三维波浪作用下大直径圆柱绕流的数值模拟

为探讨三维波浪与结构物的相互作用,以两相流概念、大涡模拟的不可压缩粘性流体运动方程和自由水面追踪分段线性近似的流体体积(VOF)法为基础,建立了三维波浪与结构物相互作用的数学模型;对三维波浪作用下大直径圆柱绕流进行了数值模拟,用两步边界定位法和虚拟边界力法确定波浪与结构物接触面.结果表明:大直径圆柱绕流系数的数值计算结果与理论解吻合,所建立的数学模型能够很好地模拟三维波浪与结构物的相互作用.     

舰船尾流气泡运动特性研究

建立了气泡在舰船尾流中浮升运动与径向运动的理论模型,针对不同半径、不同气体成分的气泡进行了数值模拟.计算结果表明:泡内气体成分对于半径较大的气泡无明显影响,而对于半径小于50μm的气泡则会产生显著的变化,甚至可能影响气泡变化的趋势;半径小于100μm的微小气泡能在尾流中长时间地存在,且随着气泡半径的减小,气泡在尾流中的存在时间呈指数规律增长,这一结论与实验结果具有较好的一致性.     

初始气泡对柴油机近口区初始射流破碎的影响

为改善柴油机喷油器喷孔内的残留燃油和初始气泡对近口(喷油器燃油喷口)区初始射流形态的影响,基于湍流模拟(large eddy simulation,LES)和界面追踪(volume of fluids,VOF)方法进行燃油近口区初始射流雾化过程的数值模拟,重点研究初始气泡对近口区初始射流形态和破碎过程的影响。结果表明:喷孔内初始气泡的大小和位置对初期射流雾化形态有显著影响,针阀开启后新喷入的燃油撞击初始气泡溃灭产生强烈扰动是造成初始射流头部破碎的主要因素。结合湍动能和亚网格涡黏系数进一步分析初始气泡对近口区初始射流结构形态及破碎的影响规律。     

模拟气泡上升运动的一种改进的Level Set方法

采用基于体积校正法和局部重新初始化的Level Set方法,解决了Level Set方法中由于数值耗散引起的气泡体积的非守恒问题.控制方程采用同位网格下的有限容积法进行离散,采用经典的SIMPLE算法解决速度与压力耦合问题,表面张力采用CSF模型计算.通过对竖直流道内并排临近双气泡的上升运动过程进行了数值模拟,获得了令...     

泡沫铝发泡过程的模拟研究

采用数值模拟描述气泡在铝熔体中的形成过程,并结合水模拟和铝熔体发泡实验,研究了不同空气参数及聚乙烯醇水溶液物性对浸没孔中气泡形成尺寸的影响.研究结果表明,当单个出气孔的入射空气流量(0.156～0.468 L/min)与出气孔直径(0.2～0.3 mm)增大时,气泡尺寸从2.41 mm增大到3.2 mm;当出气头的锥角(0°～45°)和熔体黏度(3.57～10.25 mPa·s)增大时,气泡尺寸从2.38 mm减小到3.29 mm.另外,随着气泡长大,出气口处气液界面的接触角逐渐减小;出气头锥角越大,生成的气泡脱离时间越早.数值模拟获得的气泡尺寸与水模拟和铝熔体发泡实验得到的结果基本一致.     

泡沫铝发泡过程的模拟研究

采用数值模拟描述气泡在铝熔体中的形成过程,并结合水模拟和铝熔体发泡实验,研究了不同空气参数及聚乙烯醇水溶液物性对浸没孔中气泡形成尺寸的影响.研究结果表明,当单个出气孔的入射空气流量(0.156~0.468 L/m in)与出气孔直径(0.2~0.3 mm)增大时,气泡尺寸从2.41 mm增大到3.2 mm;当出气头的锥角(0°~45°)和熔体黏度(3.57~10.25 mPa.s)增大时,气泡尺寸从2.38 mm减小到3.29 mm.另外,随着气泡长大,出气口处气液界面的接触角逐渐减小;出气头锥角越大,生成的气泡脱离时间越早.数值模拟获得的气泡尺寸与水模拟和铝熔体发泡实验得到的结果基本一致.     

基于CFD的30000吨载货教学实习船阻力数值模拟

为了对船舶阻力进行精确预报,选取30000 t载货教学实习船为研究对象,基于CFD对静水中不同航速的船舶阻力进行数值模拟,建立三维船体模型,采用局部加密进行网格处理,使用Standard k-ε湍流模型,利用VOF法追踪自由液面,将结果与船模试验数据进行比较表明,该方法计算速度快,成本低,预报精度较高,具有重要工程意义...     

泡漩水数值模拟研究

笔者针对泡漩水所具有的三维性、自由表面、强紊动性的特点,采用三维K-ε模型,引入通度概念处理不规则边界,用VOF法追踪自由表面,并对突嘴深槽组合地形产生的泡漩水流场进行了数值计算,计算结果与实测资料吻合良好.     

