低速下水滴撞击固体表面运动模拟

以水滴撞击飞机部件造成结冰问题为背景,运用level set界面追踪方法,把不可压黏性方程组中的表面张力用level set函数表示,并利用2阶变密度投影算法求解二维不可压Navier-Stokes方程组,数值模拟了低速下的水气界面追踪问题.为了能够处理密度比为1000的水气界面问题,在界面处引入了一定宽度的光滑过渡带宽,进而消除了由于界面两边大密度比引起的数值震荡,由此较为成功地模拟了大水滴在不同表面张力时撞击平板后的形态变化及其运动轨迹.数值实验结果表明本算法可以有效地处理界面处密度比和黏性很大的不可压多相流问题.考虑界面处的表面张力,本算法可模拟不同表面张力下的界面运动变化.      

曲壁面两相流的简单扩散界面浸没边界法

针对在欧拉-拉格朗日网格框架下曲边界上的两相流润湿边界条件实施问题，本文提出了一种简单扩散界面浸没边界法。在此方法的框架下，静止和移动曲边界的湿润边界条件都可以采用平板边界方式处理。在该方法中，我们在实际边界内外一个拉格朗日网格间距处添加了两层虚拟贴体拉格朗日网格，并通过插值得到三层拉格朗日点上的序参数，从而得到实际的曲边界润湿条件。该方案实施思路简单，不仅适用于静止曲边界，还适用于复杂的运动曲边界。为了验证该方法的有效性，本文在广义守恒相场格子玻尔兹曼方法（LBM）框架下，模拟了静态液滴在圆柱上的铺展、动态液滴撞击圆柱、圆柱在水池中沉降三个问题。结果表明该方法能够有效地模拟曲面上的两相流动，具有良好的精度、鲁棒性和质量守恒性。     

气液两相流混合模型代数重构方法

为提高国家数值风洞工程气液两相流软件混合模型求解器的自由界面模拟分辨率，增强多介质流体界面问题的模拟能力，基于代数重构方法，应用双曲正切函数界面捕捉格式对体积分数进行了插值重构，实现两相流混合模型与自由界面代数重构方法的耦合，抑制原混合模型下自由界面的非物理耗散现象，保持界面清晰尖锐；引入预处理技术，解决低速流动中由于特征值量级差距导致的计算刚性问题，提高收敛速度；应用双时间进行非定常时间推进。最后，采用方块对流、Zalesak盘刚性旋转和溃坝算例进行考核验证，数值结果显示，耦合了双曲正切函数界面捕捉格式的两相流混合模型在保持质量守恒的同时，获得了更高的自由界面分辨率，以及更丰富的多相流动细节。     

基于四叉树网格下的浸入边界-格子Boltzmann方法

提出了一种基于非均匀四叉树网格下的浸入边界-格子Boltzmann方法.在不同层网格界面上,为了保证物理量的连续性,需要在时空方向上进行插值.由于四叉树同层网格在空间上步长相等、且相邻时间层上时间步长相等,所以在时空方向上采用平均值插值,这样做的优点是时空方向插值既可以达到二阶精度,又可以简化计算过程,节省资源,对任意边界加密下的网格,格子Boltzmann方法的实现比较容易.为了充分利用均匀笛卡尔网格的优势,物面边界的处理采用了速度修正法,与传统浸入边界-格子Boltzmann方法中的直接力法、动量交换法相比,无滑移边界条件得到了较好的保证.同时,把大涡模型加入到浸入边界-格子Boltzmann方法中,实现了在四叉树网格数据结构、边界处理技术、大涡模拟几种模型相结合下,绕障碍物的较大雷诺数流动的模拟.通过不可压缩粘性流中圆柱绕流算例验证,结果与其它方法结果吻合良好.     

