应用数学和力学

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2016年第37卷第12期

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前言

ACFD11工程计算流体力学专刊前言

吴锤结, 廖世俊, 陆夕云

2016, 37(12): 1-1.

摘要(1424) PDF(519)

摘要:
亚洲计算流体力学学术研究成果交流盛会——第11届亚洲计算流体力学会议（ACFD11），于2016年9月16-20日在中国大连理工大学召开。依托ACFD11，《应用数学和力学》特邀请大连理工大学吴锤结教授、上海交通大学廖世俊教授、中国科学技术大学陆夕云教授担任客座编委，策划组织了“ACFD11工程计算流体力学”专刊，介绍相关领域最新成果，交流创新思想，分享关于流体、传热科学中计算方法的理论和应用前沿。

论文

锯齿射流与圆射流流场和远场噪声特性的对比研究

冉令可, 杨海华, 张星辰, 万振华, 孙德军

2016, 37(12): 1255-1271. doi: 10.21656/1000-0887.370507

摘要(1361) PDF(741)

摘要:
采用大涡模拟研究了高亚音速、基于直径Reynolds(雷诺)数为Re=10⁵的圆喷管构型射流和6齿喷管与4齿喷管构型的锯齿射流.将圆射流的计算结果与前人已有的实验和大涡模拟结果进行了对比，验证了当前计算结果的可靠性.对比研究了锯齿射流与圆射流特征，结果显示锯齿射流在近喷口附近具有更大的径向扩张率和更短的势核区长度；锯齿射流的总声压级在低辐射角度上相比于圆射流可低4dB, 而在侧边辐射方向噪声没有明显升高.分析了锯齿射流和圆射流远场压力脉动的前三阶周向Fourier(傅里叶)模态m=0,1,2，结果显示三组算例在同一周向模态上呈现出相似的声压级分布，然而4齿锯齿射流的第零阶和第一阶周向模态在高辐射角度上相较于圆射流具有更高的噪声水平.将POD分解技术用于提取特定周向模态上的最具能量的大尺度结构，在与大尺度结构相关的波包特征角度部分解释了锯齿射流和圆射流远场噪声特性的不同.

用DES分离涡方法数值模拟串列双圆柱绕流问题

赵伟文, 万德成

2016, 37(12): 1272-1281. doi: 10.21656/1000-0887.370546

摘要(1981) PDF(649)

摘要:
主要开发了SST-DES和SST-DDES两种分离涡方法，并集成到基于开源代码平台OpenFOAM开发的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU中.选用高Reynolds(雷诺)数下串列双圆柱绕流问题作为标准算例来验证所开发的分离涡方法.该标准算例此前在美国国家航空航天局兰利研究中心的两个不同风洞做过物理试验.该研究将数值模拟得到的时均流场信息和一些其他物理量同物理试验结果比较，同时讨论分析了三维瞬态流场结构.结果表明该文开发的SST-DES和SST-DDES分离涡方法能够解决高Reynolds数下有大量流动分离的复杂流动问题.

Re=3 900的圆柱绕流湍流模拟对比研究

靳瑶, 蔡晋生, 廖飞

2016, 37(12): 1282-1295. doi: 10.21656/1000-0887.370512

摘要(2066) PDF(1137)

摘要:
重点采用DDES和CLES研究基于Reynolds(雷诺)数3 900的圆柱绕流.大量已有实验和数值研究结果表明：圆柱后缘流动结构和回流区长度与数值空间离散格式息息相关.基于此考虑，选用了一个优化格式并通过典型的简单湍流流动和强激波流动验证了格式对多尺度结构和激波的捕捉能力.然后，分别采用DDES和CLES对基于Reynolds数3 900的圆柱进行数值模拟.通过对比圆柱表面压力分布、圆柱表面平均速度型和圆柱尾迹区的时均脉动量，发现CLES相比于DDES与实验值吻合更好.从瞬时流场来看， DDES和CLES都能捕捉丰富的流场结构，此外，CLES在物面附近区域包含更多微小脉动.最后，尽管CLES对时均脉动捕捉好于DDES，但是程序实现更加复杂.

