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曲壁面两相流的简单扩散界面浸没边界法

空气动力学学报 2023年第8期41卷 97-106,I0002页

作者：周锦翔肖鸿威 ADNAN Khan 牛小东汕头大学工学院汕头515063 汕头大学智能制造技术教育部重点实验室汕头515063

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... 详细信息

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。

关键词：湿润边界条件格子玻尔兹曼方法两相流曲边界浸没边界法

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基于高阶间断伽辽金数值方法的浸没边界法

空气动力学学报 2023年第9期41卷 96-106页

作者：王婷婷吕宏强安慰南京航空航天大学航空学院南京210016

为了降低复杂边界条件下贴体网格生成难度,近年来基于笛卡尔网格的浸没边界法逐渐成为研究此类问题的主要数值方法之一,然而计算精度和计算效率仍然是此类方法目前面临的挑战。与传统的空间2阶精度的有限体积格式相比,空间精度为3阶或3... 详细信息

为了降低复杂边界条件下贴体网格生成难度,近年来基于笛卡尔网格的浸没边界法逐渐成为研究此类问题的主要数值方法之一,然而计算精度和计算效率仍然是此类方法目前面临的挑战。与传统的空间2阶精度的有限体积格式相比,空间精度为3阶或3阶以上的高精度方法具有空间精度高、数值分辨率高、数值耗散小的优点,而作为高精度数值方法之一的间断伽辽金方法在浸没边界方面的应用仍较少。本文将高阶间断伽辽金方法的高精度优势与浸没边界法无需贴体网格的优势结合起来,提出了适用于可压缩流动的高精度浸没边界法。其中边界条件采用体积惩罚方式实现,同时采用牛顿法迭代以及MPI并行提高计算效率,物面的数据重建采用插值点处的逆距离权重(IDW-IP)方法代替高阶格式下多项式插值方法。本文基于笛卡尔网格测试验证了二维定常和非定常情况下的数值模拟效果,并与传统贴体网格的计算结果进行了对比。

关键词：浸没边界法间断伽辽金体积惩罚界面函数数据重建

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基于浸没边界法的壁面凸起对仿生鱼游动影响的研究

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海洋工程 2023年

作者：张仲毅户大勇张军焦艳梅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工业大学数理科学学院

流体流经壁面凸起后在壁面凸起的后方产生周期性脱落的尾涡，尾涡内流场复杂。当尾涡继续流动流经游动中的仿生鱼时，仿生鱼的水动力系数也随之发生剧烈变化。基于多重直接力浸没边界法，结合狄拉克函数，通过求解不可压缩Navier-Stokes... 详细信息

流体流经壁面凸起后在壁面凸起的后方产生周期性脱落的尾涡，尾涡内流场复杂。当尾涡继续流动流经游动中的仿生鱼时，仿生鱼的水动力系数也随之发生剧烈变化。基于多重直接力浸没边界法，结合狄拉克函数，通过求解不可压缩Navier-Stokes（N-S）无量纲方程，对低雷诺数情况下的仿生鱼游动过程进行无量纲化数值模拟研究。为了验证算法和自主开发程序的准确性，对圆柱绕流和NACA0012外形鱼体游动流场进行了验证算例计算，计算结果与文献结果吻合较好，验证了算法和程序的有效性。在此基础上，研究固壁半圆形凸起对仿生鱼游动水动力系数的影响，计算结果表明：1）当仿生鱼距壁面较近时（d = 0.25L），仿生鱼受到远离壁面方向的侧向力和顺时针方向力矩，当仿生鱼距壁面较远时（d = 1.25L），仿生鱼受到指向壁面的侧向力和逆时针方向力矩，总体而言，壁面凸起使得仿生鱼更容易在与壁面有一定距离的高度区间内游动。2）壁面凸起对仿生鱼游动起到了一定减阻作用。

关键词：仿生鱼游动近壁效应浸没边界法数值模拟

基于浸没边界法的液压锥阀启闭过程及空化的研究

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基于浸没边界法的液压锥阀启闭过程及空化的研究

作者：马壮兰州理工大学

学位级别：硕士

锥阀作为液压元件中常用的阀之一,在实际使用中有着阀口处液压油流动方向突变小、流场分布均匀和便于生产制造等优点,因而在液压技术中得到了广泛应用。在锥阀启闭过程中,阀口处流道形状较为复杂,这会促使阀口处产生空化,从而对液压系... 详细信息