大涡模拟超声速两相流混合层的非线性分析

为研究超声速两相流混合机理,采用大涡模拟(LES)方法数值仿真了超声速混合层内液滴两相流流场结构.用二维盒式滤波法处理可压缩气相N-S方程,得到亚格子形式的LES控制方程;用轨道模型仿真液滴运动,并用单液滴蒸发模型模拟液滴蒸发过程.利用伪邻近法和互信息量法确定了相空间重构的嵌入维数和时间延迟,对混合层压力时间序列进行了相空间重构.分析了仿真结果中混合层的涡结构特性和液滴对流场的反作用效果,并讨论了混合层失稳过程的非线性特征.发现混合层发展的不同阶段与其系统的非线性特征值密切相关.      

基于格子Boltzmann方法的方通道湍流的大涡模拟

基于格子Boltzmann方程的大涡模拟方法,对以摩擦速度、方通道水利直径为特征尺度,雷诺数为300的直方通道内湍流流动进行数值计算.利用多松弛时间格子Boltzmann方法来模拟流场的流动,切应力改善亚格子应力模型来模化滤波后的非封闭项.将模化后的亚格子应力与格子Boltzmann方法中的松弛时间相关联,使得松弛时间当地化,从而能够准确地模拟湍流.对湍流的平均流向速度、平均二次流速度以表征湍流强度的均方根速度以及不同截面流向瞬时涡做了计算和评估.计算结果与直接数值模拟、实验数据相吻合,证明了格子Boltzmann方法在计算通道湍流中的精度.      

含转动非平衡效应Boltzmann模型方程统一算法与跨流域绕流问题模拟研究

通过对转动自由度松弛变化特性的研究,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,利用分子总角动量守恒作为一个新的碰撞不变量,确立含转动非平衡效应各流域统一的Boltzmann模型方程。基于转动能量空间对分布函数进行守恒积分,得到计及转动非平衡效应的分子速度分布函数控制方程组,应用气体分子运动论离散速度坐标法对速度分布函数方程所依赖的速度空间离散降维,构造直接求解分子速度分布函数的气体动理论统一格式。基于物面质量流量通量守恒与能量平衡关系,发展计及转动非平衡影响的气体分子运动论边界条件数学模型及数值处理方法。由此提出模拟高稀薄自由分子流到连续流各流域转动非平衡效应的Boltzmann模型方程统一算法。通过对高、低不同马赫数1.5≤Ms≤25考虑转动非平衡效应的氮气激波结构与不同Knudsen数9×10-4≤Kn!≤10再入竖直平板、Ramp制动器、尖双锥外形跨流域高超声速绕流问题模拟研究,将计算结果与有关实验数据、广义退化Boltzmann与ES椭球统计模型等研究结果对比分析,验证含转动非平衡效应Boltzmann模型方程统一算法求解自由分子流到连续流跨流域绕流问题可靠性。     

颗粒分布对绕流的影响

通过改进的格子Boltzmann方法对二维单颗粒绕流过程进行数值模拟，获得单颗粒分布在不同位置时出流速度的大小。同时，结合遗传算法与模拟退火算法导出遗传模拟退火算法，并将之用于优化颗粒分布，最终获得出流速度最小的单颗粒分布。所给数值算例验证了方法的有效性和可靠性。     

超声速气流中液体喷雾流动数值模拟研究

超声速气流中液体喷雾流动特性对超声速燃烧基础研究及其工程应用具有重要意义。为了定量探索超声速气流中液体横向射流雾化特性，本文对超声速气流中液体喷雾流动进行了数值模拟研究。数值模拟方法基于Eulerian-Lagrangian两相流计算架构，考虑气液双向耦合，采用KH/RT液滴二次破碎模型计算液滴雾化过程，采用大涡模拟计算气相流动。结果表明，该数值模拟方法所获得的液雾场突起结构、穿透高度、液滴平均速度分布等液雾特性均能与试验结果较符合；初始液滴直径分布对破碎后液滴平均速度影响较小而对破碎后液滴平均直径及液相平均体积分数影响较大，初始液滴直径分布需在后续的建模与模拟中进行更多研究。     

