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含运动物体三维复杂流场数值模拟和尾流结构研究

作　者: 邓见
导　师: 任安禄
学　校: 浙江大学
专　业: 流体力学
关键词: 分块耦合算法 任意拉格朗日-欧拉法(ALE) 并行程序设计 沉浸边界法 大涡模拟 涡致振动 尾流三维特性 串列双圆柱绕流 垂直交叉双圆柱绕流 鱼游推进
分类号: O368
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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引　用: 7次
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内容摘要


论文首先对所使用的数值方法进行了论述：简要介绍了高精度分块耦合算法，此算法是针对不可压缩粘性流体的，采用任意曲线坐标系下原始变量形式的N-S方程进行描述。对于运动边界问题，本文引入了任意拉各朗日-欧拉法(ALE)进行处理。差分离散过程中，粘性项采用四阶精度的Pade紧致格式，对流项采用三阶迎风紧致格式离散，时间上采用四阶显式Runge-Kutta格式离散。作者所做的贡献是结合分块耦合方法的天然粗粒度并行特性，利用MPI函数库实现了并行，并且将基于分块耦合算法子域划分的任务分配策略与基于负载平衡的任务分配策略进行了比较，发现虽然分块耦合算法能够提供天然的任务分配方案，但却很难保证各进程上的负载平衡。另一个计算方法是沉浸边界法(Immersed Boundary Method)，该方法是基于笛卡儿网格系统的，因此在网格生成上可节省大量时间，而且可以大大提高计算效率，尤其适合含运动物体的流场求解。本文先归纳了前人在沉浸边界法上所做的努力，随后发展了自己的求解器，先后在交错网格和非交错网格上实现了沉浸边界法，并结合大涡模拟(LES)对高雷诺数下的湍流数值模拟进行了尝试。用高精度分块耦合方法结合ALE对弹性支撑方柱绕流进行了数值模拟。模型简化为“弹簧-阻尼-质量”系统，柱体运动采用经典龙格-库塔方法求解。同时模拟了方柱的驰振和涡致振动，捕捉到了驰振到涡致振动的转变，捕获了涡致振动的“锁定”、“拍”、“相位开关”等现象。对单圆柱绕流尾流三维特性进行了研究，找到了尾流向三维转捩的临界雷诺数Re=195，低于这个临界雷诺数时，尾流保持二维状态，此时的流场数值模拟可以近似为二维，但当超过这个临界雷诺数时，二维求解不再适用。当雷诺数超过临界值后，随着雷诺数的进一步提高，尾流先后经过两种过渡的三维模态，这两种模态分别被称作模态A(Mode A)和模态B(Mode B)。这两种转捩区的模态有各自不同的特征和物理机制，文中分别进行了研究。在此基础上，还研究了圆柱的旋转振荡对尾涡的影响。此研究是在Re=260下进行的，这个雷诺数下的圆柱尾流处在Mode B的状态。研究发现，当旋转振荡的振幅足够大时，能将尾流带回二维状态。对串列双圆柱绕流三维特性进行了研究。从两个不同方面进行了分析：首先是固定雷诺数Re=220而改变上下游圆柱之间的间距(1.5≤L／D≤8)，研究表明，当L／D≤3.5时，尾流呈现二维状态，而当L／D≥4时，尾流向三维转捩。据此可以判断临界间距存在于区间3.5≤L／D≤4；其次，将间距固定在L／D=3.5，来研究此间距下出现尾流三维特性的临界雷诺数，通过计算得到临界雷诺数为Re=250。在这部分的研究中，首次发现：在一个圆柱尾流场放置另一圆柱可以一定程度上抑制尾流向三维的转捩，从而推迟向湍流的转捩。对置于方形管道里的垂直交叉双圆柱结构进行了研究，本算例采用高精度分块耦合方法的并行程序，首先给出了详细的分块处理程序，以及内部拟边界、角线和角点的处理。圆柱端部紧贴管道壁面，两圆柱间距为圆柱直径的5倍，计算雷诺数为200。研究发现，交叉结构的中心流场较复杂，上游圆柱尾流的规则卡门涡街被下游圆柱截断成复杂的缠绕结构。两圆柱间的相互影响，以及管壁的影响，形成了流场特殊的涡结构。对无限长垂直交叉双圆柱绕流进行了研究，包括两圆柱都静止的情况以及下游圆柱强迫振动或涡致振动的情况。对于两圆柱都静止的情况，当L／D＞3时，下游圆柱对上游圆柱尾流的影响只限定在下游圆柱的尾流所扫过的范围之内；当L／D＜3时，下游圆柱对上游圆柱尾流的影响扩大，下游圆柱尾流扫过区上下出现两排三维流向二次涡结构。当下游圆柱做强迫振动或涡致振动时，尾流的涡结构和宏观量都发生了改变，尤其当下游圆柱弹性固定作涡致振动时，与独立的圆柱绕流相比，振幅响应的幅度降低，共振区域的带宽增加。最后一章提出了用计算流体力学的方法来研究鱼群游动的流体动力学性质，对一些实验根本无法实现的内容进行了探索性的研究，例如：巡游状态下，特定队形对游动推进效率的影响。从前人观察得到的菱形编队中抽出三条鱼组成的基本单元，当一条鱼位于另外两条鱼中间的下游区域时，如果处于加速巡游状态，则上游鱼尾流产生的反卡门涡街使下游鱼体两侧流体产生了向前的运动，从而提高了下游鱼游推进效率，减少了功率消耗。本文首次对前人关于鱼群减阻和提效的假设进行了验证。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-14
第一章 绪论  14-17
  1.1 研究背景及意义  14-15
  1.2 研究范围  15
  1.3 论文的创新点  15-17
第二章 尾流三维特性研究综述  17-33
  2.1 引言  17-20
  2.2 层流阶段的尾涡倾斜脱落  20-22
  2.3 转挟阶段的尾流  22-33
    2.3.1 圆柱端部边界污染  26-27
    2.3.2 涡环和流向涡:“小尺度”结构  27-29
    2.3.3 斑点状涡错位:“大尺度”结构  29-33
第三章 高精度分块耦合算法  33-41
