一种求解低速跨流域流固耦合问题的离散统一气体动理学格式

运动边界及流固耦合问题是低速及高速、连续流域及稀薄流域流动中常面临的多场耦合问题。本文在原始离散统一气体动理学格式基础上，采用任意拉格朗日-欧拉方法及动网格技术，并耦合计算结构动力学，实现适用于低速流动运动边界及流固耦合问题的计算方法。在方法验证方面，进行连续流域圆柱绕流强迫振动和自由振动数值模拟，计算结果与参考文献结果吻合良好，准确捕捉圆柱在锁频区和非锁频区的流动特性。在稀薄流域范围，将方法中的连续流D2Q9离散速度模型替换成跨流域离散速度模型，对比低速圆柱绕流强迫振动算例在两种离散速度模型下的数值结果。虽主要关注低速流动问题，但发展的算法仍具备模拟高超声速运动边界问题的能力，对此进行了Ma=5.0稀薄流振动圆柱研究。低速和高速运动边界模拟能力显示了方法在考虑稀薄气体效应流固耦合问题方面的潜在应用价值。     

基于浸入边界法的低雷诺数流固耦合数值模拟(英文)

提出一种基于SIMPLE算法的非定常流固耦合计算方法。流体Navier-Stokes方程空间采用非结构化网格有限体积法离散,时间项采用了欧拉隐式方法。利用浸入式边界方法模拟静止或者运动固体区域,流固界面作用力通过流体体积(VOF)方法进行处理。从而可以用固定网格求解任意复杂区域中的流固耦合作用。本文模拟了低雷诺数静止及振荡圆柱绕流,所得结果与文献中贴体网格计算结果吻合,从而验证了本文方法的合理性和正确性。     

基于深度神经网络的含运动边界非定常流场预测方法研究

针对飞行器设计过程中对流固耦合系统快速预测的需求,探索基于数据驱动的非定常流场建模策略,缩短流场演化求解耗时,从而加快流固耦合系统模拟速度。流固耦合系统中流场演化求解部分等价于含运动边界的非定常流场演化。本文提出了一种基于神经网络的流场预测模型,来学习并预测运动边界附近的非定常流场演化过程。此神经网络可以基于当前流场状态及边界运动信息预测出下一个时刻的流场状态。通过不同振动频率及振幅下的运动圆柱绕流问题,测试了本文提出的神经网络模型的预测精度及泛化能力。神经网络的预测结果和计算流体力学仿真结果中流场结构吻合度较高,且通过对预测的流场数据中边界上的压力积分得到的气动力也具有较高的精度。测试结果展示了该神经网络模型具有良好的预测性能,因此该方法可以用于快速、准确获得运动边界周围非定常流场状态。     

含运动边界二维多体干扰流场的数值模拟

本文采用二阶精度Godonov扩展方法求解非定常：Euler方程，以基于格心的自适应非结构网格的显式有限体积法为基础，空间和时间都是二阶精度，使用HLLC近似黎曼解的方法计算网格单元边界处的守恒量通量，对作俯仰振动的NACA0012翼型绕流及激波管中运动、静止圆柱的流场进行了数值模拟，并对数值模拟的结果进行了分析，为进一步对含多体分离流场进行数值模拟打下了基础。     

浸入边界法模拟小圆柱对主圆柱涡脱落的抑制

使用浸入边界法研究了小圆柱对主圆柱涡脱落的抑制.方法中使用非贴体笛儿尔网格,易于处理包含复杂边界的流动问题.采用离散附加力直接加入边界条件方法对虚单元进行重构,使边界条件在浸入边界上精确满足.使用隐式分步法解二维非定常不可压Navier-Stokes方程,通过速度和压力解耦提高计算效率.数值模拟单圆柱绕流及不同位置小圆柱和主圆柱的流动干扰,通过分析流场涡结构和升、阻力系数,得到小圆柱对主圆柱涡脱落的延迟和抑制作用.计算结果与已有实验结论和数值结果对比,计算误差不超过5%,说明浸入边界法可以简单有效地处理圆柱涡脱落抑制这类流动干扰问题.     