锥阀作为液压元件中常用的阀之一,在实际使用中有着阀口处液压油流动方向突变小、流场分布均匀和便于生产制造等优点,因而在液压技术中得到了广泛应用。在锥阀启闭过程中,阀口处流道形状较为复杂,这会促使阀口处产生空化,从而对液压系统的稳定性和可靠性产生不利影响。锥阀启闭时,阀口处空化的产生与溃灭十分迅速,实验研究需借助高速摄像机进行拍摄记录。虽然实验研究可以解释空化流动的部分机理,但是对于空化流动的复杂性还有待深入研究,数值模拟研究可以在一定程度上弥补实验研究的局限性。浸没边界法凭借着对复杂边界处理的独特优势,在数值模拟研究中得到了广泛应用。浸没边界法可以弥补传统贴体动网格在运动幅度过大时造成网格变形程度较大进而影响计算的准确度甚至无法进行计算的技术缺陷。鉴于目前各大主流商业软件如Simcenter STAR-CCM+和ANSYS Fluent等对浸没边界法支撑不足,本文提出将浸没边界法应用到液压锥阀启闭过程及空化的问题中,并基于Open FOAM开源仿真平台开发出应用浸没边界法的两相空化流动求解器,在液压锥阀启闭过程及空化的问题中尝试了浸没边界法且有较好的计算效果,同时也为国产CFD做出贡献。通过求解器对锥阀开启和关闭的两种空化问题进行计算并与实验进行对比验证,最终验证了求解器的可靠性。通过本文开发的应用浸没边界法的两相空化流动求解器对锥阀开启和关闭时的空化情况从速度、压力和空化云图三个方面对其进行了分析,得出了阀芯启闭时空化产生的原因。此外,本文还对不同进口压力、不同回油背压和不同阀芯运动速度对液压阀口空化的影响进行了拓展研究。研究发现开阀时的空化是因为阀口处高速射流所导致的射流空化,关阀时的空化是由于液压油惯性导致的二次空化。阀芯启闭时进口压力的升高和阀芯运动速度的变大会促进阀口处空化的产生;回油背压的变大会抑制阀口处空化的产生。应用浸没边界法对液压锥阀启闭过程及空化的问题进行数值模拟研究证明了浸没边界法可以弥补传统动网格的技术缺陷,以及对于此类问题的适用性和可行性。通过对液压锥阀启闭过程中的空化产生原因以及不同条件对阀口空化的影响进行研究,为锥阀在工程上提升综合性能提供了相关的理论依据。

关键词：锥阀启闭浸没边界法阀口空化 OpenFOAM 数值模拟

浸没边界法中计算颗粒悬浮流动受力的映射算法

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浸没边界法中计算颗粒悬浮流动受力的映射算法

第十二届全国流体力学学术会议

作者：李世军潘君华倪明玖中国科学院大学工程科学学院

浸没边界法已经广泛用于模拟颗粒悬浮流动。颗粒悬浮流动中所涉及的粒子形状通常是简单的几何形状,例如球体和椭球体,流场中的颗粒可以方便地使用三角形网格离散。在通过积分计算粒子表面上的水动力,其中一个重要步骤是寻找颗粒表面外... 详细信息

浸没边界法已经广泛用于模拟颗粒悬浮流动。颗粒悬浮流动中所涉及的粒子形状通常是简单的几何形状,例如球体和椭球体,流场中的颗粒可以方便地使用三角形网格离散。在通过积分计算粒子表面上的水动力,其中一个重要步骤是寻找颗粒表面外的投影点距离颗粒表面最近的三角形网格(最近表面点计算),当粒子数量和表面网格的分辨率增加时,此过程是十分耗时的。在本文中,开发了一种简单、稳健且快速的映射算法,用于加速最近表面点计算从而高效计算颗粒表面的水动力。映射算法包括建立颗粒表面网格的加密关系以及通过加密关系直接映射得到距离当前投影点的最近三角面网格。测试案例表明,本映射算法在计算粒子表面力时具有良好的准确性和效率。

关键词：浸没边界法颗粒悬浮流动水动力计算三角面网格生成映射算法

基于改进虚拟单元浸没边界法的椭圆气动噪声问题

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航空学报 2023年第19期44卷 96-111页

作者：张阳罗佳奇曾先浙江大学航空航天学院杭州310027

气动噪声的准确数值模拟对于研究航空发动机中叶片绕流噪声和涡声共振现象具有重要的意义。提出了一种基于局部边界加密的改进虚拟单元浸没边界法,将其与高精度有限差分算法相结合,成功实现了对低雷诺数气动声场问题的直接数值求解。该... 详细信息

气动噪声的准确数值模拟对于研究航空发动机中叶片绕流噪声和涡声共振现象具有重要的意义。提出了一种基于局部边界加密的改进虚拟单元浸没边界法,将其与高精度有限差分算法相结合,成功实现了对低雷诺数气动声场问题的直接数值求解。该浸没边界法的改进之处在于通过在虚拟点之间构造多个中间节点,并依据边界条件建立流体域内镜像点与固体域内中间点之间的关系,使得固壁边界的离散程度相比原来大为增加,这样起到对固壁边界局部加密的作用,从而使得边界的描述更为准确。通过对低雷诺数下圆柱绕流气动噪声问题的数值验证,表明所提出方法得到的升阻力特性、尾迹脱落涡演化以及近远场噪声传播特性与文献结果吻合较好,气动声场的计算精度得到了提高。对比研究了不同纵横比对椭圆绕流气动声源产生和噪声传播规律的影响,发现尾迹脱落涡交替排列并向下游演化,所形成的噪声场关于长轴线呈对称分布,其流动模式和声场特征与圆柱绕流类似,但其升阻力脉动以及噪声强度明显小于圆柱算例。进一步地,通过声压分解发现偶极子声源对整体噪声强度的贡献比重随着纵横比减小而下降,进而尾迹中单极子和四极子声源的贡献比重上升,直接导致了噪声传播方向向上游偏转。

