基于LES方法圆柱绕流三维数值模拟(英文)

采用计算流体软件CFX5中large.eddy simulation(LES)模型计算了均匀流场中三维圆柱绕流的水动力特性.使用有限体积法对三维N-S方程进行求解.数值模拟着重研究了高雷诺数时展向各截面的压力、阻力、升力及涡管特性.数值计算结果表明:展向各截面柱体受力关于中截面对称且小于二维情况,柱体周围流场呈现明显的三维特性.     

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.     

利用FEPG进行Navier-Stokes方程的有限元程序的生成

通过有限元生成系统(FEPC)产生了粘性不可压流体Navier-Stokes方程的有限元程序.为了克服计算上的困难,利用算子分裂法将N-S方程表述的物理过程分解为扩散和对流两个过程.导出了扩散方程的弱形式,进而建立起它的有限元方程,利用最小二乘法建立起对流方程的有限元方程.利用所产生的程序对二维的粘性不可压流体的绕圆柱流动问题进行了数值模拟.     

海上平台支撑柱绕流特性的大涡模拟分析

海上平台是开采海洋资源的关键建筑,而支撑柱在平台中起着至关重要的作用。本文建立在海水作用下支撑柱做单圆柱绕流、串列双圆柱绕流和并列双圆柱绕流的二维流场模型,运用大涡模拟方法,对这3种模型进行数值模拟,得出其瞬时流场速度云图和圆柱受力特性曲线图。模拟计算层流和湍流情况下的圆柱绕流,通过模拟结果分析流场、升力系数和阻力系数的变化规律。     

圆球势流绕流的有限元方法

研究利用有限元方法解钝体绕流,利用有限元方法对钝体绕流进行数值编程求解,为简化计算,只求解理想不可压无旋绕流问题,以圆球绕流为研究对象,进行轴对称流动等参数有限元分析,对流场进行不同密度网格划分,比较不同网格密度下圆球绕流场的流线和压力场分布情况。计算结果表明,有限元法可以很好地得出圆球势流场的物理量分布,不同的网格密度对有限元法的求解会产生明显的影响,网格越密求解的流场精度越高,越接近真实的流动情况。     

敞水舵水动力的数值模拟

直接用Euler/N-S方程求解水翼绕流的计算和设计问题,是目前这一领域研究的热点.在大型通用CFD商业软件FLUENT平台下,利用有限体积法和RNG湍流模型直接求解RANS方程对敞水舵流场进行了数值模拟,并计算了敞水舵水动力性能.利用SIMPLE算法求解,采用了二次迎风格式离散动量方程和离散湍流能量方程,所得结果和试验数据、实际情况进行比较,吻合性比较好,对于敞水舵的水动力性能研究和设计具有一定的参考价值.     

求解SUBOFF绕流问题的粘势流耦合方法

针对SUBOFF光体绕流问题,根据Helmholtz速度分解定理将流场速度分解为势流部分和非势流部分,代入到N-S方程推导得到耦合势流速度的关于非势流速度的控制方程,其中势流部分速度采用数值方法预先求得,非势流部分控制方程的表达与N-S方程一致,可直接采用传统N-S方程的计算方法求解。文中在Open FOAM平台内实现了SUBOFF绕流问题的粘势流耦合计算,通过对不同来流速度下的SUBOFF绕流的计算模拟,并将耦合方法计算获得的流场中的速度、压力等,与文献中试验结果以及传统计算流体动力学(CFD)等计算的结果进行仔细比较和分析,相关结果吻合良好。流场中的非势流部分速度分量在远场较小,甚至趋于0,论文分析考察了较传统CFD方法计算范围小的区域,将粘势流耦合方法与传统CFD方法进行了计算研究和对比。研究表明,粘势流耦合方法对区域大小不敏感,可以采用更小的计算区域,同时提高计算效率;该方法适用于绕流问题的计算模拟,为改善CFD计算效率提供了新的途径。     

基于ADINA有限元软件的圆柱绕流三维数值模拟

利用ADINA有限元计算软件建立基于N-S控制方程的圆柱绕流三维数学模型,模拟不可压缩粘性流体中单个固定圆柱的绕流问题,计算不同雷诺数(Re)条件下圆柱绕流的压力系数、升阻力系数和Strouhal数等相关参数.通过与物理模型试验结果的对比对该数学模型进行验证,进一步分析在大雷诺数条件下圆柱绕流的三维效应.     

二维圆柱绕流的离散涡数值模拟

圆柱绕流在工程中广泛存在,通过引入离散涡方法理论,阐述了数值模拟的基本思路和具体过程.从满足物面条件的方式出发,构建了2种便于计算实现离散涡模型,数值模拟了大雷诺数条件下的二维圆柱绕流流场.模拟结果与试验和其他数值结果吻合较好,表明2种模型在处理此类问题时的经济和适用性.利用镜像法模拟所得结果较流函数方法更加精确,说明还需要对流函数模型进行更为精确的描述.     

