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柱体绕流的cip方法模拟

哈尔滨工程大学学报 2016年第3期37卷 297-305页

作者：赵西增付英男张大可浙江大学海洋学院浙江杭州310058 国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室浙江杭州310012

柱体绕流和流致振动现象是一个复杂的工程问题,利用自主研发的cip-ZJU模型,对低雷诺数(Re<300)圆柱和方柱绕流问题开展了数值模拟。模型在直角坐标系统下建立,采用紧致插值曲线cip方法作为流场的基本求解器离散了Navier-Stokes方程,基... 详细信息

柱体绕流和流致振动现象是一个复杂的工程问题,利用自主研发的cip-ZJU模型,对低雷诺数(Recip方法作为流场的基本求解器离散了Navier-Stokes方程,基于多相流的理论实现流-固耦合同步求解,利用浸入边界方法处理固体边界。模拟结果与文献结果进行比较,二者吻合情况较好。通过引入压力阻力项和摩擦阻力项,分析了Strouhal数、阻力系数、升力系数等参数随雷诺数的变化情况。结果表明,圆柱绕流与方柱绕流在水动力参数的变化规律上存在多处差异。

关键词：柱体绕流 cip方法 Navier-Stokes方程浸入边界法 Strouhal数

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基于cip方法的液滴冲击薄膜数值模拟

水动力学研究与进展（A辑） 2015年第3期30卷 265-271页

作者：叶洲腾赵西增王兴刚浙江大学海洋学院杭州310058 南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室南京210029

该文基于自主研发的气-液二相流数学模型开展了液滴冲击液膜的数值模拟,采用紧致插值曲线(cip;constrained interpolation profile)方法离散Naiver-Stokes方程,完成速度-压力场的求解,并分析了速度场、压力场随时间变化的过程。采用VOF/... 详细信息

该文基于自主研发的气-液二相流数学模型开展了液滴冲击液膜的数值模拟,采用紧致插值曲线(cip;constrained interpolation profile)方法离散Naiver-Stokes方程,完成速度-压力场的求解,并分析了速度场、压力场随时间变化的过程。采用VOF/WLIC(volume of fluid/weighed line interface calculation)方法重构了自由面,并与SOLA-VOF方法及cip方法得到的自由面进行比较,验证VOF/WLIC方法对于液滴冲击液膜问题的适用性。通过调整气、液二相流的黏度比值,分析比较了不同黏度比值对模拟结果的影响。结果表明,cip方法可精准重现液滴冲击过程中的复杂自由面流动现象。

关键词：液滴冲击 cip方法二相流 VOF/WLIC方法自由面流动

液面冲击引起液滴飞溅问题的cip方法数值模拟

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计算物理 2016年第1期33卷 39-48页

作者：赵西增叶洲腾浙江大学海洋学院杭州310058 卫星海洋环境动力学国家重点实验室国家海洋局第二海洋研究所南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室南京210029

利用自主研发的cip-ZJU(Constrained Interpolation Profile Method in Zhejiang University)高精度数学模型研究强非线性自由表面流动问题.模型在直角坐标系统下建立,采用紧致插值曲线cip方法作为流场的基本求解器,通过多相流的方式实... 详细信息

利用自主研发的cip-ZJU(Constrained Interpolation Profile Method in Zhejiang University)高精度数学模型研究强非线性自由表面流动问题.模型在直角坐标系统下建立,采用紧致插值曲线cip方法作为流场的基本求解器,通过多相流的方式实现固-液-气耦合同步求解,采用平衡格式的VOF(VOF/WLIC:Volume of Fluid/Weighted Line Interface Calculation)自由面捕捉方法改进了原模型,利用浸入边界方法处理运动物体.利用改进的cip模型开展了不同类型的物体冲击液面引起的液滴飞溅现象的数值模拟,重点分析液滴飞溅过程中的自由液面变形、作用荷载和物体位置等.通过数值结果与实验结果的比较验证模型的可靠性.结果表明:平衡格式的VOF自由面捕捉方法能更精确地重构自由面,本文的数学模型可精确预测强非线性自由表面流动问题.