气泡和液滴在上升或下降时大变形的数值模拟

本文在考虑界面张力的条件下用涡片方法导出了二维无粘气泡和液滴在另一种静止无粘流体中上升或下降时运动和变形的支配方程，提出了求解支配方程的数值方法，并在数值模拟的例子中研究了空气泡和煤油滴在水中上升时及水滴在煤油中下降时的变形规律，研究了数值模拟中界面张力对界面形状的影响，气泡上升的数值模拟结果与相应的试验结果基本一致。数值模拟结果表明本方法可正确模拟饣泡和液滴在上升或下降过程中的大变形，直到界面发     

旋转槽道湍流的格子Boltzmann方法模拟

基于多松弛格子Boltzmann方法的大涡模拟对雷诺数为194,旋转数从0~5.0的旋转槽道湍流进行数值模拟.采用动态亚格子应力模型模化滤波后的不封闭项,修正二阶矩作用力模型计算压力梯度、哥氏力.对平均速度、均方根脉动速度、雷诺应力以及湍流结构进行了计算.结果显示哥氏力使流场平均速度呈现不对称性:在压力面,随着旋转数的增加,湍流度增强;而在吸力面湍流脉动减弱,具有层流化的趋势.将格子Boltzmann模型与直接数值模拟求解进行对比,结果验证了格子Boltzmann方法在旋转湍流模拟中的可行性.      

航天控制力矩陀螺的润滑系统研究

为了提高航天器控制力矩陀螺的使用寿命,提出一种可按需喷油润滑的润滑系统.润滑系统由储油器和基于按需喷墨(DOD)打印技术的压电润滑装置组成.为了解决润滑油液滴喷射过程中在液气两相流体界间连续拓扑变化问题,采用流体体积算法中的分段线性界面构造技术分析两相界面间的运动.基于两相流体积算法,利用计算机仿真方法对润滑油液滴喷射...     

超声速气流中液滴破碎的大涡模拟

为了研究超声速气流中的液滴破碎过程,采用基于CLSVOF界面追踪方法的大涡模拟方法。该方法中用可压流和不可压流求解器分别计算超声速气流流场和液体流场,并且在分别计算气相或液相时,另一相作为该相计算时的边界条件参与计算,从而实现可压流求解器和不可压求解的融合。通过去散度化液体速度外推解决界面处大液气密度比所带来的动量误差大的问题。利用该方法对来流Ma=1.358的超声速气流中的水滴破碎进行了数值模拟。模拟结果展示了超声速气流中液滴破碎的几何结构变化细节和基本破碎形态,且与实验吻合较好。数值模拟结果揭示了Rayleigh-Taylor不稳定和气动剪切力对液滴破碎的作用过程。破碎过程中,液滴在垂直来流方向上的最大无量纲宽度(Dmax/D0)约为4.5,无量纲破碎时间(tbU∞/D0)约为29.85。     

超声速混合层液滴两相流动的大涡模拟

为研究超声速气流中液滴与气流的混合及液滴蒸发对混合的影响,采用大涡模拟(LES)方法数值仿真了超声速混合层内液滴两相流流场结构,气相流场采用亚格子(SGS)模型和切应力输运(k-ωSST)湍流模型,液相模拟采用轨道模型和单液滴蒸发模型。在混合层前缘入口处均匀持续地投放液滴,并在液滴入口处下方添加非周期小扰动,并观察液滴蒸发过程对该小扰动造成的影响。分析了入口小扰动在流场中不同的发展情况,发现液滴的蒸发过程使混合层厚度增加并加速混合层的发展,对气相流场扰动较强,可能导致流动失稳,对混合过程有很大的促进作用。     

SLAU格式在大涡模拟方法中的应用

采用格心格式的有限体积法求解三维大涡模拟控制方程,成功地将最新改进的SLAU格式推广到大涡数值模拟方法中。SLAU格式的空间重构方式采用五阶WENO格式,时间推进采用LU-SGS隐式时间推进。湍流模式为最新提出的基于随机分析的动态亚格子模型。计算了圆柱绕流、NACA4412翼型绕流、NACA0012翼型绕流三个算例,分别从可压缩较大迎角翼型绕流、可压缩跨音速翼型绕流以及不可压缩低马赫数圆柱绕流三个方面验证了将SLAU格式应用到湍流大涡数值模拟计算中的可行性。结果表明,结合SLAU格式的大涡模拟方法可以达到较好的数值模拟效果,同时间接检验了基于随机分析的动态亚格子模型的数值模拟效果。     

