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浸没边界方法在翼型绕流大涡模拟中的应用研究

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水力发电学报 2011年第4期30卷 202-207页

作者：李延频周兵华北水利水电学院电力学院郑州450011 国家知识产权局专利审查协作中心北京100190

本文首先给出了有限体积数值离散中,采用双线性速度插值的直接强迫力浸没边界方法的数值实现公式推导;采用该方法对翼型绕流进行了大涡数值模拟的初步研究,大涡模拟的亚格子应力采用基于Germano等式和尺度相似假设的SDP动力模式,模拟结... 详细信息

本文首先给出了有限体积数值离散中,采用双线性速度插值的直接强迫力浸没边界方法的数值实现公式推导;采用该方法对翼型绕流进行了大涡数值模拟的初步研究,大涡模拟的亚格子应力采用基于Germano等式和尺度相似假设的SDP动力模式,模拟结果与文献的DNS结果一致,表明SDP模式于本文的浸没边界方法的结合可以实现对复杂流动的精确模拟。

关键词：计算流体力学浸没边界方法大涡模拟翼型绕流

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浸没边界方法在微型泵中的应用研究

水力发电学报 2011年第2期30卷 133-137页

作者：李延频李小芹周兵南海鹏西安理工大学水利水电学院西安710048 华北水利水电学院电力学院郑州450011 中国农业大学水利与土木工程学院北京100083 国家知识产权局专利审查协作中心北京100190

本文给出了有限体积数值离散中,采用双线性速度插值的直接强迫力浸没边界方法的数值实现公式推导;该方法对微小型泵内部流动的数值模拟结果与试验数据一致;使用该方法研究了泵顶部的平板长度对泵的流动特性的影响,发现平板附近的进口涡... 详细信息

本文给出了有限体积数值离散中,采用双线性速度插值的直接强迫力浸没边界方法的数值实现公式推导;该方法对微小型泵内部流动的数值模拟结果与试验数据一致;使用该方法研究了泵顶部的平板长度对泵的流动特性的影响,发现平板附近的进口涡对流动的阻隔作用是影响泵流量的重要因素,在平板的相对长度为4的情况下,进口涡的阻隔作用最小,此时可以得到泵的最大流量。

关键词：水力机械微型泵浸没边界方法

基于隐式扩散的直接力格式浸没边界格子Boltzmann方法

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力学学报 2022年第1期54卷 94-105页

作者：佟莹夏健陈龙薛浩天南京航空航天大学航空学院非定常空气动力学与流动控制工业和信息化部重点实验室南京210016

采用浸没边界格子Boltzmann (immersed boundary-lattice Boltzmann, IB-LB)模型执行动边界绕流数值模拟时,信息交互界面和边界力计算格式直接影响流动求解器的数值精度和计算效率.基于隐式扩散界面,一种改进的直接力格式IB-LB模型被提... 详细信息

采用浸没边界格子Boltzmann (immersed boundary-lattice Boltzmann, IB-LB)模型执行动边界绕流数值模拟时,信息交互界面和边界力计算格式直接影响流动求解器的数值精度和计算效率.基于隐式扩散界面,一种改进的直接力格式IB-LB模型被提出.边界力表达式基于欧拉/拉格朗日变量同一性准则推导,转换矩阵描述的信息交互界面耦合了拉格朗日节点间的非同步运动.采用Richardson迭代数值求解关联边界力与无滑移速度约束的线性方程组,不仅克服了传统速度修正格式中矩阵求逆引起的计算效率问题,而且摆脱了算法稳定性对拉格朗日点分布的依赖.根据解析解已知的Taylor-Green涡流评估本文模型的数值模拟精度,结果表明改进的IB模型能够完整保留背景LB模型的二阶数值精度.静止圆柱和振荡圆柱绕流数值实验结果表明,当前模型在涉及复杂外形和运动界面的流动模拟中能够提供可靠的数值预测,满足力同一性的IB-LB模型能够有效抑制非定常流体力的伪物理震荡.波动翼型绕流模拟验证了当前模型的实用性,可在大变形柔性体流固耦合动力学问题中进一步推广.