一种包含运动边界的高精度流场数值计算方法

为了准确快速地模拟运动边界的流场,提出一种反馈力源形式的包含运动边界的非定常流场数值计算方法。该方法采用完全正交的网格,以反馈力源作用点的运动来模拟边界的运动。采用物理量及其各阶导数在边界两侧的突跃修正中心差分格式,使之达到二阶精度,以此离散求解二维不可压Navier-Stokes方程。并且提出了与运动边界相适应的反馈力源构造方法及对边界上速度进行插值的方法。基于此数值计算方法,对低雷诺数的圆柱绕流、静止流体中的振荡圆柱以及昆虫振翅运动的二维非定常流场进行了数值计算,计算结果与以往的数值及实验结果非常吻合,表明本文方法与Peskin的浸入式边界方法在处理运动边界问题时具有同样的高效率,且精度高于浸入式边界方法。     

基于浸润边界-格子波尔兹曼通量求解器的柔性结构流固耦合数值模拟

浸润边界-格子玻尔兹曼通量求解器(Immersed Boundary-Lattice Boltzmann Flux Solver,IB-LBFS)在处理复杂动态边界流动中具有计算精度高和灵活性强的特点,可应用于柔性体流固耦合数值模拟中。本文对IB-LBFS进行了算法效率上的优化改进,设计和实现了并行计算能力,使之可求解具有较大规模网格的流动问题,且通过旋转球体的绕流计算进行了验证。在此基础上,通过应用基于绝对节点坐标法的柔性结构动力学方法,与IB-LBFS结合,建立了可处理大变形柔性结构的流固耦合问题的数值模拟平台,通过旗帜摆动问题和固支板受流体载荷的弯曲变形问题验证并实现了大变形柔性结构的流固耦合高效仿真。     

基于浸入式边界法的振荡转子叶片数值模拟

对于流固耦合问题,传统的数值模拟方法由于需要不断的网格重构使得问题变得复杂,本文通过利用浸入式边界法建立了在单一坐标系和网格下求解振荡转子叶片的快速计算模型,从而避免了传统方法中由于需要不断地重构贴体网格造成的数值模拟的复杂性。为了验证该方法的正确性,分别对低KC(Keulegan-Carpenter)数下的振荡圆柱和两自由度振荡圆柱进行了数值模拟,计算结果与以往的试验结果和数值结果吻合得很好,证明了浸入式边界方法的可靠性。在此基础上,对振荡转子叶片进行了数值模拟。结果表明折合速度和叶栅稠度是影响振荡转子叶片的重要因素。并且,值得注意的是这种耦合过程并没有生成贴体网格,因此大大减小了计算时间,这样可以更加快速、准确地模拟真实的叶栅流动情况。     

一种适合迭代求解的反馈力浸入边界法

对Goldstein提出的反馈力浸入边界法进行了新的思考，改进了其对力源项的计算，拓展了该浸入边界法的使用范围。传统的反馈力浸入边界法在进行力源项的计算时，含有对速度误差的时间积分项，只能用于含时间项的Navier-Stokes （N-S）方程的求解，且在显式时间推进时有严格的时间步长限制。本文改进的方法则直接通过迭代过程中的速度误差求和来计算力源项，避免了时间相关的参数，使其不仅能适合非定常隐式时间推进，还能与不含时间项的定常N-S方程求解方法结合。为了验证改进方法的可靠性，对二维静止圆柱绕流、静止流体中的振荡圆柱、运动椭圆翼以及三维静止圆球的流场进行了计算，计算结果均与文献结果符合较好，表明本文改进的方法是有效的。得出的结论为：可以直接基于迭代次数进行反馈力源项的计算，改进的反馈力浸入边界法不仅可与非定常N-S方程结合，进行隐式求解，还可以与定常N-S方程结合用于定常流动的模拟，可将改进的方法运用到更多的流动问题当中。     