明渠非恒定流的一维浅水波与三维VOF耦合模拟

提出了一种一维浅水波与三维VOF模型耦合的明渠非恒定流数值计算方法。此方法通过建立两个计算模型间变量的数学关系,实现由三维区域为一维区域提供流量,一维区域为三维区域提供压强和水体体积分数分布。用耦合方法模拟了矩形断面渠道增、甩负荷两种典型非恒定工况,将结果与一维浅水波模型计算结果对比,表明本方法在定性上正确,在定量上准确度也较高。最后利用这一方法模拟了某水电站带引水渠压力前池的非恒定流现象,获得了最大溢流量、最高和最低水位等重要参数。耦合方法同时结合了一维模型计算较细长明渠渐变流的效率和三维方法模拟局部明渠急变流的准确性,可为分析工程中复杂的明渠流动问题提供更优选择。     

泡漩水数值模拟研究

笔者针对泡漩水所具有的三维性、自由表面、强紊动性的特点，采用三维K—ε模型，引入通度概念处理不规则边界，用VOF法追踪自由表面，并对突嘴深槽组合地形产生的泡漩水流场进行了数值计算，计算结果与实测资料吻合良好。     

静态条件下闭孔泡沫铝气泡形成过程模拟研究

以静态条件下闭孔泡沫铝的空气发泡过程为研究对象,在聚乙烯醇水溶液中进行模拟研究.通过改变入射压缩空气的流量、压力,液体的粘度,出气孔的直径、数量、出气孔表面距液体表面的距离等实验条件,建立静态条件下液体表面气泡直径的预测模型,以便对铝熔体的泡沫特性和闭孔泡沫铝的胞直径进行科学有效的控制.在静态水模拟实验条件下获得了液体表面气泡直径预测模型.当入射空气的压强、气流量,液面高度,出气孔直径增大时,气泡直径随之增大;当出气孔数量,液体粘度增大时,气泡直径减小,表面张力对气泡直径的影响可以忽略不计;静态条件下液体表面气泡直径的预测值和实验测量值符合得较好,相对误差分布在-5.04%~6.32%之间.     

基于气泡模型的自由曲面网格生成和调控

为了在自由曲面上生成形状规整、大小可控的三角形网格,提出一种基于气泡运动模型的网格自动生成方法.将适量的网格点布置在离散化的曲面上,并模拟为弹性气泡.引入气泡间的相互作用力和曲面对气泡的吸附力,得到各气泡的运动控制方程.采用数值方法近似求解气泡系统的平衡状态.将平衡后的气泡中心用曲面Delaunay法连接成曲面上的三角形网格.在气泡模型中,通过相对半径函数控制各气泡的相对大小,进而实现对网格大小的调控.通过在相对半径函数中考虑气泡中心到特定点或线的距离、参考线或曲面的曲率等因素的影响,生成网格大小与曲面特征相适应的三角形网格. 6个算例结果表明,该方法生成的网格形状规整、疏密有致,其形状质量指标都高于0.97;该方法为网格结构的设计提供了参考.     

铝熔体吹气发泡过程的水模拟研究

通过水模拟实验描述了气泡在铝熔体中的形成过程,结合铝熔体发泡实验,研究了不同工艺参数对浸没孔中气泡形成尺寸的影响.研究结果表明,气泡在膨胀过程中为椭球体.当出气管的最大往复平动线速度由0变为366 mm/s时,水溶液表面气泡尺寸从3.4减小至2.6 mm,泡沫铝的胞直径由10.4减至3.0 mm.水模拟实验结果表明,随着气流量的增加（0.025~0.075 L/min）以及聚乙烯醇水溶液粘度的增大（2.27~16 mPa.s）,气泡的直径由1.5增加到2.7 mm;随着出气口距液面距离从150增至330mm,气泡直径从2.3增至2.6 mm,而实际泡沫铝胞直径为2.7 mm,考虑静压力并修正后,实验值与预测值的相对误差由15.45%减小至3.22%.     

一类具有食物偏好的三种群生物模型的动力学分析

利用Kolmogorov定理和Lyapunov稳定性定理对一种带有食物偏好的生物种群模型的稳定性进行了分析,得到了平衡点和极限环稳定的充分条件.而后利用分岔图、Poincaré映射图及相图等数值方法研究了系统复杂的动力学行为,发现了系统经由两种非常规周期倍化分岔——"混沌泡"和"周期泡",进入混沌的道路.最后,利用Floquet理论数值验证了系统的倍周期分岔行为.     

潜艇螺旋桨直接辐射噪声的数值计算

采用计算流体力学与声学边界元方法相结合求解了潜艇尾部大侧斜螺旋桨的直接辐射噪声.与一般螺旋桨噪声计算不同的是,螺旋桨非定常计算时引入了潜艇尾部桨盘面的速度分布作为非均匀来流,能够提供更加真实的螺旋桨脉动压力源场.提取桨叶表面的声偶极源项后,采用边界元方法,求解FW-H方程,得到了螺旋桨空间测点的声压谱和总声级.桨盘面速度分布由全附体潜艇粘性流场数值计算得到,其可信性由艇体表面的压力系数与试验值的比较给予了验证.螺旋桨数值模型的可信性由敞水特性预报值与试验值的比较进行了验证.     

