一种模拟动边界绕流的锐利界面浸入边界法

摘要

为避免复杂贴体网格的更新和畸形对动边界流场计算效率、精度的影响,以充分掌握结构场的受力特性,采用一种改进的锐利界面(sharp-interface)浸入边界法模拟具有动边界绕流的流动问题。该方法将计算域中的固体视为流体,固体边界离散为若干个拉格朗日网格点,通过在界面单元处插值重构流动参数(速度),将其直接作为流动求解器的边界条件,由此来反映固体边界的影响。即通过构造“虚拟点—受力点—垂足点”的计算结构,借助双线性插值得到虚拟点的速度,再通过强制满足固体边界的无滑移条件计算出受力点的速度,以此为边界条件,最终求解基于浸入边界法的耦合系统方程,实现复杂动边界的流动数值模拟。采用C++编写该浸入边界法的数值程序,以单圆柱绕流为验证算例,通过与文献和实验结果的对比,验证了该方法的准确性和可靠性。在此基础上,对主动运动椭圆柱绕流问题进行了精细计算,探讨了不同轴长比(AR)、不同攻角(θ)下的椭圆柱对尾涡结构分布特征和水力不稳定现象的影响。捕捉到了反对称S型、“P+S”Ⅰ型、“P+S”Ⅱ型尾涡脱落模态,漩涡强度、涡脱频率和升阻比随AR和的变化规律,以及确定了升阻比临界攻角(25°)。