关键词：液滴飞溅物体入水 VOF方法 cip方法流固耦合

cip方法在矿用车制动系统中气流脉动的应用研究

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CIP方法在矿用车制动系统中气流脉动的应用研究

作者：高旭内蒙古科技大学

学位级别：硕士

矿用车作为工业运输领域的血脉在我国有着举足轻重的作用,其制动系统的好坏是衡量矿用车性能的重要指标,它不仅关乎于企业的效益,而且更是与驾驶者的生命安全息息相关。在不同工况下,矿用车的气动制动系统产生气流脉动的现象是不可避免... 详细信息

矿用车作为工业运输领域的血脉在我国有着举足轻重的作用,其制动系统的好坏是衡量矿用车性能的重要指标,它不仅关乎于企业的效益,而且更是与驾驶者的生命安全息息相关。在不同工况下,矿用车的气动制动系统产生气流脉动的现象是不可避免的,气流脉动现象是导致矿用车制动力不足的主要因素之一。为了提高矿用车的使用寿命,则对产生气流脉动时管路精度的研究就显得尤为重要。由于气柱在管路内流动过程中具有可压缩性和热传导性等特点,建立气体动力学数学模型时,需要考虑这些因素以提高管路的计算精度。与此同时,在利用传统差分格式分析管路的过程中所产生网格间梯度过大的问题会使管路的研究精度降低。因此,提高管路的研究精度不仅需要考虑气柱的流动特点,同时还要找到一种更加合适的分析方法。cip方法是液流模拟计算中较为成熟的算法之一,该方法被广泛的应用于液体内部交叉问题的研究。由于cip方法具有很高的计算精度,于是现将该方法代替传统差分格式应用于气动管路气柱的研究中,cip方法不仅可以降低计算过程中的数值耗散,而且相比传统差分格式稳定性更强。本文通过将矿用车气动制动系统进行逐步简化,并对各管路连接的子回路部分进行了具体的介绍。利用小孔流量特性近似管路方程的虚拟边界条件,将迎风差分格式、中心差分格式和Lax-Wendroff格式三种传统差分格式进行对比分析后,选择出精度较好、稳定性较强的迎风差分格式。通过对cip方法原理的阐述、数学模型的建立和管路中压力、密度和温度与时间关系的拟合度分析,证明cip方法可以应用于气动管路中。通过气柱固有频率的计算和有限差分波动方程的建立,将cip方法进一步应用于管路气流脉动的研究中。将快速傅里叶变换和相对误差的可信度分析作为研究前提,选取20m五组不同管路长度进行数值计算,通过对固有频率的比值偏移量进行分析后,将传统气柱固有频率范围由(0.8.2)f稳定调整为(0.8241.2241)f。通过cip方法在矿用车气动制动系统中气流脉动的应用研究,为cip方法在气体领域的应用提供了理论依据。

关键词：管路精度气流脉动 cip方法固有频率

紧致型cip方法数值模拟非线性波的传播(英文)

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中国科学技术大学学报 2009年第3期39卷 233-240,270页

作者：郭彦刘儒勋中国科学技术大学数学系安徽合肥230026

结合cip方法和高阶紧致方法,提出了紧致型cip方法,并利用该方法对非线性波进行数值模拟.该种方法采用小模板得到高精度的格式,通过3个算例可以看出其优越性.

