含運動物體三維復(fù)雜流場數(shù)值模擬和尾流結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、論文首先對所使用的數(shù)值方法進行了論述：簡要介紹了高精度分塊耦合算法，此算法是針對不可壓縮粘性流體的，采用任意曲線坐標系下原始變量形式的N-S方程進行描述。對于運動邊界問題，本文引入了任意拉各朗日-歐拉法(ALE)進行處理。差分離散過程中，粘性項采用四階精度的Pade緊致格式，對流項采用三階迎風緊致格式離散，時間上采用四階顯式Runge-Kutta格式離散。作者所做的貢獻是結(jié)合分塊耦合方法的天然粗粒度并行特性，利用MPI函數(shù)庫實現(xiàn)了并行，

2、并且將基于分塊耦合算法子域劃分的任務(wù)分配策略與基于負載平衡的任務(wù)分配策略進行了比較，發(fā)現(xiàn)雖然分塊耦合算法能夠提供天然的任務(wù)分配方案，但卻很難保證各進程上的負載平衡。 另一個計算方法是沉浸邊界法(Immersed Boundary Method)，該方法是基于笛卡兒網(wǎng)格系統(tǒng)的，因此在網(wǎng)格生成上可節(jié)省大量時間，而且可以大大提高計算效率，尤其適合含運動物體的流場求解。本文先歸納了前人在沉浸邊界法上所做的努力，隨后發(fā)展了自己的求解器，先

3、后在交錯網(wǎng)格和非交錯網(wǎng)格上實現(xiàn)了沉浸邊界法，并結(jié)合大渦模擬(LES)對高雷諾數(shù)下的湍流數(shù)值模擬進行了嘗試。 用高精度分塊耦合方法結(jié)合ALE對彈性支撐方柱繞流進行了數(shù)值模擬。模型簡化為“彈簧-阻尼-質(zhì)量”系統(tǒng)，柱體運動采用經(jīng)典龍格-庫塔方法求解。同時模擬了方柱的馳振和渦致振動，捕捉到了馳振到渦致振動的轉(zhuǎn)變，捕獲了渦致振動的“鎖定”、“拍”、“相位開關(guān)”等現(xiàn)象。 對單圓柱繞流尾流三維特性進行了研究，找到了尾流向三維轉(zhuǎn)捩的臨界

4、雷諾數(shù)Re=195，低于這個臨界雷諾數(shù)時，尾流保持二維狀態(tài)，此時的流場數(shù)值模擬可以近似為二維，但當超過這個臨界雷諾數(shù)時，二維求解不再適用。當雷諾數(shù)超過臨界值后，隨著雷諾數(shù)的進一步提高，尾流先后經(jīng)過兩種過渡的三維模態(tài)，這兩種模態(tài)分別被稱作模態(tài)A(Mode A)和模態(tài)B(ModeB)。這兩種轉(zhuǎn)捩區(qū)的模態(tài)有各自不同的特征和物理機制，文中分別進行了研究。在此基礎(chǔ)上，還研究了圓柱的旋轉(zhuǎn)振蕩對尾渦的影響。此研究是在Re=260下進行的，這個雷諾數(shù)下

5、的圓柱尾流處在Mode B的狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，當旋轉(zhuǎn)振蕩的振幅足夠大時，能將尾流帶回二維狀態(tài)。 對串列雙圓柱繞流三維特性進行了研究。從兩個不同方面進行了分析： 首先是固定雷諾數(shù)Re=220而改變上下游圓柱之間的間距(1.5≤L/D<8)，研究表明，當L/D≤3.5時，尾流呈現(xiàn)二維狀態(tài)，而當L/D≥4時，尾流向三維轉(zhuǎn)捩。據(jù)此可以判斷臨界間距存在于區(qū)間3.5≤L/D≤4；其次，將間距固定在L/D=3.5，來研究此間距下出現(xiàn)尾流

6、三維特性的臨界雷諾數(shù)，通過計算得到臨界雷諾數(shù)為Re=250。在這部分的研究中，首次發(fā)現(xiàn)：在一個圓柱尾流場放置另一圓柱可以一定程度上抑制尾流向三維的轉(zhuǎn)捩，從而推遲向湍流的轉(zhuǎn)捩。對置于方形管道里的垂直交叉雙圓柱結(jié)構(gòu)進行了研究，本算例采用高精度分塊耦合方法的并行程序，首先給出了詳細的分塊處理程序，以及內(nèi)部擬邊界、角線和角點的處理。圓柱端部緊貼管道壁面，兩圓柱間距為圓柱直徑的5倍，計算雷諾數(shù)為200。研究發(fā)現(xiàn)，交叉結(jié)構(gòu)的中心流場較復(fù)雜，上游圓柱

7、尾流的規(guī)則卡門渦街被下游圓柱截斷成復(fù)雜的纏繞結(jié)構(gòu)。兩圓柱間的相互影響，以及管壁的影響，形成了流場特殊的渦結(jié)構(gòu)。 對無限長垂直交叉雙圓柱繞流進行了研究，包括兩圓柱都靜止的情況以及下游圓柱強迫振動或渦致振動的情況。對于兩圓柱都靜止的情況，當L/D>3時，下游圓柱對上游圓柱尾流的影響只限定在下游圓柱的尾流所掃過的范圍之內(nèi)；當L/D<3時，下游圓柱對上游圓柱尾流的影響擴大，下游圓柱尾流掃過區(qū)上下出現(xiàn)兩排三維流向二次渦結(jié)構(gòu)。當下游圓柱做強

8、迫振動或渦致振動時，尾流的渦結(jié)構(gòu)和宏觀量都發(fā)生了改變，尤其當下游圓柱彈性固定作渦致振動時，與獨立的圓柱繞流相比，振幅響應(yīng)的幅度降低，共振區(qū)域的帶寬增加。 最后一章提出了用計算流體力學的方法來研究魚群游動的流體動力學性質(zhì)，對一些實驗根本無法實現(xiàn)的內(nèi)容進行了探索性的研究，例如：巡游狀態(tài)下，特定隊形對游動推進效率的影響。從前人觀察得到的菱形編隊中抽出三條魚組成的基本單元，當一條魚位于另外兩條魚中間的下游區(qū)域時，如果處于加速巡游狀態(tài)，則