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。     

绕水翼非定常空化流动的涡动力学分析

文章采用数值方法对绕水翼的非定常空化流动进行了流动计算,并采用涡动力学方法对非定常空化流场特性进行了分析。计算中,采用基于当地涡旋修正的湍流模型封闭控制方程,通过实验对该计算结果进行验证;采用涡量法分析了空化的发生和发展对涡量输运过程的影响。结果表明:基于当地涡旋修正的湍流模型可以准确地模拟水翼周围非定常空化流场结构;水翼空化流场具有强烈的非定常特性,空化的发展和流场中的涡结构有着紧密的联系;反向射流的作用会导致附着空穴尾缘附近速度梯度的非定常变化,是导致涡量产生和消失的重要因素;空化区域内部水气两相的质量交换会导致流场内体积变化率的变化,使得空化区域内部流体的非正压性显著增强,上述两者导致空化区域内部的涡量分布呈现强烈的非定常特性;空化现象引起的水气两相之间的相互转换以及对湍流的作用都是影响涡结构空间分布的重要因素。     

溃坝流动的有限元数值模拟

利用有限元(FEM)、大涡模拟(LES)和流体体积法(VOF)对溃坝流动进行了数值计算,并与实验结果进行了对比.结果表明,该方法能够准确模拟出溃坝过程的水流运动情况.由于该数值模型是基于有限元方法,因此对复杂边界具有较强的适应能力;文中对自由表面的模拟采用CLEAR-VOF进行捕捉和重构,使得非结构化网格可以应用到自由表面问题的数值模拟中;同时大涡模拟也被集成到该模型中,这为处理复杂湍流流动问题提供了更为可靠的保证.本文的工作为进一步研究复杂边界条件下带有自由表面的湍流流动问题奠定了基础.     

水翼叶顶间隙漩涡空化流动特性研究

采用试验的方法研究了不同空化数下水翼叶顶间隙区域漩涡空化流动的发展变化。试验在闭式空化水洞中进行,采用高速全流场显示技术对空化流场进行观测,并采用图像处理技术对试验结果进行处理,提出空化涡模型,阐述了涡空化的发展规律。研究结果表明:随着空化数的降低,叶顶间隙漩涡空化的发展主要经历如下三个阶段:(I)泄露涡内部空化初生阶段:在水翼中部附近产生游离状空化,向下游运动并迅速溃灭消失。(II)叶顶间隙内部附着空化发展阶段:涡空化逐渐发展并向水翼尾缘延伸,空化涡带呈螺旋状非轴对称旋转;叶顶位置压力面中部附近开始出现片状附着型空化,并体现出强烈的非定常特性。(III)射流剪切层内部空化形成阶段:涡空化延伸至水翼下游;叶顶附着空化充分发展,充满间隙并形成射流剪切层空化,和空化涡带共同形成三角状空化结构。     

基于RANS方法的导管推进器梢隙流动数值模拟北大核心CSCD

以导管推进器为研究对象,采用雷诺时均纳维斯托克斯(RANS)方法对其梢隙流动进行数值模拟研究。通过对网格类型、湍流模型的适用性研究以及对梢部流场的研究探讨,初步建立了基于RANS梢隙流动的数值模拟方法;数值计算结果与实验结果吻合较好。对比分析发现,结构化网格与非结构化网格相比能捕捉到梢隙流动中更加细节的流场信息,如壁面边界层流动等,更适合于梢隙流动的数值模拟。3种湍流模型SST?k-ω,RNG?k-ε及RSM的计算结果基本一致,都能有效模拟梢隙流动。通过间隙区域流场分析发现,梢隙流动的驱动力主要是叶面与叶背之间的压差,受壁面边界层流动的影响。流体进入间隙时流动分离形成间隙分离涡,间隙泄漏流穿过间隙与吸力面侧流体相互作用,卷起形成梢隙涡,在约37.5%弦长位置处形成并附着在桨叶壁面发展,大约在75%弦长位置与桨叶分离进入尾流场中。研究获得了梢隙涡的起始、发展、脱落的变化过程。     

疏水表面流体流动特性的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法研究了微形貌对固体表面润湿性的影响,在此基础上进一步模拟了具有微形貌的疏水表面通道内的流体流动,从法向速度、剪应力、滑移速度等角度分析了疏水表面的流场特性,揭示了疏水表面滑移流动的产生机制。结果表明,疏水表面的滑移流动是由低表面能作用和微形貌共同引起的。具有微形貌的疏水表面比光滑疏水表面具有更好的减阻效果,原因在于微形貌能够驻留气体,形成的气液自由剪切面加剧了疏水表面的滑移流动,最大滑移速度可以达到主流平均速度的50%左右。     

