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中国力学大会-2021+1

作者：李城锐刘华林陈伟芳浙江大学航空航天学院

INTRODUCTION高超声速流动转捩的发生会导致壁面气动加热和表面摩擦力的突然升高,从而显著影响高超声速飞行器的力、热性能。高超声速边界层转捩的机理和预测是高超声速流动建模的重要内容。在稀薄气体动力学领域里,GKS方法在解决具有... 详细信息

INTRODUCTION高超声速流动转捩的发生会导致壁面气动加热和表面摩擦力的突然升高,从而显著影响高超声速飞行器的力、热性能。高超声速边界层转捩的机理和预测是高超声速流动建模的重要内容。在稀薄气体动力学领域里,GKS方法在解决具有挑战性的流动问题方面有较好的应用成果。该方法在过去的几十年里被提出和发展,经验证,其在亚声速、跨声速和超声速流动模拟中有很好的鲁棒性和准确性。针对高超声速的数值模拟,GkS方法在计算热流通量和压力载荷方面有出色的表现。

关键词： GKS 耦合方法气体动理学格式热流密度分布高超声速实验值碰撞时间数值模拟研究

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基于气体动理学格式—相场法模型的枝晶生长数值模拟

基于气体动理学格式—相场法模型的枝晶生长数值模拟

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作者：王瑜武汉理工大学

学位级别：硕士

激光焊接熔池中的金属凝固过程和该过程中产生的微观结构对焊缝的机械性能有重要的影响,金属凝固过程中常见的微观组织是枝晶组织,枝晶生长是一个复杂的微观过程,涉及流场的流动、传热、界面曲率及动力学等多种因素的影响。本文通过数... 详细信息

激光焊接熔池中的金属凝固过程和该过程中产生的微观结构对焊缝的机械性能有重要的影响,金属凝固过程中常见的微观组织是枝晶组织,枝晶生长是一个复杂的微观过程,涉及流场的流动、传热、界面曲率及动力学等多种因素的影响。本文通过数值模拟的方式研究凝固过程中枝晶生长的规律,采用气体动理学格式(Gas-kinetic scheme,GKS)模拟流场和温度场,采用相场法(Phase-field,PF)模拟枝晶生长,并建立两者的耦合模型模拟复杂流动下的枝晶生长行为。通过数值模拟的方法对微观组织的生长机制进行研究,对理解和掌握焊接材料宏观属性有重要的指导意义。本文所做的工作如下: (1)本文根据气体动理学格式和相场法的基本原理,考虑熔体的流动、晶体的生长以及流场内的传热效应,建立了适用于模拟纯金属非等温凝固过程中枝晶生长的GKS-PF耦合模型。其中,采用PF方法模拟枝晶生长,采用GKS计算流场和温度场,两者通过温度场源项进行耦合。 (2)分别采用模拟封闭方腔自然对流问题和模拟等轴枝晶的生长情况对GKS和GSK-PF耦合模型进行验证,应用GKS-PF耦合模型模拟自然对流作用下枝晶的生长过程。模拟结果表明,自然对流的存在加速了热流传输,改变了温度场的对称分布,在晶臂附近出现了涡流,促进了上游晶臂的生长,抑制了下游晶臂的生长,枝晶界面呈非对称形貌。 (3)采用GKS-PF耦合模型研究了相场的主要参数,如过冷度、各向异性强度系数和耦合系数等对枝晶生长的影响规律。模拟结果表明:相场模型的主要参数对模拟结果有重要影响,随着过冷度、各向异性系数和耦合系数的增加,枝晶形貌发生了较大变化,能够更快、更明显地呈现出等轴枝晶的特征。 (4)对多个枝晶互相影响的生长过程进行了模拟研究,提出了一种基于元胞自动机方法(Cellular automata,CA)的多枝晶随机择优生长取向模型,分别模拟了纯扩散条件下多个枝晶单择优取向角和多择优取向角枝晶生长形态。结果表明,多择优取向角时各个枝晶的碰撞更加激烈,形貌变得更加复杂。随后对自然对流作用下多个枝晶的生长过程进行了模拟研究,并且对比了不同生长条件下的枝晶轮廓,清晰的观察到了不同位置处枝晶形貌的变化。