A Computational Model for Pedestrian Level Wind Environment Around Tall Buildings

A computational model has been developed for the simulation of pedestrian level wind environment around tall buildings by coupling the numerical simulation of the full-scale site and meteorological station materials. In the first step, the hybrid/mixed finite element method is employed to solve the two dimensional Navier-Stokes equation for the flow field around tall buildings, in view of the influence of fluctuating wind, the flow field is revised with the effective wind velocity. The velocity ratio is defined in order to relate numerical wind velocity to oncoming reference wind velocity. In the second step, the frequency occurred discomfort wind velocity as a suitable criterion is calculated by use of the coupling between the numerical wind velocity and the wind velocity at the nearest meteorological station. The prediction accuracy of the wind environment simulation by use of the computation model will be discussed. Using the available wind data at the nearest meteorological station as well as the established criteria of wind discomfort, the frequency of wind discomfort can be predicted. A numerical example is given to illustrate the application of the proposed method.     

Numerical Simulation of Focused Wave and Its Uncertainty Analysis

On the basis of the transient water wave (TWW) theory, focused wave is generated in the circulating water channel. Numerical simulation of the focused wave is carried out by solving the Reynolds averaged Navier-Stokes (RANS) equations. The dynamic grid technique is adopted to simulate the motion of the wave maker, and the volume of fluid (VOF) method is used to capture the free surface of the wave. The simulation results are compared with the measured data, and good agreement is obtained. For quantitative estimation of the numerical simulation error and uncertainty, the uncertainty analysis method recommended by the International Towing Tank Conference (ITTC) procedure is performed for the simulation results of the surface elevations at different positions. Both grid-convergence and time-step-size convergence studies are conducted using three types of grids and time step sizes. The simulation results are all monotonously convergent in the verification procedure, and the validations of the simulated surface elevations with the positions at 3.5, 4.0 and 4.5m are all achieved by comparing with the validation uncertainty. It is found that the numerical simulation errors caused by the grid and time-step-size in the convergence studies have the same order of magnitude. In addition, the numerical errors and uncertainties for the surface elevations at different positions are compared and discussed in detail. This paper presents the first attempt to carry out the uncertainty analysis of the simulation of focused wave, and the effectiveness of the proposed verification and validation procedures in the uncertainty analysis is demonstrated.     

低速下不同入口位置塔式曝气池气液两相数值模拟

为了研究不同入口下塔式曝气池气液两相流动规律,采用欧拉双流体模型耦合群体平衡模型（PBM,population balance model）,在对计算域网格及气相分布与实验验证的基础上,研究了四种距离曝气池底部中心不同位置处的入口对曝气池内气液两相流动的影响,探讨了气含率、气泡数密度、液相水平速度等流体动力学性质,以期为塔式曝气池设计提供指导和依据.研究结果表明:欧拉双流体模型耦合PBM的模拟结果优于单一气泡尺寸的欧拉双流体模型;曝气池内气含率、气相分布、旋涡强度、液相水平速度均受入口位置影响;当入口位置逐渐远离曝气池中心时,气相分布逐渐呈之字形,旋涡强度增大,气含率及气泡羽流周期则先增大后减小;入口位置对气泡数密度无明显影响,气泡数密度在气泡直径5.95 mm下分布最多.      

大跨度连拱隧道支护体系的现场监测及数值模拟

文章对某大跨度连拱隧道施工全过程进行现场监测,在监测结果的基础上,结合数值模拟进行分析与研究,得出大跨度连拱隧道在开挖过程中的力学特征.结果表明：（1）上台阶开挖对钢支撑受力的空间效应明显,是隧道支护监测的控制点;（2）钢支撑和二衬前期内力增加较快,随后逐渐趋于稳定,二衬内力大约1年内趋于稳定;（3）中墙侧衬砌最易受到临洞施工影响,衬砌受力也最复杂;（4）对大跨度连拱隧道进行数值模拟一定程度上能得到开挖过程中的力学特征,但是由于隧道跨度大,地质条件复杂,开挖步骤多,数值模拟结果与实际有较多不同.     

建筑结构非定常绕流风场的数值模拟方法

给出了一种适用于计算建筑结构非定常绕流风场的大涡数值模拟算法．该算法基于有限差分法,采用曲线坐标结构网格,能精确描述形状复杂的物面边界,为下一步准确模拟含有因结构受风变形所致运动边界的绕流场奠定了基础．该算法采用投影法解耦纳维一斯托克斯方程中的压力和速度,对非定常流场的时间步进采用二阶Adams—Bashforth方法．采用同位网格以减少计算所需内存,为了平抑同位网格下中心差分格式导致的固有压力波动现象,计算对流速度时采用Rhie—Chow动量插值方法,利用编制的曲线坐标系下大涡模拟数值计算程序,对德州理工大学（TTU）建筑足尺模型绕流风场进行了模拟,所得结果与现场实测和风洞试验结果进行了比较,结果表明,本文算法是建筑结构非定常绕流风场数值模拟的有效方法．