基于RANS方法的导管推进器梢隙流动数值模拟

以导管推进器为研究对象,采用雷诺时均纳维斯托克斯(RANS)方法对其梢隙流动进行数值模拟研究。通过对网格类型、湍流模型的适用性研究以及对梢部流场的研究探讨,初步建立了基于RANS梢隙流动的数值模拟方法;数值计算结果与实验结果吻合较好。对比分析发现,结构化网格与非结构化网格相比能捕捉到梢隙流动中更加细节的流场信息,如壁面边界层流动等,更适合于梢隙流动的数值模拟。3种湍流模型SST?k-ω,RNG?k-ε及RSM的计算结果基本一致,都能有效模拟梢隙流动。通过间隙区域流场分析发现,梢隙流动的驱动力主要是叶面与叶背之间的压差,受壁面边界层流动的影响。流体进入间隙时流动分离形成间隙分离涡,间隙泄漏流穿过间隙与吸力面侧流体相互作用,卷起形成梢隙涡,在约37.5%弦长位置处形成并附着在桨叶壁面发展,大约在75%弦长位置与桨叶分离进入尾流场中。研究获得了梢隙涡的起始、发展、脱落的变化过程。     

电磁力控制翼型三维绕流场特性的数值研究

在弦长雷诺数Re_L=2.97×10~6下,采用脱体涡模拟方法对弱电解质中电磁力作用下翼型绕流场特性进行了数值模拟,研究了电磁力作用控制翼型失速攻角时绕流场中三维流动特性及失速问题的规律和机理。结果表明:电磁力作用可有效改善翼型周围的流场结构,显著减小翼型绕流场三维特性,并使翼型表面流体动能增加,当电磁力作用足够大时,其表面涡量转变为正向涡量。同时,电磁力作用可增加翼型升力,减小阻力,显著减小升阻力脉动特性,提高翼型升阻比,还可以显著延缓翼型失速特性,增加失速攻角,提高工作性能。     

无限长圆柱绕流的三维数值模拟

采用大涡模拟对亚临界区内(Re=3900)三维圆柱绕流现象进行了数值模拟研究,分析了圆柱体表面的受力以及圆柱后流场的时均特性与瞬时特性。结果表明,当Re=3900时圆柱体表面与流速方向相反的压力差引起了不稳定的周期性交替脱落的湍流涡泄,这使得圆柱表面的升力呈现"准周期性"的振动变化,并在圆柱后近流场出现了回流区。研究还发现圆柱周围的流动沿圆柱展向呈现出明显的三维特性。     

热力学效应对非定常空化流动结构影响的实验研究

为了研究热力学效应对空化流动结构的影响,采用实验的方法研究了水温为6℃、25℃和45℃时绕水翼的非定常空化流场。利用高速全流场显示技术,观察了不同水温下绕水翼的空化流动形态,并利用数字粒子图像测速仪(DPIV)测量了其速度和涡量分布。结果表明:随着水温的升高,空穴区域减小,空穴长度减短。在相同的空化阶段,热力学效应对空泡的脱落周期影响较小,脱落周期基本不变。热力学效应对速度和涡量影响较大的区域主要集中在空化区域及其与主流区的交界面处。随着水温的升高,低速高脉动区域逐渐减小,且对应的速度值略有升高,导致速度梯度减小,湍流脉动强度降低。同时发现,涡量区域对应于流场中具有速度梯度的区域,上下涡量区域随着水温的升高减小,涡量值降低。     

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。     

基于SPS-SPH方法的自由表面流动数值模拟

SPS-SPH方法是为了克服经典SPH方法中人工粘性过于分散的缺点,以及克服改进的SPH方法中层流粘性不能准确捕捉湍流流体运动的不足。该方法借鉴大涡模拟方法的思想提出了一个亚粒子尺度(Sub-Particle Scale,简称SPS)涡粘性项并将它附加在Morris的层流粘性项之后。分别采用SPS-SPH方法和经典SPH方法对2D溃坝问题进行数值模拟并与实验数据进行了比较,结果表明,SPS-SPH方法的计算结果比经典SPH方法更加接近实验结果,该方法合理可靠,能够应用于数值模拟自由表面流动的相关问题。将SPS-SPH方法进一步运用于求解二维和三维典型自由表面流动问题,计算结果表明,SPS-SPH方法对于自由表面流动的数值模拟问题具有较高的精确度,对解决此类问题有较大的参考价值。     