一种改进的浸入运动边界算法

浸入运动边界是数值处理流固耦合作用的主要方法之一，其原始权重函数根据经验确定且形式固定，难以准确地定量描述复杂的流固现象。本文提出了一种新的权重函数对格子Boltzmann方法框架下的浸入运动边界进行修正，通过假定零固含率处的权重因子多阶导数为0，引入可调参数b增强权重函数对固含率的关联，实现了对固体边界渗透性能的改进。对静止圆柱绕流、Taylor-Couette流和振动圆柱绕流3个算例开展数值实验，结果表明：随着雷诺数的增加，原始权重函数预测的升阻力系数均高于文献结果，严重低估了边界处流体组分的作用；当新权重函数中的参数b为3时，改进的浸入运动边界效果最佳；新权重函数增强了固体边界的渗透率，提高了流场的预测精度，使平均误差降低了38.5%；最后，运用新权重函数成功地复现了振动圆柱绕流的锁频现象，表明改进的浸入运动边界在处理复杂的流固耦合问题方面具有广阔的应用前景。     

二维流热耦合数值模拟程序及方法研究

本文发展了一套二维流热耦合数值模拟程序,流体域中采用结构化网格,固体域中采用非结构化网格,流体域和固体域耦合面上的网格为非匹配连接。为了使该程序能够同时模拟低速不可压流动,程序中还加入了预处理方法。此外,本文还发展了一种能较好保持通量守恒的界面插值技术,来处理流体域和固体域耦合面上的非匹配网格。数值计算结果与实验值或商业软件结果的对比表明:本程序中的预处理方法有效地改善了低速不可压流动下的计算收敛性和收敛精度,使本程序能够同时模拟高速和低速不可压流动;扩压器和叶栅的流热耦合计算表明本文程序在流热耦合计算方面具有较好的模拟能力,同时也表明本文发展的界面插值技术的可靠性。     

室火轰燃的大涡模拟

采用一套修正的适用于低马赫数浮力流的N-S方程组来描述火灾场,运用Smagorinsky亚格子模型的大涡模拟方法对室内池火的轰燃发展过程进行了数值模拟,把模拟与实验结果进行了对比和分析。结果表明,该方法能较好地预测轰燃。同时模拟结果显示火焰区向房间后部偏转稍大,近壁处温度预测的误差大一些,随着亚格子模型的不断完善和计算能力的提高,用该技术来预测轰燃现象会更加准确。     

轴承腔油气两相流数值模拟的试验验证

为探索一种适于模拟轴承腔油气两相流流动特性的数值计算模型,建立了一套简化结构的轴承腔试验装置,通过试验研究获得了不同工况对轴承腔通风口出气比例和回油口滑油温升的影响规律.应用Fluent软件,采用Mixture多相流模型和Eulerian多相流模型分别搭配标准k-ε湍流模型和RNG(renormalization group) k-ε湍流模型对选定试验工况进行数值模拟.对比结果表明:当转速为2200r/min时,使用Mixture多相流模型搭配RNG k-ε湍流模型计算的滑油温升与试验值的相对误差仅为2.72%,体现了该计算模型在高转速时的精确性,并在此基础上获得了油气两相流速度场、压力场和温度场的分布特征.      

离心压气机S1流面流场的计算

本文对计算轴流压气机 S1流面的流函数矩阵解法的计算机程序作了修改,使之能适合于计算离心压气机的 S1流面。本方法是引入人工密度,积分运动方程求速度场,而后求密度场,进行迭代求解,计算速度非常迅速。对离心压气机的几个算例表明:只要不发生明显分离,计算结果与实验值是符合的。