  3.1 引言  33-34
  3.2 内边界耦合模式  34-36
    3.2.1 控制方程  35-36
  3.3 初边值条件  36
  3.4 差分离散  36-38
  3.5 任意拉格朗日-欧拉法(ALE)  38-40
  3.6 小结  40-41
第四章 改进的沉浸边界法  41-60
  4.1 引言  41-43
  4.2 控制方程  43
  4.3 沉浸边界的描述  43-44
  4.4 附加力场  44
  4.5 边界追踪  44-46
  4.6 附加力作用点的识别  46
  4.7 基于笛卡儿网格的求解器  46-48
  4.8 精度验证  48-49
  4.9 宏观量计算  49-52
  4.10 动边界计算  52-54
  4.11 大涡模拟  54-58
    4.11.1 滤波  55
    4.11.2 大涡模拟方程与亚格子雷诺应力  55-57
    4.11.3 亚格子尺度模型  57
    4.11.4 大涡模拟与沉浸边界法的结合  57-58
  4.12 小结  58-60
第五章 方柱绕流横向驰振及涡致振动数值模拟  60-70
  5.1 引言  60-61
  5.2 数值方法  61-63
    5.2.1 物理模型及网格划分  61-62
    5.2.2 结构响应方程  62
    5.2.3 边界条件  62-63
  5.3 静止方柱绕流的计算结果  63-64
  5.4 弹性方柱绕流流致振动计算结果  64-69
    5.4.1 升阻力特性及振幅分析  64-67
    5.4.2 尾流涡结构分析  67-69
  5.5 小结  69-70
第六章 旋转振荡对圆柱三维尾涡的控制  70-90
  6.1 引言  70-71
  6.2 计算模型和边界条件  71-72
  6.3 区域分解和并行策略  72-75
    6.3.1 并行策略I  72-73
    6.3.2 并行策略II  73-75
  6.4 静止圆柱绕流  75-80
    6.4.1 流动随时间的变化  75
    6.4.2 频谱分析  75
    6.4.3 出现第一个间断点的临界雷诺数  75-76
    6.4.4 模态A和模态B不稳定性  76-80
  6.5 旋转振荡圆柱绕流  80-88
    6.5.1 二维圆柱旋转振荡  80-81
    6.5.2 三维圆柱旋转振荡  81-88
  6.6 小结  88-90
第七章 串列双圆柱绕流三维数值模拟  90-105
  7.1 引言  90-91
  7.2 流场边界条件  91-92
  7.3 二维串列双圆柱绕流  92-94
  7.4 三维单圆柱绕流  94
  7.5 三维串列双圆柱绕流(Re=220)  94-100
    7.5.1 展向速度分量的演化  94-97
    7.5.2 三维涡结构  97-98
    7.5.3 尾流频谱分析  98-100
  7.6 L/D=3.5时的三维串列双圆柱绕流  100-102
    7.6.1 展向速度随时间的变化  100-102
    7.6.2 瞬时流场  102
    7.6.3 流向涡结构  102
  7.7 小结  102-105
第八章 分块法研究垂直交叉双圆柱绕流  105-120
  8.1 引言  105-106
  8.2 物理模型  106
  8.3 区域划分  106-107
  8.4 边界条件及拟边界面处理  107-109
  8.5 角线和角点处理  109-110
  8.6 计算结果分析  110-116
    8.6.1 下游圆柱表面压力系数分析  111-112
    8.6.2 上下游圆柱升阻力特性研究  112-113
    8.6.3 流场涡结构分析  113-116
    8.6.4 交叉结构中心区流体的不稳定性  116
  8.7 结论  116-120
第九章 垂直交叉双圆柱绕流涡致振动  120-141
  9.1 引言  120-121
  9.2 结构响应模型  121
  9.3 计算区域和边界条件  121-122
  9.4 网格无关性验证  122-124
  9.5 单圆柱绕流涡致振动  124-126
  9.6 静止的垂直交叉双圆柱绕流  126-131
  9.7 下游圆柱涡致振动  131-136
  9.8 单圆柱绕流强迫振动  136-137
  9.9 下游圆柱强迫振动  137-140
  9.10 小结  140-141
第十章 鱼游推进研究  141-165
  10.1 引言  141-142
  10.2 单鱼游动  142-145
    10.2.1 阻力和功率  143-145
    10.2.2 不同相速度下的尾流结构  145
  10.3 双鱼游动  145-156
    10.3.1 时均阻力变化  148-151
    10.3.2 上游鱼的减阻分析  151-154
    10.3.3 效率分析  154-156
  10.4 鱼群的巡游  156-159
  10.5 三维鱼游的模拟  159-163
  10.6 小结  163-165
第十一章 结论与展望  165-167
  11.1 结论  165
  11.2 工作展望  165-167
参考文献  167-182
攻博期间发表的论文  182-185
致谢  185

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中图分类: > 数理科学和化学 > 力学 > 流体力学 > 应用流体力学
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