任意运动变形边界流场测量PIV算法的研究：薄膜涡激振动

提出了一种精确测量任意运动变形边界流场的粒子图像速度场PIV算法,能智能识别强流固耦合问题流场测量中任意运动变形的边界信息,然后生成贴体自适应的图像互相关计算窗口,计算获取运动变形边界附近的速度场数据。这一算法可大大提高任意运动边界附近流场的测量精度,为流固耦合问题的理论分析和数值计算验证提供可靠的高质量实验数据。针对数字合成给定流场的粒子图像序列,采用所发展的PIV算法对粒子图像区域中的运动变形边界进行了精确识别,高质量地复现了原始流场信息。最后,对低速闭式循环水洞中的钝体尾流柔性薄膜涡激振动现象进行了PIV实验测量,获得了柔性薄膜大变形运动状态下的瞬态流场特征。     

非紧致气动噪声半空间传播基本解的边界积分方法

为了获得低马赫数流动诱发的非紧致气动噪声在半空间内传播的基本解,结合复等效源方法和边界元方法建立了半空间精确格林函数的边界积分方程,当半空间边界为刚度型阻抗边界时可避免奇异性积分。同时基于等效源方法提出一种半空间二维非紧致圆柱声散射模型,推导了静止介质中声散射基本解的理论表达式。对静止介质中的二维圆柱声散射,数值解在研究的频率与观察点处与理论解一致。采用数值方法计算二维圆柱绕流诱发的半空间声场基本解,结果显示半空间边界强化了声源的声辐射能力,小于马赫数0.2的介质运动对声传播的影响可以忽略。     

一种边界非协调数值方法

研究了一种边界非协调的数值方法。该方法的提出是为了能够方便的求解复杂的运动边界绕流问题。空间上采用Galerkin有限体积空间离散格式。数值离散中,网格点分为内部计算点、IB点和外点三种类型。其中临近物面的IB点在嵌入物面边界条件时起到了作用,其流动变量值则是通过流场内解的线性插值获得。时间推进上采用结合人工压缩项的双时间步推进格式。静止和振荡圆柱不可压绕流的数值实验初步验证了本文方法的可靠性和准确性。     

垂直交叉双圆柱绕流强迫振动数值模拟

采用虚拟体法数值模拟了平面单圆柱绕流强迫振动,以及空间垂直交叉双圆柱绕流下游圆柱强迫振动流场。验证了单圆柱强迫振动中的锁定状态以及相位突变现象,从而证实了该数值方法模拟振动流场的可靠性。研究了在雷诺数Re=150、间距为5倍圆柱直径、下游圆柱按正弦曲线振动时,对尾流场的影响。下游圆柱两端尾流场在振动的作用下,涡的横向间距增大,而中心尾流场由于受上游圆柱尾流的影响而保持原先的状态。下游圆柱在锁定区的振动使尾流场变得稳定,表现在流向二次涡结构的减少,以及尾流场的速度场频谱趋向单一化。     

压气机叶片流固耦合数值计算

采用流固耦合方法对压气机单排跨声叶片进行气动弹性数值模拟.首先对压气机流场进行三维定常求解,并与试验结果进行比对.在定常流场分析的基础上,进行流固耦合计算,采用非定常方法分别求解流体域Navier-Stokes(N-S)方程和固体域结构动力学方程.耦合过程中,流体域和固体域在物理边界上进行能量传递.计算结果表明:所采用的流固耦合数值方法用于判断叶轮机械叶片气弹稳定性是可行的,可以得到叶片的瞬态响应,从而判断叶片是否发生颤振.      

考虑地面影响的半空间气动噪声数值计算方法

含非紧致边界的半空间气动噪声问题普遍存在于航空领域,在数值计算过程中不仅要考虑非紧致边界的散射效应,还需要考虑地面对声波的反射。基于Lighthill声模拟理论和广义格林函数方法,引入边界声压积分项和可压缩修正项可以考虑非紧致边界以及流体可压缩性对声波散射的影响。然而在半空间声场的计算过程中,包含沿无限大地面的积分项,为了克服沿地面积分所带来的巨大工作量,根据无穷大平板对声波的反射特性,推导得出频域下基于半空间格林函数的声学积分方程。同时开展了半空间中应力源噪声与圆柱绕流噪声的数值预测与分析,验证了该方法的准确性与高效性。     