具有自由液面效应的圆柱绕流三维数值模拟

基于计算流体力学软件CFX、应用RNG k-ε湍流模型、结合流体体积法(VOF法)模拟均匀流场中半沉浸三维圆柱运动,分析自由液面对圆柱尾迹以及圆柱表面水动力特征参数的影响。结果表明:在自由液面流场中,雷诺数较高时,自由液面对流场流动的影响较小;而雷诺数一定时,自由液面对流场的影响随着傅汝德数的增加而增加;在自由液面作用下,圆柱的时均阻力系数和时均压力系数随流场的傅汝德数和雷诺数的增加而减小。     

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。     

平板上直立有限长圆柱的涡街特性分析

文中以平板上直立的有限长圆柱为研究对象,通过数值模拟的方法,研究其绕流场的特性.通过大涡模拟的数值方法研究了高度-直径之比（以下简称长细比）为7,雷诺数为6×10^4时有限长圆柱的绕流场.文中通过采用高精度三维结构网格,求解稳态流场,模拟了圆柱顶部的尾拖涡带和流动的下洗现象;通过求解非稳态流场,模拟了涡的脱落、涡在尾流中的演化过程及下洗涡与卡门涡的相互作用.文中的模拟结果很好的反映了各个涡的结构和演化特性,与试验结果吻合较好.     

基于SPH流体仿真的船模阻力试验过程的虚拟展现

通过求解RANS方程计算船体周围粘性边界层,同时结合VOF方法处理自由表面,能够获得带自由表面的船体周围稳态粘性流场,但是难于比拟拖曳水池模型试验得到连续变化的流场,该文提出采用SPH流体仿真方法模拟船模阻力试验中自由表面及流场的生成与演化,并借助三维交互式图形显示技术实现试验过程的虚拟展现,最后以DTMB 5415船模试验加以例证。     

三维有限长圆柱绕流数值模拟

[目的]为探究有限长圆柱绕流的流动机理和特性,[方法]采用大涡模拟(LES)数值模型并结合涡识别方法,对三维有限长圆柱绕流进行数值模拟,并对有限长圆柱绕流进行验证和分析。[结果]模拟结果表明,有限长圆柱回流区相对较短,自由端的下洗作用会扰乱卡门涡街,导致阻力系数损失;相对于固定壁面,自由端面对顺流向速度影响更大;自由端面"蘑菇"涡成对出现,且存在2个流动源点;有限长圆柱流场存在更明显的三维特性,阻力系数更小;圆柱自由端后存在梢涡,圆柱与固定壁面交界处存在"马蹄"涡。[结论]所得结果可对有限长圆柱的流动特性进行相对全面的描述,对于理解和研究有限长圆柱绕流机理具有一定的参考价值。     

半开式径向叶轮上游预旋流动研究

叶轮进口上游的预旋流动是影响流体机械水力及空化性能的重要因素,主要采用粒子成像测速（PIV）技术对半开式径向叶轮上游的预旋流动进行试验研究。通过对比不同转速和流量工况下的PIV试验结果,发现在叶轮上游吸入管内均存在与叶轮旋转方向一致的预旋流动,且偏离设计工况越远、距离叶轮越近、其预旋速度相应也越大。同时,叶轮旋转的影响还可通过流道向上游传播,继而在吸入管内诱导产生涡量场。因此,有必要基于RANS方程组及RNG k-ε湍流模型进行叶轮全流道三维湍流流场的数值模拟。结合试验和数值模拟的结果,可发现吸入管内部预旋流动主要为沿旋转方向的周向流动,而沿半径方向的径向流动很小,且径向速度在数值上要比周向速度小一个量级。     

机翼湍流尾流Tr-PIV测量分析

采用Tr-PIV(Time-resolved Particle Image Velocimetry)技术对机翼湍流尾流场的非定常现象进行了测量分析。试验获得了流场瞬时速度场的基本结构演化、流场的湍流强度分布、涡量场、雷诺应力场以及湍流空间相关系数;通过功率谱分析对速度场进行了相位分解,获取了相位平均下的湍流积分尺度。基于泰勒冻结假设及采用以时代空的方法获得了湍流时间积分尺度,同时直接采用速度场空间相关方法获得湍流空间积分尺度,并对二者作了比较分析,讨论了该假设的适用性。