三维可压缩Boltzmann模型及其在低Mach数湍流中的应用

国岛雄一, 梶岛岳夫

2016, 37(12): 1296-1307. doi: 10.21656/1000-0887.370556

摘要(1566) PDF(774)

摘要:
改进了有限差分格子Boltzmann方法（FDLBM），以直接数值模拟气动噪声.基于LB求解器特性，采用动力学方程中的恒定对流速度以实施高阶迎风差分，提高了声波和湍流的分辨率.通过建立一个新的三维粒子模型，计算得到了任意比热容的三维可压缩Navier-Stokes系统.此外，利用Bhatnagar-Gross-Krook（BGK）碰撞算子，通过引入热流量修正，实现了Prandtl数的可变性.在激波管内弱声波以及伴随有温度梯度的Taylor-Couette层流的验证计算中，提出的新方法结果良好.此外也对NACA0012翼型绕流进行了三维模拟.其中，Reynolds数、Mach数和攻角分别取2×10⁵，8.75×10^-2以及9°.计算发现，在机翼前缘附近的分离气流位置，以及表面压力波动强度的Mach数依赖性方面，数值计算结果与实验结果相吻合.

亚声速热射流声源模型的应用

张星辰, 杨海华, 万振华, 孙德军

2016, 37(12): 1308-1323. doi: 10.21656/1000-0887.370526

摘要(818) PDF(743)

摘要:
对亚声速转捩热射流中失稳波相关的噪声产生机制进行了研究，并与冷射流中的结果进行了对比.基于时均大涡模拟(LES)流场，通过求解线性抛物化稳定性方程(LPSE)得到了失稳波的空间演化特性，然后基于LPSE的解与声比拟方法构建了射流的线性及非线性声源模型.LPSE结果表明，加热可以提高失稳波的空间增长率，使其更早达到饱和.由线性模型分析可知，加热会提高高频模态的声压级(SPL).与冷射流相比，热射流中线性模型预测的声压级与大涡模拟结果间的差距更小，表明线性机制在热射流中作用更大.在亚声速冷射流中，非线性模型在之前的研究中已经被证明可以提高声辐射效率.在当前热射流中，发现非线性模型与大涡模拟间的声压级差距被进一步的缩小，且温度相关的声源项在声辐射中发挥更重要的作用.

关于高阶精度WCNS格式的无粘通量分裂方法

涂国华, 陈坚强, 毛枚良, 赵晓慧, 刘化勇

2016, 37(12): 1324-1344. doi: 10.21656/1000-0887.370518

摘要(1939) PDF(681)

摘要:
高阶精度加权紧致非线性格式（WCNS）越来越广泛地应用于复杂流动数值模拟.WCNS可以与多种无粘通量分裂方法结合起来使用.但是，常见的通量分裂方法都是基于低阶格式发展起来的，目前还不清楚哪些通量分裂方法最适合WCNS，也不知道这些方法与高阶格式结合时将会产生什么效果.表面热流计算是高超声速流动数值模拟的难点之一，为了在热流计算时选择合适的通量，研究了多种通量分裂方法的耗散大小.每种通量都可以表示成中心部分与耗散部分之和.这些通量的中心部分相同且非常简单，但是耗散部分较为复杂，且不同的通量分裂方法可导致不同的耗散表达式.通过对通量耗散进行分析可以发现耗散大小与网格界面两侧的物理量跳跃近似线性正相关.数值计算表明高阶格式得到的网格界面左右两侧的物理量跳跃通常远比低阶格式小，因而带来的通量耗散小.通过3个典型算例考察了通量耗散对热流计算的影响，其中包括高超激波/边界层干扰算例.基于对van Leer通量、Steger-Warming通量、KFVS通量、Roe通量、AUSM类通量和HLL类通量的考察，给出了通量选择建议.

全附体ONRT船模在波浪中自航的数值模拟

王建华, 万德成

2016, 37(12): 1345-1358. doi: 10.21656/1000-0887.370525

摘要(2868) PDF(610)

摘要:
采用基于重叠网格技术的CFD方法数值研究了全附体ONRT船模在迎浪工况中自航的水动力特性.文中数值计算采用自主开发的面向船舶与海洋工程的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU.自航计算中船体运动及螺旋桨转动等通过重叠网格技术完成，波浪环境则采用求解器中的三维数值造波和消波模块实现.计算中自航船模的螺旋桨转速通过静水自航数值计算得出，波浪工况计算采用东京2015 CFD会议中标准算例进行设置.数值计算结果，如船体运动、实时航速变化等，与试验数据进行了对比分析.此外，给出了数值预报的推力和扭矩系数，并且通过详细的流场信息来分析和解释了船模在波浪中自航过程中的水动力变化情况.数值预报结果同试验值吻合较好，说明采用当前结合重叠网格技术和CFD的数值方法可以很好地预报波浪中自航问题.

