含運(yùn)動(dòng)物體三維復(fù)雜流場(chǎng)數(shù)值模擬和尾流結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、論文首先對(duì)所使用的數(shù)值方法進(jìn)行了論述：簡(jiǎn)要介紹了高精度分塊耦合算法，此算法是針對(duì)不可壓縮粘性流體的，采用任意曲線坐標(biāo)系下原始變量形式的N-S方程進(jìn)行描述。對(duì)于運(yùn)動(dòng)邊界問題，本文引入了任意拉各朗日-歐拉法(ALE)進(jìn)行處理。差分離散過程中，粘性項(xiàng)采用四階精度的Pade緊致格式，對(duì)流項(xiàng)采用三階迎風(fēng)緊致格式離散，時(shí)間上采用四階顯式Runge-Kutta格式離散。作者所做的貢獻(xiàn)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(kù)實(shí)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(fù)載平衡的任務(wù)分配策略進(jìn)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(jìn)程上的負(fù)載平衡。 另一個(gè)計(jì)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(shí)間，而且可以大大提高計(jì)算效率，尤其適合含運(yùn)動(dòng)物體的流場(chǎng)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(cuò)網(wǎng)格和非交錯(cuò)網(wǎng)格上實(shí)現(xiàn)了沉浸邊界法，并結(jié)合大渦模擬(LES)對(duì)高雷諾數(shù)下的湍流數(shù)值模擬進(jìn)行了嘗試。 用高精度分塊耦合方法結(jié)合ALE對(duì)彈性支撐方柱繞流進(jìn)行了數(shù)值模擬。模型簡(jiǎn)化為“彈簧-阻尼-質(zhì)量”系統(tǒng)，柱體運(yùn)動(dòng)采用經(jīng)典龍格-庫(kù)塔方法求解。同時(shí)模擬了方柱的馳振和渦致振動(dòng)，捕捉到了馳振到渦致振動(dòng)的轉(zhuǎn)變，捕獲了渦致振動(dòng)的“鎖定”、“拍”、“相位開關(guān)”等現(xiàn)象。 對(duì)單圓柱繞流尾流三維特性進(jìn)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(gè)臨界雷諾數(shù)時(shí)，尾流保持二維狀態(tài)，此時(shí)的流場(chǎng)數(shù)值模擬可以近似為二維，但當(dāng)超過這個(gè)臨界雷諾數(shù)時(shí)，二維求解不再適用。當(dāng)雷諾數(shù)超過臨界值后，隨著雷諾數(shù)的進(jìn)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(jī)制，文中分別進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，還研究了圓柱的旋轉(zhuǎn)振蕩對(duì)尾渦的影響。此研究是在Re=260下進(jìn)行的，這個(gè)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(dāng)旋轉(zhuǎn)振蕩的振幅足夠大時(shí)，能將尾流帶回二維狀態(tài)。 對(duì)串列雙圓柱繞流三維特性進(jìn)行了研究。從兩個(gè)不同方面進(jìn)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(dāng)L/D≤3.5時(shí)，尾流呈現(xiàn)二維狀態(tài)，而當(dāng)L/D≥4時(shí)，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(jì)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(gè)圓柱尾流場(chǎng)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(duì)置于方形管道里的垂直交叉雙圓柱結(jié)構(gòu)進(jìn)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(xì)的分塊處理程序，以及內(nèi)部擬邊界、角線和角點(diǎn)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(jì)算雷諾數(shù)為200。研究發(fā)現(xiàn)，交叉結(jié)構(gòu)的中心流場(chǎng)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?cái)喑蓮?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(chǎng)特殊的渦結(jié)構(gòu)。 對(duì)無限長(zhǎng)垂直交叉雙圓柱繞流進(jìn)行了研究，包括兩圓柱都靜止的情況以及下游圓柱強(qiáng)迫振動(dòng)或渦致振動(dòng)的情況。對(duì)于兩圓柱都靜止的情況，當(dāng)L/D>3時(shí)，下游圓柱對(duì)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(dāng)L/D<3時(shí)，下游圓柱對(duì)上游圓柱尾流的影響擴(kuò)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(dāng)下游圓柱做強(qiáng)

8、迫振動(dòng)或渦致振動(dòng)時(shí)，尾流的渦結(jié)構(gòu)和宏觀量都發(fā)生了改變，尤其當(dāng)下游圓柱彈性固定作渦致振動(dòng)時(shí)，與獨(dú)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(jì)算流體力學(xué)的方法來研究魚群游動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，對(duì)一些實(shí)驗(yàn)根本無法實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容進(jìn)行了探索性的研究，例如：巡游狀態(tài)下，特定隊(duì)形對(duì)游動(dòng)推進(jìn)效率的影響。從前人觀察得到的菱形編隊(duì)中抽出三條魚組成的基本單元，當(dāng)一條魚位于另外兩條魚中間的下游區(qū)域時(shí)，如果處于加速巡游狀態(tài)，則