浸入边界法

摘要： 水生植被广泛存在于天然河道、湖泊及湿地,是河流生态系统的重要成分.它通过改变明渠水流时均及紊动结构来改变河道水流阻力,并在水流作用下发生弯曲和摆动,形成复杂的流固耦合作用.研究柔性植被在水流作用下的运动响应,能够更精确地解析植被的阻水效应.本文采用基于嵌入式迭代浸入边界法的高效能三维紊流计算程序CgLes,开展流固耦合数值模拟,研究柔性植被在水流作用下的弯曲及运动响应,分析植被涡激振动特性及水流阻力规律.模拟结果表明,植被运动以展向摆动为主导,植被刚度对植被运动轨迹和摆动周期有显著影响,进而影响植被的阻水规律.在水动力条件相同的情况下,植被的摆动周期与植被的弹性模量有关,且不受流场影响.随着刚度系数增大,植被运动模式从准周期性摆动变成周期性摆动,最终发展为刚性情况下的静止直立状态;植被刚度较大且间距较小时,植被存在逆流向弯折现象;在刚度较大时,柔性植被随着水流而摆动,抑制流速发展;但是当柔性植被刚度较小时,植被接近倒伏,明渠的平均流速对比刚性植被情况增大;本文算例中植被刚度对平均流速的影响最大约为2.47％.植被间距对植被的下弯幅度影响较小,但对展向摆幅作用显著;平均流速随植被间距增大而减小,植被间距主要影响植被层内部的水流流速,本文算例中植被间距对平均流速的影响最大约为8.19％.

摘要： 建立一套适用于处理刚体-柔性体-流体的复杂流固耦合问题的数值方法,即浸入边界法、格子Boltzmann方法、时间异步算法相结合的数值算法。对均匀来流中单根梁的周期性摆动、带弹性支承的方柱振动进行数值模拟,并将模拟结果与已有研究成果进行对比分析,结果发现本文采用的数值方法可以很好地模拟刚体-柔性体-流体的复杂流固耦合问题。然后对低雷诺数下(Re=100),流向角α=45°时,带弹性支承方柱后有柔性梁的流固耦合振动情况进行研究,通过分析方柱的振幅和升阻力系数,探讨方柱振动响应随折减速度的变化规律,以及周围流场的流态与其演变过程。

摘要： 由深圳市赛格广场大厦在低速风场作用下的强烈有感振动事件可知,高质量比系统的振动问题仍较突出。为澄清涡激振动中的高质量比效应,该文采用一种锐利界面浸入边界法,通过C++编程计算了低雷诺数(Re=80~150)流场中,不同高质量比(m*=14.8~280)、阻尼比(ζ=0.0012~0.036)和质量-阻尼比组合m*ζ对涡激振动的影响。结果表明:通过与文献和实验结果的对比,验证了该方法的准确性和有效性;在高质量比情况下,Re<100时,结构发生"弱锁定"现象,Re=100~130时,发生传统的"锁定"现象,且发生共振时Re=110,位于锁定区间靠近Re数较小的一侧,当Re=130时,开始摆脱锁定,且升力与振动响应出现"相位突变"现象;m*、ζ对锁定区间的影响并不大,但是质量-阻尼比组合m*ζ相同时,质量比对涡激振动的影响更加显著,即质量比低的结构系统发生涡激振动时的锁定区间更广(Re=90~140),m*=14.8的高质量比系统比m*=148的较高质量比系统提高了1.67倍,而且共振时对应的雷诺数也减小;发生共振时,尾涡脱落均为"2S"模态,最大振幅均为0.5D左右,无太大变化,即高质量比和较高质量比对振幅和锁定区间的影响并不大,但是随着ζ的增加,振幅比Y逐渐减小,振动受到了抑制。

摘要： 以鳐鱼为仿生对象,基于浸入边界法和自适应网格细化方法对胸鳍波动推进仿生鱼的自主运动进行数值模拟,目的是从机理上对这一类水生生物游动的高效性、机动性作出解释,为波动推进仿生鱼的研发改进提供一定的参考。研究结果表明:波长约为1.1倍体长的仿生鱼模型具有最高的巡游速度且纵向提升能力也最强;无论是增大波动推进仿生鱼的波动幅值还是频率,皆能提高其巡游速度和纵向提升能力;波动频率的改变对仿生鱼流场结构的影响最大,对仿生鱼巡游速度的影响也最为显著。