关键词：数值模拟枝晶生长自然对流气体动理学格式相场法

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基于气体动理学格式的方腔流和射流数值模拟研究

基于气体动理学格式的方腔流和射流数值模拟研究

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作者：杨关旬西安工业大学

学位级别：硕士

气体动理学格式(GKS)是一种以介观气体动理论为指导的新兴计算流体力学(CFD)数值方法,GKS在全速域表现出很好的健壮性和稳定性,是目前CFD前沿研究的热点方向。盖驱动方腔流是CFD中的经典算例,超音速自由射流在航空航天领域普遍存在,以... 详细信息

气体动理学格式(GKS)是一种以介观气体动理论为指导的新兴计算流体力学(CFD)数值方法,GKS在全速域表现出很好的健壮性和稳定性,是目前CFD前沿研究的热点方向。盖驱动方腔流是CFD中的经典算例,超音速自由射流在航空航天领域普遍存在,以及冲击射流形成的静压润滑流场是研究气体润滑的关键。本文运用气体动理学格式对这方腔流和射流问题进行数值模拟并对流场的特征变化进行讨论,主要研究工作如下:首先,运用结构化直角网格,结合虚网格边界条件,以气体动理学理论为指导建立了无碰撞的一阶、二阶动理学矢通量方案(KFVS)和包含碰撞项的二阶气体动理学方案。以黎曼问题为数值验证得到了二阶的气体动理学格式相比KFVS具有更好的准确性和稳定性。然后,基于气体动理学格式计算了不可压缩的、低马赫数的二维盖驱动方腔,计算了不同雷诺数下盖驱动方腔的流场分布,得到了与Ghia的计算结果保持一致的结果。讨论了含有角落障碍的盖驱动方腔不同的盖驱动方式对流场分布的影响规律,可以得到包含角落障碍的单边驱动流场的次级涡旋增加,双边同向的驱动方式流场分布呈现出分岔现象,双边反向驱动的方式整个流场关于几何中心几何中心对称,方腔内的绝大多数气体围绕初级涡旋作平稳的圆周运动。其次,采用气体动理学格式计算了二维的高雷诺数下的超音速自由射流,清晰地捕捉了射流流场中存在的普朗特-迈耶膨胀波、射流剪切层、涡导激波对及隔膜激波等流场关键特征。给出了射流流场的主要流场参数在某一时间节点上的流场分布情况,分析了射流流场涡环上的特征参数随时间的变化情况,计算了不同压力比下的平面射流,讨论了不同的压力比下流场内涡环的演化规律。最后,开展了气体静压润滑流场的模拟研究,以小孔式空气静压轴承为研究对象对节流特性展开阐述。计算了不同的供气压力下润滑流场的分布规律,与CFD商用软件的计算结果相比,发现了节流孔出射出的高压气体冲击导轨面部分气体存在着回流现象。可压缩的高压气体在节流孔处并未迅速膨胀,这是导轨面和承载面之间形成气体润滑的关键。综上所述,本文以气体动理学理论为指导围绕流体领域中的典型问题给出了数值解答,方腔流和射流流场的分布规律为实际工程应用提供科学指导,自主编程数值模拟代替商用软件仿真具有深远的学术理论价值,同时这些工作为以后完善气体动理学格式更高阶的方案和探究三维流场分布情况奠定了良好的基础。

关键词：气体动理学格式虚网格方腔超音速自由射流气体润滑

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基于气体动理学格式的射流及绕流数值模拟

基于气体动理学格式的射流及绕流数值模拟

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作者：谢晴华中科技大学

学位级别：硕士

射流及绕流是流体力学研究的重要内容之一,在工业领域涉及面广、影响面大。气体动理学格式可以应用于整个流域,是目前研究的热点。本文运用气体动理学格式研究了射流及绕流的适用性及流场特征。气体动理学格式可以从宏观和微观两个角度... 详细信息