带副翼三维机翼绕流的N-S方程解

提出了一种求解带副翼偏转三维机翼绕流的N-S方程计算方法。采用对接分区网格与分区求解算法的结合,有效地求解绕此外形的复杂流动。提出了一种满足通量守恒的内边界耦合条件。数值方法中选用vanLeer分裂格式离散无粘通量项,并构造了一种Limiter函数以保证TVD性质,采用中心差分格式来离散粘性通量项。数值算例表明该方法是求解带操纵面偏转的机翼绕流的有效方法。     

稀薄流到连续流的气体运动论统一算法研究

通过引入碰撞松弛参数和当地平衡态分布函数对BGK模型方程进行修正，确定含流态控制参数的各流域均适用的气体分子速度分布函数简化控制方程。发展和应用离散速度坐标法于气体分子速度空间，利用一套在物理空间和时间上连续而在速度空间离散的分布函数来代替原分布函数对速度空间的连续依赖性。基于非定常时间分裂数值计算方法和无波动、无自由参数的NND耗散格式，建立直接求解气体分子速度分布函数的气体运动论有限差分数值方法。发展可用于速度空间宏观取矩的离散速度数值积分方法，获取物理空间各点的流动参数，由此发展一套能有效模拟各流域三维绕流问题的气体运动论统一算法。研究气体运动论数值算法所适合的并行方案，基于统一算法的HPF并行实现，建立一套能有效模拟不同流域复杂外形体绕流的HPF并行算法软件。通过对不同Knudsen数的一维、二维、三维气体绕流问题进行数值计算表明，计算结果与有关实验数据及其它途径得到的研究结果吻合较好，证实了本文发展的统一算法在求解稀薄流到连续流不同流域复杂绕流问题方面的可行性。     

绕钝体分离流动的非定常数值模拟研究

利用非定常RNGk-ε模型对三种典型的钝体绕流问题进行了研究,这三种流动分别为:方柱绕流、圆柱绕流和绕立方柱流动。研究表明了采用非定常雷诺平均方法可以研究钝体绕流的非定常流动,但所获得的结果各不相同。对于分离角固定的方柱绕流和绕立方柱流动,数值模拟结果和实验以及大涡模拟结果吻合较好,对于分离角不固定的圆柱绕流,随着雷诺数的增加,数值模拟结果和实验结果相差越大,分析认为这是由于壁面模型无法准确预测流动中不固定的分离角所致。改进了绕立方柱流动的模拟方法,采用非定常模拟方法后获得的结果要比定常模拟方法得到的结果有了根本改善。     

复杂几何条件下伴随格林函数的数值求解

为简化气动噪声预测中复杂边界的网格处理,采用计算气动声学(CAA)方法与浸入式边界方法(IBM)相结合数值求解气动噪声预测所需的伴随格林函数.根据伴随格林函数的基本形式,文中设计了特定的圆柱声散射算例,并将数值结果与解析解对比,分析该方法的计算精度,验证了该方法在复杂几何边界条件下伴随格林函数求解中的适用性.最后应用该方法求解了考虑吊挂安装效应的锯齿型喷管喷流剪切层内的伴随格林函数.结果表明:由于喷流剪切层的散射效应,伴随格林函数在喷流内分布不均匀,最大值比最小值高出3倍以上,反映了喷流内不同区域声源对远场噪声贡献的差别,降噪设计可以重点考虑降低格林函数较大区域的声源强度以达到降低噪声的目的.      

亚临界雷诺数圆柱涡致振动的实验研究

近年来，数值模拟结果表明圆柱涡致振动现象可在低至20的亚临界雷诺数下发生，但目前尚无相关实验证明该种现象的存在。本文首先研发了适用于低雷诺数流固耦合实验的旋转水槽，而后在此基础上开展了亚临界雷诺数下圆柱涡致振动实验，分别研究了支撑频率和雷诺数对涡致振动响应的影响。发现圆柱涡致振动存在的最低雷诺数为23，与数值模拟结果接近，证实了亚临界雷诺数涡致振动的存在；另外，发生亚临界涡致振动时，在尾迹区观测到了频率与圆柱振动频率一致的卡门涡脱，说明弹性支撑特性会使得流动稳定性降低，证实了相关数值模拟结果的正确性。