摘要： 基于黏性流体力学理论构建波浪与水囊潜堤相互作用的计算流体力学数值模型。利用高阶差分方法求解纳维斯托克斯方程,采用有限元方法求解结构动力学方程,采用虚拟单元浸入边界法实现流体和固体求解器的高精度耦合求解。通过流体体积方法实现界面重构,与试验结果比较验证模型的有效性。对规则波与不同充盈水囊潜堤相互作用进行数值模拟,寻找合适的充盈度、探求其消波机制。结果表明:1)开发的数值模型可有效模拟波浪与水囊潜堤相互作用过程中的波浪变形和结构响应;2)非充盈柔性水囊潜堤的大幅度振动更易促使结构附近涡旋的演化与脱落,并伴随着能量的耗散。

摘要： 为了探究翼型振摆运动时的动态特性以及升力波动形成机制,采用基于浸入边界法的自编求解器,对NACA0012翼型在1000雷诺数作不同起始攻角、不同振摆频率、不同振摆幅值的俯仰振摆运动进行了直接数值模拟,并分析了升力系数的波动特性和其与流场演变的相关性。结果表明:翼型的高频振摆(2.92 Hz)较低频振摆(1.46 Hz)平均升力增加范围在5.2%~17.2%之间,且对于大初始攻角(15°)升力增加更为显著,增加17.2%;翼型振摆过程中升力系数的波动趋势主要受翼型俯仰振摆频率由1.46 Hz增加至2.92 Hz的影响,压力面的流动分离及尾缘处负压梯度回流引起尾缘旋涡卷起后脱落是引起翼型压力波动的主要原因,并且进一步导致了翼型整体升力出现幅值较大、频率高于3 Hz次频的波动。研究结果可为工程中风力机等流体机械翼型颤振引起的流动不稳定性研究提供理论参考和工程依据。

摘要： 在涡街中,细丝的运动状态和其推进性能是密切相关的,研究柔性对涡街中细丝运动状态的影响,可以为柔性飞行器在编队飞行时的柔性设计提供参考。给出三种不同的细丝柔性分布模式,通过浸入边界法,探究在不同涡街中(卡门涡街和反卡门涡街)柔性对细丝运动状态的影响,并总结细丝运动状态随柔性的变化规律。结果表明:当细丝柔性发生改变时,细丝运动状态也会发生变化,由绕核运动转变为在涡街一侧运动,或者由后者转变为前者,并且细丝运动状态随柔性的变化规律受竖直方向上诱导速度和涡向下游传输速度的共同影响。

摘要： 在自然界中,85%鱼类利用身体和尾鳍的往复摆动,在高雷诺数的非定常流体环境中获得快速高效和高机动性的游动性能,而鱼类游动的数值模拟通常具有几何外形复杂和边界运动等难点。本文利用水平集方法(level-setmethod)描述鱼类复杂的几何外形,并将水平集方法和浸入边界法(immersedboundarymethod)相结合模拟柔性鱼体与流体间的相互作用力,研究鳗鲡科鱼类摆动曲线参数以及流体雷诺数对游动性能的影响。结果表明:鳗鲡科鱼类可通过增大摆动幅值来获得快速游动速度,但功率消耗会明显增大;同时会选择合适的鱼体波波数来获得最优游动性能。上述研究结论与鱼类在自然界中的实验观测相吻合。最后,通过设置不同的鱼类外形和鱼类的摆动曲线,发现鱼类游动性能依赖于鱼体外形和鱼体波参数的合理匹配,该研究为鱼类在自然界的优化选择提供了理论解释。

摘要： 本文采用浸入边界-格子玻尔兹曼法,基于Fortran语言,结合OpenMP并行算法编写程序。计算了静止方柱绕流的升阻力系数及流场形态,将计算结果与已有文献对比。对带弹性支承的方柱振动进行了数值模拟,并将模拟结果与Fluent对比。研究低雷诺数下(Re=100),带弹性支承方柱的流固耦合振动情况,通过分析方柱的振幅和升力系数,探讨了方柱振动响应随折减速度(Ur)的变化规律,以及周围流场的流态的变化情况。

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°)。

摘要： 浸入边界法是解决柔性结构体或刚性结构体和粘性流体相互作用的重要数值方法之一.它的优点是网格生成简单,避免了贴体动网格生成的困难,同时计算效率较高,适用于复杂结构外形.传统的浸入边界法主要适用于柔性体,对于刚性边界问题Lai和Peskin使用反馈力近似处理.本文基于此方法对水轮机双列叶栅动态绕流特性进行数值模拟.在整个流场中使用笛卡尔自适应加密网格,利用有限差分法进行离散求解.通过数值计算,得到水轮机双列叶栅的流场分布特性以及导叶尾迹区内各流向断面压力、速度以及涡量分布的不均匀度指标.计算成果对进一步研究导叶动态绕流形成的不均匀流场对水轮机叶片流激振动的影响具有参考价值.