基于MPS-FEM耦合方法对比研究刚性与弹性挡板对液舱晃荡的抑制作用

张友林, 陈翔, 万德成

2016, 37(12): 1359-1377. doi: 10.21656/1000-0887.370514

摘要(1734) PDF(598)

摘要:
由流体冲击载荷引起的流固耦合问题广泛存在于船舶与海洋工程领域.例如：在特定激励频率下载液货舱内流体的非线性运动引起对舱壁的砰击作用，进而可能影响液舱围护系统的安全性.由于此类流固耦合问题通常涉及多学科知识，且流体自由面的变化具有强非线性特征，对研究人员带来较大挑战.考虑到Lagrange类方法在处理结构和流体自由面大变形问题上的优势，基于MPS-FEM耦合方法开发了流固耦合求解器.其中，采用MPS方法来数值模拟流体场瞬态变化，FEM方法来分析结构场的变形问题.此外，该求解器采用了弱耦合的方式来实现流体场和结构场之间的数据传递.为了验证该方法在处理流固耦合问题上的可靠性，首先数值研究了溃坝泄洪流与弹性挡板之间的流固耦合标准算例，数值结果与实验标准结果能够较好地吻合.此后，采用该求解器数值研究了带刚性挡板和弹性挡板的液舱晃荡问题，对比分析了多种激励频率下两种挡板对液舱内流体运动及舱壁上冲击压力的抑制效果.

FPSO船与低充水率下LNG液舱晃荡耦合运动的数值模拟

庄园, 万德成

2016, 37(12): 1378-1393. doi: 10.21656/1000-0887.370516

摘要(1649) PDF(533)

摘要:
应用数值模拟方法对FPSO船舶运动与LNG液舱晃荡耦合问题进行了研究.这种全耦合问题的研究基于开源平台OpenFOAM开发的船舶与海洋工程水动力CFD求解器——naoe-FOAM-SJTU进行计算.液舱内部流场与外部流场同时求解.采用带有两个LNG液舱的FPSO船作为对象进行数值模拟，船舶放开3个自由度运动，并在90°浪向的规则波中进行模拟.液舱充水率为20%~20%，低于船外自由水面高度.这种低充水率的液舱会大大减少船舶的横摇运动，并且舱内的流体情况较为复杂.考虑了4种不同的入射波频率下船舶的运动，与实验结果进行了对比.数值模拟结果与实验结果对比吻合良好，验证了数值求解方法的可靠性.还对大波高情况下带有低充水率LNG液舱的船舶运动进行了数值模拟分析.在船舶运动与液舱晃荡全耦合情况下，观察到了液舱内流体的剧烈晃荡和舱壁的脉冲压力.

电弧喷涂的喷嘴射流研究

玉城怜士, 山川胜史

2016, 37(12): 1394-1402. doi: 10.21656/1000-0887.370554

摘要(1409) PDF(556)

摘要:
紧邻电弧喷涂枪喷嘴产生的喷射尾流对生成涂层的性质有着显著的影响.采用计算流体力学（CFD）和纹影摄影技术阐明了喷射尾流的性质.纹影图像的检查结果显示，尾流的性质和宽度取决于用于热喷涂的丝材的方向.通过CFD方法，观察到激波在喷嘴孔口之后迅即形成,然后在下游尾流中衰减.

考虑时间相关性的DSMC方法统计误差分析

李锦, 耿湘人, 陈坚强, 江定武

2016, 37(12): 1403-1409. doi: 10.21656/1000-0887.370533

摘要(1196) PDF(476)

摘要:
过去的半个世纪，DSMC方法已经成为求解稀薄气体流动最有力的数值工具.它的精度问题得到了许多研究者的关注.DSMC方法的误差可以分为两类，一类是统计误差，另一类是数值误差.在DSMC方法中，宏观流动性质是通过对微观分布信息的抽样平均而得到的,因此模拟结果本质上是符合概率统计的,需要对由于有限的抽样步数而导致的统计误差进行仔细地量化考察.统计误差在DSMC方法中占有重要的地位，但是直到今天仍没有被完全研究清楚.尽管前人做了一些研究，但是通常都假设抽样结果是相互独立的, 对于获得精确结果所需的最小抽样步数，还没有清晰统一的认识.时间相关性会增加统计误差理论分析的难度，因此在已有的工作中很少被考虑到.使用统计学中的自相关函数以及修正的中心极限定理，可以量化抽样结果中的时间相关性.在考虑抽样结果时间相关性的基础上，研究了DSMC方法中的统计误差，考核算例为一维的Couette流动问题.量化的结果显示，时间相关性对统计误差的影响很大.时间相关性可增大随机变量抽样序列的方差.