熵格子Boltzmann方法的重整化群代数湍流模型

重整化群理论所建立的湍流模型能够最大程度地减小模型经验性,因此文章尝试将重整化群代数湍流模型引入到熵格子Boltzmann方法中,建立新型的计算模型以对高雷诺数湍流进行模拟研究。同时为了进行比较研究,还建立了熵格子Boltzmann方法的标准大涡模拟模型。完成了对高雷诺数湍流绕流场的模拟计算。结果表明:所建立的熵格子Boltzmann方法重整化群代数湍流模型能够有效地模拟高雷诺数湍流流动问题;其对紧贴壁面处较小尺度湍涡的模拟结果趋近于大涡模拟的结果;重整化群代数湍流模型在对高雷诺数湍流的模拟中表现出耗散模型的特征。     

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。     

大涡模拟在河道平面二维水流模拟中的初步应用

通过丁坝对水流进行控制是航道整治中常用的工程措施,丁坝附近水流呈强紊动特性,大涡模拟相对于基于雷诺方程的时均模型对涡旋有较强的捕捉能力。在直角坐标系的基础上,将大涡模拟中的亚格子应力模型(SGS模型)引入河道水流平面二维数学模型中,通过盒式滤波函数将控制方程进行滤波,大尺度量通过控制方程直接求解,小尺度量借助Smagorinsky提出的亚格子尺度应力模型进行求解。采用空间等步长的正方形网格和交替方向隐式差分法对其控制方程进行离散求解。将模型初步应用于非淹没丁坝绕流的数值模拟中,计算结果表明,该模型对湍流旋涡的捕捉和水深计算较为合理,计算精度可满足工程实践要求。     

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.     

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。     

弱可压缩移动粒子半隐式方法（WC-MPS）与湍流大涡模型（LES）模拟溃坝流动

应用弱可压缩移动粒子半隐式法（WC-MPS）结合湍流大涡模型(LES)模拟了自由液面流动问题。该方法通过流体状态方程实现流场压力的直接计算,并根据大涡模拟Smagorinsky模型来计算湍流项。最后应用该方法,针对两个溃坝自由液面流动问题,特别考虑不同粒子直径以及湍流Smagorinsky系数,进行数值对比研究以及实验对比分析,得到了采用较小粒子直径和较大湍流Smagorinsky系数模拟大变形自由液面具有较好结果的结论。     

翼/板结合部涡旋流动结构与壁面脉动压力的大涡模拟研究

壁面脉动压力是湍流非定常特性的重要表征,而且是重要的流体动力声源,所以对于脉动压力的研究已经成为流声耦合研究领域的重要课题。文章采用大涡模拟方法结合动态Smagorinsky亚格子涡模型,数值计算了两型翼/板结合部在不同流速下的湍流脉动压力,并展示了结合部马蹄涡流动结构。通过将计算结果与试验结果进行对比分析可知,数值计算方法能准确地预报湍流脉动压力,从而为理解翼/板结合部非定常流动的物理机理奠定了基础。     

关于圆柱绕流水动力特性的大涡数值模拟研究

基于有限体积法建立描述不可压缩粘性流体三维运动的数学模型,引入浸入边界法的无滑移固定壁边界条件和大涡数值模拟的Smagorinsky．Lilly亚格子模型,针对层流（Re=100）和湍流（Re=3900）状态下的圆柱绕流流场进行数值模拟研究,验证结果表明该方法能较有效模拟非定常圆柱绕流流场的形态。在层流状态下圆柱体下游存在形态清晰的卡门涡街结构且无明显的掺混现象;在Re=3900的湍流状态下圆柱下游的掺混现象显著增强,圆柱下游约1．0D处的脉动强度达到最大值。     

结合亚格子模型的Lattice-Boltzmann算法

介绍一种亚格子模型与LB(Lattic-Boltzmann)方法相结合的算法,并用其对亚临界雷诺数情况下的圆柱绕流问题进行数值模拟,得到流场的流线图以及圆柱表面的压力系数。通过与实验值相比较,发现数值结果与实验值是比较吻合的,证明该算法可以用于计算雷诺数较大的流体问题,同时具有LB方法计算效率高的优点。     