射流及绕流是流体力学研究的重要内容之一,在工业领域涉及面广、影响面大。气体动理学格式可以应用于整个流域,是目前研究的热点。本文运用气体动理学格式研究了射流及绕流的适用性及流场特征。气体动理学格式可以从宏观和微观两个角度设置边界条件,本文构造了气体动理学格式中的麦克斯韦壁面边界条件、无反射边界条件等边界条件;同时基于气体动理学格式数值模拟了Poiseuille流和Couette流,将得到的流场速度与定常解析解进行了对比,初步验证了气体动理学格式算法的准确性。本文构造了适合模拟自由射流的物理模型,通过网格无关性验证,选定合适的网格密度作为模型的计算网格;为了验证气体动理学格式在自由射流领域中的适用性,将气体动理学格式与CFD,格子Boltzmann方法模拟结果进行了对比验证,结果基本吻合;同时研究了马赫数对射流流场的影响,随着马赫数的逐渐增大,速度向下游发展的距离越远,在同一马赫数下,随着射流距离的增大,射流宽度也逐渐增大。运用气体动理学格式数值模拟了小喷嘴间距对置撞击流,将小喷嘴间距对置撞击流的近似解析解与气体动理学格式数值计算结果的对比,验证了气体动理学格式算法在此领域的适用性;同时研究了喷嘴间距、喷嘴速度及喷嘴气速比对撞击流轴向及径向流场特征的影响。研究表明:随着喷嘴间距的逐渐增大,撞击面上的最大径向速度不断减小,径向速度随着径向距离先增大后减小;喷嘴速度对无量纲径向速度的发展基本无影响;两喷嘴气速比越小,驻点在撞击面上的偏移量越大。运用气体动理学格式对单平板绕流、前后平板绕流、上下平板绕流及三平板绕流进行了数值计算,得到不同雷诺数下平板绕流的涡量图及涡线图。对于单平板绕流,随着雷诺数的逐渐增大,平板后的涡不断被拉长,逐渐失去对称性,形成涡的脱落;对于前后平板绕流,平板距离较小时没有形成涡,当距离较大时会出现涡;对于上下平板绕流,当平板距离较小时相当于单平板绕流,当间距较大时在下游较远处两列涡逐渐开始合并;对于三个平板绕流,在上游来流不均匀时,平板绕流仍可以形成涡。

关键词：气体动理学格式自由射流对置撞击流平板绕流

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基于时空网格自适应的气体动理学格式研究

基于时空网格自适应的气体动理学格式研究

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作者：邢铮清华大学

学位级别：硕士

气体动理学格式(GKS)是一种基于介观气体动理论的新型CFD方法,在高速粘性流动中兼具高精度与强稳健性。本文将GKS与非结构网格自适应(AMR)及时间自适应技术相结合,发展了一种高效、稳健的气体动理学格式,可以为复杂流动的数值模拟提供... 详细信息

气体动理学格式(GKS)是一种基于介观气体动理论的新型CFD方法,在高速粘性流动中兼具高精度与强稳健性。本文将GKS与非结构网格自适应(AMR)及时间自适应技术相结合,发展了一种高效、稳健的气体动理学格式,可以为复杂流动的数值模拟提供有力的工具。本文将考虑多维特性的GKS-NS通量求解器与四叉树/八叉树非结构网格自适应框架P4est相结合,发展了一种具有时空二阶精度的非结构网格自适应气体动理学格式(AMR-GKS)。考虑到非定常流动模拟中网格加密层数较多时,全局统一时间步长过小,进一步在AMR-GKS中引入时间自适应技术,即不同网格尺度采用不同的时间步长和推进步数,发展了一种具有时空网格自适应的动理学格式(STAMR-GKS)。采用包括定常/非定常方腔流动以及激波-气柱相互作用在内的多种典型流动对数值方法进行了验证,并与推导出的理论效率进行了对比。结果表明,AMR能极大地提高GKS的计算效率,而STAMR-GKS在保持计算精度的前提下进一步减少了计算时间。对于方腔流动这种具有较少的局部大梯度(如上角点附近)的流动,网格时空自适应的收益更加显著。同时,得益于P4est良好的动态负载平衡以及GKS单步格式特性,STAMR-GKS具有较好的并行计算效率。最后,采用STAMR-GKS对三维激波与包含空心气泡的SF6球体相互作用问题进行了数值模拟,给出了SF6球体和气泡的形状,以及流场复杂波系结构的变化特征。通过与无气泡流动模拟结果对比,发现空心气泡的存在会破坏SF6球体内部高压透射激波的汇聚过程,进而抑制射流结构产生。这些工作为后续深入研究气泡形状和位置等的影响奠定了良好的基础。

关键词：气体动理学格式时空网格自适应四叉树/八叉树非结构网格激波与SF6球体相互作用

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气体动理学格式在微翼型稀薄绕流中的应用

气体动理学格式在微翼型稀薄绕流中的应用

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中国力学大会——2013

作者：李锦江定武毛枚良耿湘人中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所

建立了二维UBGK格式的计算程序,并选取了NACA0012微翼型的稀薄绕流作为验证算例。同时采用课题组自主开发的三维非结构DSMC程序(RariHV)进行了相同的计算。计算结果的相互对比,验证了UBGK程序的有效性,也为未来UBGK格式的进一步应用提... 详细信息