基于时间步长自适应技术的海上浮基风电平台绕流数值模拟分析

圆柱绕流问题对于研究海上浮基风电平台在波浪和海流作用下的动力特性以及开发深海风能具有重要的理论和工程应用价值,很多不可压缩流体力学数值模拟方法都基于圆柱绕流的实验或计算结果进行验证。基于自适应时间步长理论及小雷诺数（Re=100）情况下,采用有限体积法,借助FLUENT软件中的用户自定义（UDF）功能,通过二次开发在FLUENT中实现圆柱绕流的数值模拟,并对计算结果与先前的研究结果作了比较,依此来验证时间步长自适应技术和精细边界层网格设计的合理性。计算结果表明了该方法能有效获得准确的流体动力学参数并提高数值模拟计算精度,为该领域的深入研究提供依据。     

重叠网格在船舶CFD中的应用研究

文章采用RANS方法和重叠网格计算了带自由液面的船舶绕流问题。计算网格采用重叠网格的型式,自由液面的模拟采用单相Level-Set方法,Reynolds应力采用k-ω模型,采用体单元有限差分方法和PISO算法求解RANS方程。文中简要描述了重叠网格和单相Level Set自由液面模拟方法的数学模型及求解。通过对S60单体船型约束模和自由模型采用重叠网格的数值求解及与试验结果的比较表明该重叠可较好地模拟带自由液面船舶自由态绕流问题。另采用重叠网格对一简单的双体船和三体船进行了数值求解,计算结果也表明重叠网格和单相Level-Set方法可较好地模拟带自由液面的船舶绕流问题。     

平板上直立圆柱三维绕流的CFD计算研究

利用计算流体动力学(CFD)方法,对粘性不可压缩流体流过平板上直立圆柱的绕流进行了三维数值模拟,采用了有限体积法和SIMPLE计算程式,利用不可压缩的Navier-Stokes方程,模拟了雷诺数在200的层流绕流流动。在建立贴体的结构化精细网格之后,成功模拟了马蹄涡,与经典的理论对比具有较好的吻合性。同时得到了交接部区域的剪切力云图。计算结果表明,主/附体结构交接部区域流动机理十分复杂,在这个区域有马蹄涡的存在,是产生交接部冲蚀的根本原因。计算结果表明本文所用方法在模拟含有复杂流动机理的圆柱绕流中是可靠性的。     

水下不分散混凝土抗冲刷临界流速和凸起障碍物影响

针对水下不分散混凝土抗冲刷性能,开展室内模型试验,得出8种典型抗分散剂掺量条件下水下不分散混凝土的抗冲刷临界流速。基于OpenFOAM的有限高度圆柱绕流三维数值模拟,分析凸起障碍物对水下不分散混凝土局部冲刷的影响机制。结果表明,增加抗分散剂掺量和减少单位用水量可以提高水下不分散混凝土的抗冲刷性能,HF-III型抗分散剂的效果比UWB-II型抗分散剂的抗冲刷效果好;凸起障碍物周围以及下游易发生局部冲刷;与松散沙床上圆柱周围的冲刷坑相比,水下不分散混凝土的冲刷坑范围较小,深度较浅,且主要位于圆柱的下游。     

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。     

二维圆柱绕流数值模拟

对于椭球体绕流问题，可以考虑利用二维切片法的思想将其剖成一个个圆剖面，研究圆剖面的二维流动问题即二维圆柱绕流问题。采用Fluent软件，分别用多种流动模型在高雷诺数下对定常和非定常状态的圆柱绕流进行了数值模拟，计算得到圆柱绕流的升阻力系数、分离点位置、Strouhal数、流函数等结果，并与文献中的实验结果进行了比较，得到相应比较合理的计算模型。     

旋涡影响下的振动翼水动力性能

Fish are able to make good use of vortices. In a complex flow field, many fish continue to maintain both efficient cruising and maneuverability. Traditional man-made propulsion systems perform poorly in complex flow fields. With fish-like propulsion systems, it is important to pay more attention to complex flow fields. In this paper, the influence of vortices on the hydrodynamic performance of 2-D flapping-foils was investigated. The flapping-foil heaved and pitched under the influence of inflow vortices generated by an oscillating D-section cylinder. A numerical simulation was run based the finite volume method, using the computational fluid dynamics (CFD) software FLUENT with Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations applied. In addition, dynamic mesh technology and post processing systems were also fully used. The calculations showed four modes of interaction. The hydrodynamic performance of flapping-foils was analyzed and the results compared with experimental data. This validated the numerical simulation, confirming that flapping-foils can increase efficiency by absorbing energy from inflow vortices.