增压器涡轮叶片间流体流动的数值模拟

从N-S基本方程出发,采用亚格子尺度模型,运用大涡模拟方法,通过建模和数值计算研究涡轮叶片间流体流动时周围流场的速度、压力、雷诺数和流线分布情况,得出涡轮叶片间流场参数的分布范围,发现各个工况点流场的变化规律和影响因素。该研究结果对增压器涡轮结构进一步优化设计具有重要的指导意义。     

增压器涡轮叶片间流体流动的数值模拟

从N-S基本方程出发,采用亚格子尺度模型,运用大涡模拟方法,通过建模和数值计算研究涡轮叶片间流体流动时周围流场的速度、压力、雷诺数和流线分布情况,得出涡轮叶片间流场参数的分布范围,发现各个工况点流场的变化规律和影响因素.该研究结果对增压器涡轮结构进一步优化设计具有重要的指导意义.     

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。     

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。     

三维孔腔流激噪声的大涡模拟与声学类比预报与验证研究

孔腔流动从属于与自持振荡密切相关的一类基本流动。在工业领域中,孔腔流动会引起结构振动与疲劳、噪声的产生与阻力的急剧增加,因而备受关注。文章通过大涡模拟结合FW-H声学类比方法,对于五种不同尺寸的方形孔腔在水中的流动发声进行了数值预报。首先,简要介绍了国际上采用大涡模拟结合声学类比在孔腔流激噪声数值预报方面所做的一些研究;其次,详细描述了所使用的大涡模拟方法、动态Smagorinsky亚格子模型以及FW-H声学类比方法。最后,详细分析了计算结果,包括孔腔中的流谱、孔腔与载体上的涡量分布以及五个孔腔的辐射噪声频谱。将噪声的计算结果与试验结果进行了对比,验证了文中所建立的数值预报方法的可靠性。     

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.     

三维孔腔流激噪声的大涡模拟与声学类比预报与验证研究

孔腔流动从属于与自持振荡密切相关的一类基本流动.在工业领域中,孔腔流动会引起结构振动与疲劳、噪声的产生与阻力的急剧增加,因而备受关注.文章通过大涡模拟结合FW-H声学类比方法,对于五种不同尺寸的方形孔腔在水中的流动发声进行了数值预报.首先,简要介绍了国际上采用大涡模拟结合声学类比在孔腔流激噪声数值预报方面所做的一些研究;其次,详细描述了所使用的大涡模拟方法、动态Smagorinsky亚格子模型以及FW-H声学类比方法.最后,详细分析了计算结果,包括孔腔中的流谱、孔腔与载体上的涡量分布以及五个孔腔的辐射噪声频谱.将噪声的计算结果与试验结果进行了对比,验证了文中所建立的数值预报方法的可靠性.     

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。     

自由来流角度影响下壁面湍流脉动压力波数—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。文章在已有工作的基础上,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,对不同自由来流角度影响下壁面湍流脉动压力及其波数—频率谱进行了数值计算与分析。首先,介绍了大涡模拟基本方法,包括:大涡模拟的物理内涵、基本方程以及所采用亚格子涡模型的表达式。其次,介绍了湍流脉动压力波数—频率谱及其计算与分析方法。再次,对不同自由来流角度情况下的湍流脉动压力及其波数—频率谱进行了计算,并将计算结果进行了比较分析,深入讨论了自由来流角度对湍流脉动压力及其波数—频率谱的影响。结果表明,在自由来流角度影响下,湍流脉动压力及其波数—频率谱主要参数(包括波数—频率谱的谱级峰值、迁移脊在波数—频率域内的分布范围、迁移速度和无量纲迁移速度等)均发生了明显变化,说明自由来流角度对湍流脉动压力波数—频率谱有显著影响,且边界层内湍流脉动压力的能量主要沿流向分布。因此,为了更加准确可靠地研究边界层内湍流脉动压力的主要统计特性及其波数—频率谱,传感器阵列或监测点阵列布置方向应与当地流向(局部剪应力线或摩擦力线)一致。     

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。