摘要： 随着计算机技术突飞猛进的发展，工程学界越来越倾向于利用计算数值模拟去研究流体动力学问题。然而对实际绕流问题展开数值模拟研究时，结构构件通常具有复杂边界，多需采用贴体网格或非结构网格，对于有限差分求解更要生成雅可比矩阵进行计算网格与物理网格之间的转换。尤其涉及到流-固藕合动边界问题时，除初始网格外，还需在每个时间间隔内重新建立网格以适应边界的变化，更是给计算带来了很大的负担。以适用于刚性边界的浸入边界法(Virtual Boundary Method)作为算法基础,结合高效求解法—时间分步法(Fractional Time-step Method)和有效边界处理方式—交错网格(Staggered Grid),借助FORTRAN语言开发出浸入边界算法程序模拟物体绕流,分析不同雷诺数下流场特征.研究表明:浸入边界算法中能够借助常系数较好地实现浸入边界;本程序模拟的低雷诺数二维方柱绕流,其阻力系数、升力系数及相应流线图与其它相关文献很好的吻合;本文中二维圆柱绕流对称流场消失所对应的雷诺数同过往文献相同,计算模型可行.

摘要： 本文发展了一种基于自适应网格的浸入边界法(ImmersedBoundaryMethod,IBM)，其特点是用一套简单、固定的网格处理多个具有复杂几何机构的计算，同时也用于移动界面模拟。用有限元离散不可压缩N‐S方程，压力与速度间用投影法耦合。通过引入虚拟网格(GhostCell)满足浸入边界上的无滑移无穿透边界条件。消减虚拟网格内压力额外的速度散度实现浸入边界上压力梯度为0的条件。最后，我们用浸入边界法研究了Re数为100，振荡频率0.81.2范围内，圆柱的绕流特性。

摘要： 基于自主研发的紧致插值曲线(Constrained Interpolation Profile,CIP)数学模型,开展了溃坝水槽闸门不同抽离方向对溃坝波面和水舌影响的数值模拟研究.通过浸入边界法,使用运动控制方程对闸门抽离进行模拟,并采用THINC/SW(THINC with Slope Weighting)方法捕捉自由面.结果表明,闸门不同抽离方向会形成不同的溃坝波面,并使溃坝水舌产生不同的运动过程,同时验证了该模型模拟带自由面的大变形非恒定流的良好可靠性,能够有效解决水-气-固三相耦合模拟问题.

摘要： 波动推进方式作为一种高效的推进方式而被鱼类等水中生物广泛采用.本研究将研究外形对鱼类波动推进水动力性能的影响.数值方法采用浸入边界法,为了提高计算效率,采用自适应网格对核心区域进行加密,鱼的波动推进方式采用BCF(Body and Caudal Fin)推进方式.首先通过与文献的对比验证所建立数值计算方法的可信性.然后以5种厚度的对称翼型NACA0004、NACA0008、NACA0012、NACA0016、NACA0020为模型研究外形对其游动速度,耗能,效率的影响.研究表明较薄的波动翼可以游动更快,耗能较少,但效率较低,NACA0016具有最大的动能以及效率,并且波动翼的效率与波动周期无关.最后文章揭示了不同厚度时波动翼的流场特性.

摘要： 在考虑含蜡原油融化相变和流变性变化的基础上,本文建立了双盘式浮顶油罐内含蜡原油融化物理数学模型.模型中,采用浸入边界法在结构化网格上对非规则的罐内含蜡原油区进行离散,实现了含蜡原油形态、流变性变化以及浮顶油罐各部分水热力过程的一体化耦合求解.本文以1000m3双盘式浮顶油罐为例,对罐内含蜡原油的融化过程进行计算,并对水平圆管热流量变化及分配、罐内含蜡原油融化液相分数的演化进行研究.

摘要： 利用浸入边界法(immersed boundary method)对圆柱体的涡激振动进行研究.当圆柱体产生拍击(beating)运动时,存在两个频率,分别对应圆柱体固有频率和尾涡脱落频率.通过计算圆柱体作拍击运动时的位移及作用在其上的流体动力,来研究拍击运动的特性,包括附加质量及其阻尼系数等.

