给出的计算结果有相当大的改进,此外从指挥台围壳与尾翼后的速度矢量图观察到了与有关文献相同的涡旋流场结构,从而验证了该数值方法的有效性,为潜艇概念设计中评价设计方案优劣提供了重要的技术手段.