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基于动态混合网格的非定常计算方法及生物外流数值模拟研究

作　者: 常兴华
导　师: 张来平
学　校: 中国空气动力研究与发展中心
专　业: 流体力学
关键词: 混合网格技术非定常流动背景网格数值模拟研究动态混合雷诺数摆动频率流场结构圆柱绕流计算方法
分类号: O357.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

自然界的鱼类、昆虫物种繁多,数量庞大。它们拥有非常强的在水中或空气中的运动能力,令所有的人造水中机器和飞行器望尘莫及。在它们的运动中存在着许多不为人知的奥秘,一直吸引着许许多多流体力学工作者去研究探索。随着计算机技术的飞速发展,数值模拟已经成为流体力学研究中一种非常重要的研究手段。对于生物流体力学而言,由于生物体属自主运动,对其观测试验具有一定的困难,尤其是对于一些非常微小的昆虫,观测难度更大。而数值模拟没有这方面的局限性,它通过与理论分析、观测试验的结合,大大推进了生物流体力学的研究进展。本文的目的就是希望建立一套完善的柔性变形体数值模拟方法,对生物体外流的非定常流动进行数值模拟研究。鱼类、昆虫等生物体的运动是一个强非定常、非线性过程,而且属于不可压缩流范畴。它们的身体除了刚体质点运动外,还会发生柔性变形。因此对生物外流的数值模拟,需要建立合适的动态网格生成方法,并建立有效的不可压缩流非定常计算方法。本文在导师以往建立的基于刚体运动的动态混合网格生成技术的基础上,发展了基于柔性变形体的动态混合网格生成方法:初始的混合网格由贴体四边形网格、外场的Cartesian网格以及中间过渡的三角形网格组成;当物体发生变形时,贴体的四边形网格随着物体的变形而变形,外围的Cartesian网格保持静止,中间的三角形网格通过类“弹簧原理”进行节点松弛或基于“Delaunay背景网格”插值方法进行网格节点的实时调整;当由于变形过大导致网格质量急剧下降甚至网格相交时,局部网格重新生成。基于这种动态混合网格,本文建立了不可压缩流的非定常计算方法,其中采用虚拟压缩技术处理生物外流中不可压缩流计算的刚性问题,并结合双时间步方法用于非定常计算。通过对圆柱绕流、静止流场中的横向振荡圆柱绕流、均匀来流中的纵向振荡圆柱绕流等一些典型定常和非定常算例的数值模拟,验证了本文的动态混合网格生成方法和非定常计算方法的正确性和高效性。为了探讨鱼类的波状摆动中推力的产生机理,本文数值模拟了单个鱼体的巡游运动。通过对不同摆动频率下力学特性和流场结构的比较,分析了推力产生的原因以及摆动频率对推力、功耗以及流场结构的影响。本文还对前、后串列双鱼的巡游进行了数值模拟,通过对不同波速、不同间距以及不同摆动相位差等情况下的数值模拟和分析,探讨了鱼类群游中的有益干扰和不利干扰。最后本文数值模拟了单个小昆虫翼的拍动以及一对昆虫翼的“合拢-打开”机制,通过分析比较,探讨了非定常高升力产生的原因,并分析了“合拢-打开”机制能够增强升力的原因。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
第一章引言  9-16
  1.1 研究背景和意义  9-11
  1.2 动态网格生成技术研究进展  11-13
  1.3 非定常数值计算方法的研究进展  13-14
  1.4 本文的工作  14-16
第二章动态混合网格生成方法  16-30
  2.1 前言  16
  2.2 静态混合网格生成方法  16-20
    2.2.1 矩形结构背景网格  17
    2.2.2 阵面推进法  17-18
    2.2.3 三角形网格优化  18-19
    2.2.4 静态网格生成实例  19-20
  2.3 基于节点松弛的网格变形策略  20-23
    2.3.1 动态混合网格生成实例  21-23
  2.4 基于 Delaunay 背景网格插值的网格变形策略  23-29
    2.4.1 Delaunay 背景网格生成方法  25-26
    2.4.2 动态混合网格生成实例  26-29
  2.5 小结  29-30
第三章非定常不可压缩计算方法  30-44
  3.1 前言  30
  3.2 数值计算方法  30-35
    3.2.1 控制方程  30-31
    3.2.2 空间离散方法  31-32
    3.2.3 动网格下的几何守恒率（GCL）  32
    3.2.4 虚拟压缩方法和时间离散策略  32-34
    3.2.5 边界条件  34-35
  3.3 数值计算方法的验证  35-42
    3.3.1 静止圆柱绕流  35-39
    3.3.2 静止流场中的横向振荡圆柱绕流  39-42
    3.3.3 均匀来流中的纵向振荡圆柱绕流  42
  3.4 小结  42-44
第四章单鱼巡游的数值模拟  44-53
  4.1 前言  44
  4.2 计算条件  44
  4.3 鱼体受力和游动功耗的定义  44-46
  4.4 网格收敛性比较  46
  4.5 计算结果分析  46-52
    4.5.1 不同行波速度下的力和功率  46-49
    4.5.2 不同行波速度下的流场结构  49-52
  4.6 小结  52-53
第五章双鱼串列巡游数值模拟  53-66
  5.1 前言  53
  5.2 计算网格和计算条件  53-54
  5.3 计算结果分析  54-65
    5.3.1 行波速度的影响  54-58
    5.3.2 前后间距的影响  58-62
    5.3.3 相位差的影响  62-65
  5.4 小结  65-66
第六章小昆虫扑翼的数值模拟  66-78
  6.1 前言  66
  6.2 昆虫翼的运动方式  66-68
    6.2.1 “上挥-下拍”机制  66-67
    6.2.2 “Weis-Fogh”机制  67-68
  6.3 算法的进一步验证  68-69
  6.4 数值结果分析  69-77
    6.4.1 运动第一周期内的力学特性  69-72
    6.4.2 周期性运动的力学特性及流场结构  72-77
  6.5 小结  77-78
第七章结束语  78-79
致谢  79-80
参考文献  80-85
攻读硕士学位期间发表的学术论文  85

基于动态混合网格的非定常计算方法及生物外流数值模拟研究

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