关键词：格子Boltzmann方法浸没边界方法隐式扩散界面直接力格式可变形运动边界

一种基于修正壁模型的大涡模拟-浸没边界混合方法

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一种基于修正壁模型的大涡模拟-浸没边界混合方法

第十届全国流体力学学术会议

作者：马明黄伟希许春晓崔桂香清华大学航天航空学院工程力学系

浸没边界方法是复杂运动边界流动模拟的常用方法,而基于壁模型的大涡模拟则被广泛应用于高雷诺数壁湍流问题,二者结合可以成为一种实际工程流动模拟的有力工具。本研究提出了一种基于壁模型的大涡模拟和浸没边界混合方法,可用于处理高... 详细信息

浸没边界方法是复杂运动边界流动模拟的常用方法,而基于壁模型的大涡模拟则被广泛应用于高雷诺数壁湍流问题,二者结合可以成为一种实际工程流动模拟的有力工具。本研究提出了一种基于壁模型的大涡模拟和浸没边界混合方法,可用于处理高雷诺数情况下复杂运动边界的流动问题。通过对壁面附近亚格子粘性系数进行修正,将壁面对流场结构的影响带入到浸没边界附近的流场中,从而实现了浸没边界方法与壁模型的耦合。作为验证,采用本方法对槽道湍流和波形壁湍流开展模拟,并将结果与文献数据以及基于贴体网格的精细分辨大涡模拟进行了对比。进一步,考察了网格密度、网格长宽比、雷诺数、亚格子粘性系数动力修正以及壁模型区域衔接高度对平均速度剖面、脉动速度分布以及壁面阻力预测的影响。

关键词：浸没边界方法大涡模拟壁模型复杂运动边界高雷诺数湍流

来源： cnki会议评论

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浸没边界投影方法研究

浸没边界投影方法研究

北京力学会第二十三届学术年会

作者：李茹杨谢春梅黄伟希许春晓清华大学工程力学系

本文提出一种改进的基于原始变量的浸没边界投影方法,其中压力和动量力分别作为拉格朗日算子来满足流场的不可压条件和浸没边界处的不可滑移条件。相较于原始的浸没边界投影方法,我们采用两步近似分解,实现了压力、动量力与速度之间的... 详细信息

本文提出一种改进的基于原始变量的浸没边界投影方法,其中压力和动量力分别作为拉格朗日算子来满足流场的不可压条件和浸没边界处的不可滑移条件。相较于原始的浸没边界投影方法,我们采用两步近似分解,实现了压力、动量力与速度之间的解耦求解。这种方法不仅能大大提高计算效率,同时只需在原有程序的基础上做小幅改动,成本较低,时间和空间精度均介于一阶和二阶之间。利用一些典型的二维和三维流动问题对本方法进行了验证,并通过三维蜻蜓模型在流场中飞行的算例验证了本方法在模拟实际复杂流动问题方面的能力。

关键词：浸没边界方法投影方法近似分解昆虫飞行

来源： cnki会议评论

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合成射流对层流状态下圆柱辐射噪声的影响

物理学报 2023年第4期72卷 150-160页

作者：宋健任峰胡海豹陈效鹏西北工业大学航海学院西安710072

主动流动控制是降低流动噪声的新型途径,近年来吸引了研究者的广泛关注.利用二维格林函数,推导得到了忽略四极子影响的声比拟方程的二维时域解.在此基础之上,基于格子Boltzmann方法为核心的流场求解器以及声比拟方程为核心的声场求解器... 详细信息

主动流动控制是降低流动噪声的新型途径,近年来吸引了研究者的广泛关注.利用二维格林函数,推导得到了忽略四极子影响的声比拟方程的二维时域解.在此基础之上,基于格子Boltzmann方法为核心的流场求解器以及声比拟方程为核心的声场求解器,在低雷诺数(Re=100)下,开展了合成射流频率和相位差对圆柱绕流近壁流场和声辐射远场影响的数值模拟研究.结果表明,在利用合成射流减小圆柱阻力时,出现了两种频率锁定状态,且远场辐射噪声会发生明显变化.提高射流频率或减小相位差会增强射流的自噪声,导致远场辐射声压进一步增大,并使得指向性由偶极子类型转变为单极子类型.在各个控制参数组合下,远场的总辐射噪声增加,与未施加控制时相比声功率增加了4到18 dB,同时,阻力方向的噪声始终增强.本研究可为探索低辐射噪声的合成射流控制策略提供参考数据.

关键词：格子Boltzmann方法浸没边界方法主动流动控制流噪声

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粗糙元取向对湍流统计量影响的数值研究

空气动力学学报 2023年第4期41卷 73-83,I0002页

作者：李世隆杨晓雷袁先旭郭启龙中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所绵阳621000 空气动力学国家重点实验室绵阳621000

采用直接数值模拟方法研究了椭球体粗糙元取向对粗糙壁槽道湍流统计量的影响,其中,粗糙元几何采用清晰界面浸没边界方法直接解析。考虑了四种不同粗糙元取向的粗糙壁,包括随机取向、垂直放置、朝下游倾斜45°、朝上游倾斜45°,对于每种... 详细信息