摘要： 本文使用DES（Detachededdysimulation）模型，计算了亚临界范围内Re=3900时的三维圆柱扰流，使用的36万网格，远远小于文献中大涡模拟的网格数；采用了一种二阶稳定的浸入边界法处理无滑移固体边界，时间上全显的二阶精度的投影算法求解不可压缩流体NS方程，计算结果验证了DES模型的可靠，为进一步开展湍流多尺度计算打下基础。

摘要： 柱体绕流问题在海洋平台、海底电缆、高层建筑等工程领域具有广泛应用.在双柱绕流问题中,由于两个柱体间流体的作用,使其流场较单柱情况相比要复杂得多.本文采用自主研发的CIP-ZJU(Constrained Interpolation Profile method in Zhejiang University)模型,对低雷诺数条件下(Re=100)串列双方柱绕流问题进行了数值模拟研究,探讨串列双方柱在不同间距比L/D和下游方柱转角θ下的流场、柱体受力和涡脱频率的变化.

摘要： 柱体绕流问题在海洋平台、海底电缆、高层建筑等工程领域具有广泛应用.在双柱绕流问题中,由于两个柱体间流体的作用,使其流场较单柱情况相比要复杂得多.本文采用自主研发的CIP-ZJU(Constrained Interpolation Profile method in Zhejiang University)模型,对低雷诺数条件下(Re=100)串列双方柱绕流问题进行了数值模拟研究,探讨串列双方柱在不同间距比L/D和下游方柱转角θ下的流场、柱体受力和涡脱频率的变化.

摘要： 本发明提供一种浸入边界起伏地表地震波场正演模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1)将待模拟地层建立数值模型，确定其隐层数、鬼点坐标、镜像点坐标及镜像点物理参数；S2)将整个计算区域依时刻进行声波方程求解，得到计算区域各时刻各个点的波场值，其中，在每一时刻有限差分计算时，使用修正后的鬼点波场值代替常规有限差分计算中的鬼点波场值；S3)重复步骤S2)至完成全部时刻的波场模拟，并保存，得到地震波正演模拟结果。本发明在较大的网格采样情况下仍然能够得到与常规方法精细网格非常相似的波场模拟结果，由此表明本发明的。有效减少计算量大带来的不便。

摘要： 本发明公开的用于多关节蛇形机器人在水下避障的浸入边界控制方法，属于机器人控制领域。本发明的实现方法为：引入格子玻尔兹曼方法，取代传统求解流体的二阶偏微分方程模拟中的Navier‑Stokes方程，由概率统计学角度出发，从不同角度解决宏观与微观、离散与连续的关系，格子玻尔兹曼方法计算简单、易于并行实现，在处理比较复杂的边界条件时，能够实现宏观与微观的相互转化，利用浸入边界方法建立柔性的多关节蛇形机器人力源模型，采用流场中的欧拉变量去控制流体动态，利用力源模型的拉格朗日变量去控制多关节蛇形机器人的运动边界，用光滑的Delta近似函数通过分布节点力和差值速度来控制非线性流场力和力源边界的交互作用，实现多关节蛇形机器人的非线性控制。

摘要： 本发明提供一种浸入边界起伏地表地震波场正演模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1)将待模拟地层建立数值模型，确定其隐层数、鬼点坐标、镜像点坐标及镜像点物理参数；S2)将整个计算区域依时刻进行声波方程求解，得到计算区域各时刻各个点的波场值，其中，在每一时刻有限差分计算时，使用修正后的鬼点波场值代替常规有限差分计算中的鬼点波场值；S3)重复步骤S2)至完成全部时刻的波场模拟，并保存，得到地震波正演模拟结果。本发明在较大的网格采样情况下仍然能够得到与常规方法精细网格非常相似的波场模拟结果，由此表明本发明的。有效减少计算量大带来的不便。

摘要： 本发明提供了一种基于浸入边界法的搅拌反应釜模拟方法，所述方法为：准备阶段，包括计算参数的测定和设置、生成流体网格文件、生成拉格朗日标记点信息和准备计算资源；数值计算，设定计算区域的边界条件并基于流体网格求解速度场与温度场；结合离散单元法可以实现颗粒流体两相流的界面解析模拟，颗粒表面处直接采用浸入边界法施加无滑移边界条件；后处理阶段，模拟完成后输出每个欧拉网格点的信息以及每个颗粒的信息。该方法依据不同边界的特点，在计算中采用混合浸入边界法进行处理并结合大涡模拟与高性能并行计算技术实现搅拌反应釜内的湍流流动大规模数值模拟。该模拟方法可以应用于搅拌反应釜内湍流流动模拟与固体颗粒悬浮的模拟等。