关键词： HOC方法 cip方法紧致型cip方法非线性波

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基于cip方法的孤立波爬坡问题数值模拟

江苏科技大学学报（自然科学版） 2017年第5期31卷 592-596页

作者：陈勇赵西增 HUANG Zhenhua 浙江大学海洋学院舟山316021 Department of Ocean and Resources Engineering School of Ocean and Earth Science and TechnologyUniversity of Hawaii at Manoa

基于自主研发的紧致插值曲线cip方法的数学模型,研究孤立波在大陆架上传播及冲击爬升海岸峭壁的数值模拟.在立面二维直角坐标下建立模型,采用高阶差分cip方法作为流场的基本求解器,利用分步算法离散Navier-Stokes方程,通过多相流理论描... 详细信息

基于自主研发的紧致插值曲线cip方法的数学模型,研究孤立波在大陆架上传播及冲击爬升海岸峭壁的数值模拟.在立面二维直角坐标下建立模型,采用高阶差分cip方法作为流场的基本求解器,利用分步算法离散Navier-Stokes方程,通过多相流理论描述固-液-气之间的相互作用,采用流体体积法(volume of fluid,VOF)类型的具有高精度、紧致的系数权重双曲正切(tangent of hyperbola for interface capturing with slope weighting,THINC-SW)方法改进传统的数学模型,重构了自由面采用浸入边界法(immersed boundary method,IBM)计算固-液边界,避免按照地形边界建立贴边网格的问题.研究孤立波在峭壁前的波形演变及在峭壁上的爬坡高度,比较不同的大陆架水平长度和不同海岸峭壁坡度对孤立波爬高峰值的大小及出现时间的影响,分析孤立波冲击爬坡时的压力分布,为不同海岸地形采取相适应的波浪防护措施提供理论及数据支持.

关键词： cip方法数学模型孤立波大陆架海啸波爬高

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基于cip方法的流固耦合模型及其应用

基于CIP方法的流固耦合模型及其应用

作者：段松长浙江大学

学位级别：硕士

在恶劣海况下,海洋结构物会因波流作用而出现鞭振和弹振等复杂的水弹性现象,水体的冲击荷载或循环荷载,会引起结构物的受损甚至失稳。水弹性问题中涉及结构大变形及液体的破碎、飞溅、融合等复杂现象,具有很强的非线性,难以用解析法求... 详细信息

在恶劣海况下,海洋结构物会因波流作用而出现鞭振和弹振等复杂的水弹性现象,水体的冲击荷载或循环荷载,会引起结构物的受损甚至失稳。水弹性问题中涉及结构大变形及液体的破碎、飞溅、融合等复杂现象,具有很强的非线性,难以用解析法求解。试验研究成本高、耗时长,对实验仪器要求高、测量难度大,数值模拟成为求解此问题的重要手段。有限差分-有限元耦合方法既可在固定网格下有效捕捉水质点的剧烈变化,避免网格畸变,又能高精度地求解固体域和构造复杂边界,在模拟流固耦合问题方面具有独特优势,其难点在于流固求解器的耦合处理。本研究拟通过引入基于虚拟单元的浸入边界法构建流固耦合模型,并将其应用于相关水弹性问题的研究。首先,对流固两相求解器进行介绍。流场求解采用基于cip（Constrained Interpolation Profile）方法的有限差分粘性流模型,该模型在求解流场时具有计算速度快、精度高的特点,使用流体体积分数法捕捉自由面;结构求解采用有限元法,使用共旋坐标法和纽马克法处理结构非线性变形和动力响应。将自编程的结构求解器用于分析悬臂梁在静、动荷载下的变形响应,验证结构求解器在求解结构大变形问题方面的求解精度。随后,引入基于虚拟单元的浸入边界法耦合流固两相求解器,通过虚拟单元识别流固交界面。虚拟单元信息通过“六点插值”法赋值,满足流固交界面处的无滑移及不可“穿透”边界条件。将本文的有限差分-有限元耦合模型用于“弹性板在时变水压作用下的变形”及“液舱晃荡中弹性挡板和流体的相互作用”算例的模拟,验证其在分析流体和弹性结构相互作用方面的可行性和求解精度。最后,采用本文的有限差分-有限元耦合模型开展“弹性分流板抑涡性能”的研究和“弹性竖直消波板消波性能”的研究。对于前者,研究发现,相比刚性分流板,弹性分流板可降低柱体阻力和涡脱频率,但会使柱体升力增加。在特定刚度下,随着板长的增加,分流板的振动会出现“一阶模态”和“二阶模态”。对于后者,研究发现,竖直消波板的相对板长对消波性能的影响较大;同一板长下刚性板的消波性能优于弹性板。