建立了二维UBGK格式的计算程序,并选取了NACA0012微翼型的稀薄绕流作为验证算例。同时采用课题组自主开发的三维非结构DSMC程序(RariHV)进行了相同的计算。计算结果的相互对比,验证了UBGK程序的有效性,也为未来UBGK格式的进一步应用提供了基础。

关键词：气体动理学格式

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基于气体动理学格式的平板绕流数值模拟

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武汉工程大学学报 2018年第6期40卷 673-677页

作者：谢晴谢军龙郭晓亮庄晓东华中科技大学能源与动力工程学院湖北武汉430074

介绍了基于Bhatnagar-Gross-Krook(BGK)模型的气体动理学格式Gas Kinetic Scheme(GKS)数值算法。给出了平板绕流的物理模型以及边界的处理方式,同时进行了算法准确性验证。对不同雷诺数条件下的单平板绕流进行数值模拟,随雷诺数的增大,... 详细信息

介绍了基于Bhatnagar-Gross-Krook(BGK)模型的气体动理学格式Gas Kinetic Scheme(GKS)数值算法。给出了平板绕流的物理模型以及边界的处理方式,同时进行了算法准确性验证。对不同雷诺数条件下的单平板绕流进行数值模拟,随雷诺数的增大,涡不断被拉长,逐渐失去对称性,形成卡门涡街;对Re=300的前后平板绕流,当板间距较小时流场处于对称尾流区,没有涡的脱落,当板间距较大时会形成卡门涡街;对Re=300的上下平板绕流,当板间距较小时流场特征与单平板绕流相似,当板间距较大时会形成两列涡,在下游较远处开始逐渐合并。

关键词：气体动理学格式平板绕流数值模拟

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三维中子输运模拟统一气体动理学格式

三维中子输运模拟统一气体动理学格式

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第十届全国青年计算物理学术会议

作者：谭爽孙文俊徐昆魏军侠倪国喜北京应用物理与计算数学研究所香港科技大学深圳研究院

武器物理中很多实际问题具有多介质、大变形、几何复杂等特点,精确地描述这些物理过程需要耦合多物理建模,中子输运是其中重要的组成部分。考虑到实际问题的复杂性,发展高效、高精度的三维中子输运模拟具有较强的应用需求和研究价值。... 详细信息

武器物理中很多实际问题具有多介质、大变形、几何复杂等特点,精确地描述这些物理过程需要耦合多物理建模,中子输运是其中重要的组成部分。考虑到实际问题的复杂性,发展高效、高精度的三维中子输运模拟具有较强的应用需求和研究价值。根据中子输运方程本身的多尺度特性,本文将近年来受到广泛关注的多尺度数值方法——统一气体动力学格式(Unified Gas-KineticScheme,UGKS)[1]发展至三维多群中子输运模拟。文中首先介绍了多群中子输运

关键词：中子输运气体动理学格式数值精度

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基于气体动理学格式的可压缩湍流直接数值模拟

基于气体动理学格式的可压缩湍流直接数值模拟

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中国力学大会——2013

作者：谭爽李启兵符松清华大学航天航空学院

采用气体动理学格式(Gas-Kinetic Scheme,GKS)格式对可压缩湍流进行了直接数值模拟研究。为更好地模拟可能存在间断的高马赫数湍流问题,采用了高阶重构并且引入了"混合重构"的方法使得格式同时具有低耗散性和强稳定性。然后... 详细信息

采用气体动理学格式(Gas-Kinetic Scheme,GKS)格式对可压缩湍流进行了直接数值模拟研究。为更好地模拟可能存在间断的高马赫数湍流问题,采用了高阶重构并且引入了"混合重构"的方法使得格式同时具有低耗散性和强稳定性。然后计算了不同马赫数下的可压缩槽道湍流,计算得到的流动特征与已有研究符合较好,在此基础上初步研究了压缩性对高马赫数湍流的影响,以及Fave平均

关键词：气体动理学格式直接数值模拟可压缩湍流

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基于笛卡尔直角网格方法的气体动理学格式应用研究

基于笛卡尔直角网格方法的气体动理学格式应用研究

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中国力学大会-2015

作者：陈松泽徐昆李志辉香港科技大学/数学系中国空气动力研究与发展中心

引入处理复杂物形的浸没边界法,将固体边界通过一套定向边界点来表征,将具有非规则奇形的物面边界离散表征为具有方向矢量的流、固、悬挂节点与插值点,使用约束加权最小二乘方法计算插值点流动物理量,发展求解非规则物

关键词：气体动理学格式直角网格笛卡尔

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