摘要： 本发明涉及一种新的投影浸入边界法的速度校正方法，属于计算流体力学及其流固耦合模拟技术领域。本发明包括A、调用网格划分模块，采用两套网格：流场区域欧拉网格，固体边界区域拉格朗日网格；B、调用流场速度预测模块，求得流场区域的预测值；C、调用欧拉网格点属性判断模块，判断欧拉网格点属于固体内部区域还是固体外部区域；D、调用流场速度校正模块，更新流场速度；E、调用结果输出模块，将作用在流固边界上的力以及流场信息输出到文件，供后台读取显示；F、判断是否结束计算。本发明克服传统投影浸入边界法近壁区速度求解时复杂的插值运算，节约了计算资源，提高了计算效率。

摘要： 本发明公开了一种基于可压缩流浸入边界法的翼伞流固耦合数值模拟方法，包括建立空间背景网格和翼伞流场网格，翼伞网格嵌入空间背景网格，在翼伞位置附近进行网格加密，通过几何相交方法确定翼伞网格和空间背景网格的相交情况，生成翼伞的结构有限元网格并与翼伞流场网格建立对应关系；使用有限体积法求解空间背景网格上的可压缩Navier‑Stokes方程，在边界条件处理上，翼伞采用无滑移壁面边界条件，采用FIVER方法计算一维半Riemann问题得到翼伞边界上的通量；计算得到的流场气动力作用于翼伞，通过非线性结构动力学有限元方法求解翼伞的结构变形和运动，更新翼伞网格的位置；翼伞工作过程的分析研究提供了重要参考。

摘要： 本发明公开了一种结合间断有限元和浸入边界法的流场计算方法，包括S1、对整个流场生成直角网格单元；S2、在直角网格单元中，构造各向异性形函数；S3、初始化流场；S4、基于构造的各向异性形函数，使用浸入边界法对流场进行时间推进循环，获得流场数据，实现流场解析。本发明方法能够大大提高工程实际应用中各种复杂几何区域的流动数值模拟的效率，具有较好的应用前景。

摘要： 本发明提供了一种基于浸入边界法的搅拌反应釜模拟方法，所述方法为：准备阶段，包括计算参数的测定和设置、生成流体网格文件、生成拉格朗日标记点信息和准备计算资源；数值计算，设定计算区域的边界条件并基于流体网格求解速度场与温度场；结合离散单元法可以实现颗粒流体两相流的界面解析模拟，颗粒表面处直接采用浸入边界法施加无滑移边界条件；后处理阶段，模拟完成后输出每个欧拉网格点的信息以及每个颗粒的信息。该方法依据不同边界的特点，在计算中采用混合浸入边界法进行处理并结合大涡模拟与高性能并行计算技术实现搅拌反应釜内的湍流流动大规模数值模拟。该模拟方法可以应用于搅拌反应釜内湍流流动模拟与固体颗粒悬浮的模拟等。

摘要： 本发明涉及一种新的投影浸入边界法的速度校正方法，属于计算流体力学及其流固耦合模拟技术领域。本发明包括A、调用网格划分模块，采用两套网格：流场区域欧拉网格，固体边界区域拉格朗日网格；B、调用流场速度预测模块，求得流场区域的预测值；C、调用欧拉网格点属性判断模块，判断欧拉网格点属于固体内部区域还是固体外部区域；D、调用流场速度校正模块，更新流场速度；E、调用结果输出模块，将作用在流固边界上的力以及流场信息输出到文件，供后台读取显示；F、判断是否结束计算。本发明克服传统投影浸入边界法近壁区速度求解时复杂的插值运算，节约了计算资源，提高了计算效率。

摘要： 本发明公开了一种满足无滑边界条件和连续性条件浸入边界隐式迭代求解法，主要包括以下步骤：采用粘性不可压流N‑S控制方程，将动量方程沿特征线展开进行时间离散，利用有限元法进行空间离散，在离散后的控制方程中加入附加体积力；采用直接力法求解附加体积力，使边界上的插值速度等于期望的速度分布；采用分步法时，将附加体积力按是否与压力耦合分为两部分，分别求解；在附加体积力与压力的迭代计算内进行速度校正，得到最终的流场分布。本发明解决了现有的浸入边界法中，无滑边界条件和连续性条件不能同时满足的问题；将附加体积力分为两部分后，与压力不耦合的分力项的求解成本将有效降低，提高了浸入边界法的计算效率。