采用直接数值模拟方法研究了椭球体粗糙元取向对粗糙壁槽道湍流统计量的影响,其中,粗糙元几何采用清晰界面浸没边界方法直接解析。考虑了四种不同粗糙元取向的粗糙壁,包括随机取向、垂直放置、朝下游倾斜45°、朝上游倾斜45°,对于每种取向选取三种不同粗糙元间距。模拟结果显示:粗糙元取向对湍流统计量有显著影响;对于小粗糙元间距(l=2.0r,其中r为椭球体的最短半轴长),“随机取向”粗糙壁的砂粒粗糙度长度(k_(s))大于其他粗糙壁;对于大粗糙元间距(l=2.8r、3.5r),“垂直放置”粗糙壁的k_(s)最大;“朝下游倾斜45°”和“朝上游倾斜45°”粗糙壁的k_(s)值和雷诺正应力(以壁面摩擦速度无量纲化)基本相同,并且其流向雷诺正应力远高于其他粗糙壁。另一方面,“朝下游倾斜45°”粗糙壁的流向分散应力高于“朝上游倾斜45°”粗糙壁;垂向和横向分散应力远小于流向分散应力,其中“随机取向”粗糙壁的垂向和横向分散应力幅值最高.

关键词：椭球粗糙元粗糙元取向直接数值模拟浸没边界方法粗糙壁湍流

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双自由度子母管线涡激振动数值研究

哈尔滨工程大学学报 2021年第5期42卷 729-737页

作者：蒋昌波徐进屈科长沙理工大学水利工程学院湖南长沙410114 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室湖南长沙410114 洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室湖南长沙410114

为了研究双自由度子母管线周围的绕流特征,本文采用高精度浸没边界方法模拟了不同布置条件下双自由度子母管线的涡激振动特性,探讨子母管线质量比、间距比、空隙比和角度对子母管线低雷诺数振动特性及水动力的影响。结果表明:随着子母... 详细信息

为了研究双自由度子母管线周围的绕流特征,本文采用高精度浸没边界方法模拟了不同布置条件下双自由度子母管线的涡激振动特性,探讨子母管线质量比、间距比、空隙比和角度对子母管线低雷诺数振动特性及水动力的影响。结果表明:随着子母管线的质量比和间距比的增大,管线涡激振动的最大振幅逐渐减小,发生锁定的区间也变窄。不同角度对子母管线涡激振动的抑制作用不同,子管与母管并列时对子母管线涡激振动的抑制作用更强。另外通过对流向和横向耦合振动的分析可发现,低质量比时流向振动对横向振动的振幅和频率影响较大,而高质量比时这种影响相对较小。

关键词：浸没边界方法子母管线双自由度涡激振动流固耦合锁定区间雷诺数数值模拟

前后排列柔性细丝在黏性流体中自主推进的稳定形态及动力学机制

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科学通报 2017年第19期62卷 2094-2103页

作者：谢春梅黄伟希清华大学工程力学系北京100084

鱼类集群运动行为蕴含着复杂的水动力学机制.针对一种简化的鱼类集群运动模型,利用浸没边界方法对黏性流体中做自主推进运动的两个前后排列柔性细丝进行数值模拟,对其稳定运动时的排列形态以及相应的涡相互作用模态开展研究.为保证进行... 详细信息

鱼类集群运动行为蕴含着复杂的水动力学机制.针对一种简化的鱼类集群运动模型,利用浸没边界方法对黏性流体中做自主推进运动的两个前后排列柔性细丝进行数值模拟,对其稳定运动时的排列形态以及相应的涡相互作用模态开展研究.为保证进行长时间的自主推进运动,本文将流体和固体运动方程写在非惯性系下,通过基于投影思想的隐式动量力实现流固耦合,避免了自主推进运动对计算域尺寸要求过大的问题,可以有效节省计算量.通过改变前后细丝的初始水平间距和垂向偏移距离,发现了3种稳定排列形态:远距离前后排列、近距离前后排列和并行排列.对于远距离前后排列形态,后排细丝受垂向偏移距离的影响较小,始终会穿过前排细丝脱落的涡;对于近距离前后排列形态,前排细丝表面的剪切层在脱落成涡之前和后排细丝表面的剪切层合并,脱落成较强的涡,推进速度较快,前后细丝的运动和受力会有一定的相位差;当垂向偏移距离增大,后排细丝受前排细丝的影响减小,最终稳定于并行排列同步运动,上下细丝两侧的同号剪切层合并脱落成较强的涡,但由于迎风面积增大而推进速度变慢.

关键词：自主推进柔性细丝鱼类聚集运动浸没边界方法非惯性系稳定排列形态涡相互作用