关键词：计算流体力学 VOF方法有限单元法虚拟单元法 cip方法

基于cip方法振荡柱体绕流二维数值模拟研究

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基于CIP方法振荡柱体绕流二维数值模拟研究

作者：付英男浙江大学

学位级别：硕士

柱体绕流是一个复杂的工程问题,它涉及多种科学难题,如紊流、流动分离和涡脱等。准确计算出流体对柱体结构的作用荷载、涡脱频率以及锁定模态,具有重要的科学价值和工程意义。本文以柱体绕流为主要议题,着重研究了流向强迫振荡柱体绕流... 详细信息

柱体绕流是一个复杂的工程问题,它涉及多种科学难题,如紊流、流动分离和涡脱等。准确计算出流体对柱体结构的作用荷载、涡脱频率以及锁定模态,具有重要的科学价值和工程意义。本文以柱体绕流为主要议题,着重研究了流向强迫振荡柱体绕流的水动力特性,其中涉及到主动流动控制和复杂的流固耦合作用,文中也包含了对静止柱体绕流及串列双柱体绕流问题的数值模拟研究。本文所采用的数值模型在笛卡尔直角坐标系里建立,以Navier-Stokes方程和连续性方程为控制方程,通过cip-ZJU (Constrained Interpolation Profile method in Zhejiang University)差分格式离散对流方程,基于多相流的理论实现流固耦合同步求解,利用浸入边界法处理运动边界。首先对低雷诺数Re(Reynolds Number)下单圆柱和方柱静止绕流进行数值模拟,模拟结果与文献结果进行比较,二者吻合情况较好。通过引入压力阻力项和摩擦阻力项,重点分析Strouhal数、阻力系数、升力系数等参数随雷诺数的变化情况,探讨圆柱和方柱绕流水动力特性的差异。结果表明,在Re≈140时,方柱的分离点由后角点处转移到前角点处,并引起摩擦阻力方向的改变,而圆柱则不存在此现象;方柱绕流中压力阻力项的主导地位要比圆柱绕流中的显著,同时方柱绕流的主波长大于圆柱绕流的主波长。升力的振幅较阻力大一个数量级,且随着Re的增大,方柱振幅的增长速度远大于圆柱。然后,针对振荡柱体绕流建立数学模型,对流向强迫柱体绕流进行数值研究。分析不同振幅、不同振荡频率的振荡柱体绕流的水动力参数规律、涡脱模态以及锁定区间。发现由于振幅和振荡频率的不同,在振荡圆柱绕流和振荡方柱中均可以观察到2T的涡脱模态锁定。当振荡频率处在锁定域内时,升力系数随柱体的振荡运动具有明显的相位锁定,且升力系数和阻力系数均在锁定域内取得极大值。串列双柱体静止绕流的水动力特性相比单柱体静止绕流更加复杂。通过对Re=100,间距比s=L/D=1.5-7.0(L是柱体中心间的距离)的串列双圆柱和双方柱绕流的数值模拟研究,探讨间距对于流场的影响。上下游柱体的涡脱频率相同,且与串列双圆柱绕流相比,串列双方柱绕流的临界距离相对较大。当柱体间距L达到临界距离Lc时,水动力参数将发生跳跃。最后,对Re=100,间距比s=L/D=2.0,串列双圆柱振荡绕流的水动力特性进行数值研究。着重分析上下游柱体升力系数的频谱特性及涡脱模态。研究表明频谱由多个峰值组成：串列双圆柱静止绕流的涡脱频率f0,圆柱的振荡频率fd,谐波频,分数谐波频以及所有上述频率的总和。结果观察到的涡脱S模态与单圆柱振荡绕流相似,同时在锁定域内观察到了2P模态。

关键词： cip方法振荡圆柱浸入边界法柱体绕流锁定域升力系数涡脱

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串列双方柱绕流问题的cip方法模拟

串列双方柱绕流问题的CIP方法模拟