关键词：浸没边界法直接数值模拟椭圆尾迹涡噪声

一种应用于弯曲壁面两相流的简单扩散界面浸没边界法

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一种应用于弯曲壁面两相流的简单扩散界面浸没边界法

第十二届全国流体力学学术会议

作者：牛小东周锦翔肖鸿威汕头大学工学院机械工程系汕头大学工学院机械工程系智能制造技术重点实验室

本文针对在弯曲边界上的两相流问题,提出了一种简单的扩散界面浸没边界法。在此方法中,静止和移动曲边界的湿润边界条件也可以像平面边界那样处理。该方法的主要思想是通过考虑添加两层虚拟拉格朗日网格点来插值进而得到实际的曲边界。... 详细信息

本文针对在弯曲边界上的两相流问题,提出了一种简单的扩散界面浸没边界法。在此方法中,静止和移动曲边界的湿润边界条件也可以像平面边界那样处理。该方法的主要思想是通过考虑添加两层虚拟拉格朗日网格点来插值进而得到实际的曲边界。该方案实施简单,能够适应静止曲边界和复杂的运动曲边界,具有良好的精度和质量守恒性。在此基础上,我们提出了一种格子玻尔兹曼方法(LBM)框架。为了验证该方法的有效性,对几个两相流动问题进行了数值模拟。我们将数值计算结果与理论和实验结果进行了比较,结果表明该方法能够简单、高效地模拟曲面上的两相流动,具有较高的精度和质量守恒性。

关键词：湿润边界条件格子玻尔兹曼方法两相流曲边界浸没边界法

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一种基于局部网格修正的湍流浸没边界法

一种基于局部网格修正的湍流浸没边界法

第十二届全国流体力学学术会议

作者：徐云成中国农业大学水利与土木工程学院流体机械与流体工程系清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室

传统的浸没边界法可以分为弥散界面法、明锐界面法以及切网格法,本研究将借鉴切网格法和明锐界面法,在OpenFOAM平台上,基于有限体积法以及非结构网格,开发一种基于局部网格修正的湍流浸没边界法。该方法根据对浸没边界附近的网格节点进... 详细信息

传统的浸没边界法可以分为弥散界面法、明锐界面法以及切网格法,本研究将借鉴切网格法和明锐界面法,在OpenFOAM平台上,基于有限体积法以及非结构网格,开发一种基于局部网格修正的湍流浸没边界法。该方法根据对浸没边界附近的网格节点进行虚拟移动,并通过二点壁面函数有效地改善了近壁面区域的流动模拟的准确性。通过平板流动和NACA0012翼形绕流两个经典算例的验证,结果显示该方法能较好地预测近壁面流场和壁面剪切力。

关键词：浸没边界法不可压湍流壁面模型有限体积法 RANS

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二维轴对称的浸没边界法

二维轴对称的浸没边界法

第十二届全国流体力学学术会议

作者：蔡政刚潘君华倪明玖中国科学院大学工程科学学院磁流体力学实验室

颗粒碰撞在电磁冶金等相关领域中是普遍存在的现象,我们通过理论分析得到流向磁场下小球近壁水动力阻力表达式,为了通过数值模拟验证流向磁场下的小球近壁阻力模型,为此本文提出了一种基于2D笛卡尔网格和柱坐标系的轴对称浸没边界法。... 详细信息

颗粒碰撞在电磁冶金等相关领域中是普遍存在的现象,我们通过理论分析得到流向磁场下小球近壁水动力阻力表达式,为了通过数值模拟验证流向磁场下的小球近壁阻力模型,为此本文提出了一种基于2D笛卡尔网格和柱坐标系的轴对称浸没边界法。该算法采用有限体积法(FVM)对动量方程进行空间离散,并通过阶梯状锐利界面替代真实的固体浸没边界来封闭控制方程。为了提高计算效率,本文采用自适应网格加密技术提高浸没边界附近网格分辨率。由于柱坐标系的使用,使得动量方程中的粘性项产生多余的源项,我们对其作隐式处理。此外,在对小球匀速近壁运动进行直接数值模拟时,由于球壁间隙很小,间隙内的压力变化比较剧烈。因此想要精确地解析流场需要很高的网格分辨率。此时,需要在一个时间步内多次实施投影步来保证计算的稳定性。而在小球自由碰壁运动中,我们通过引入一个润滑力模型使得低网格分辨率下也能模拟小球近壁处的运动。最后通过小球和圆盘绕流、Stokes流小球近壁运动以及小球自由下落碰壁弹跳算例验证本算法对于轴对称流的静边界和动边界问题均是适用和准确的。

关键词：轴对称 2D网格浸没边界法球壁碰撞