【摘要】：自然界和工程領域的流動問題常常涉及到動邊界。靜態(tài)邊界流動研究已經(jīng)取得了豐碩的研究成果,但動邊界流動的理論、計算和實驗研究目前仍相對欠缺。近年來,學者們對固定攻角下的細長體進行了大量的實驗和數(shù)值模擬,但是對于細長體經(jīng)歷非定常運動的動邊界問題研究較少:不僅對大攻角細長體非定常自主運動的研究較少,而且對實際密度分層的海洋環(huán)境下大攻角細長體的激發(fā)流場和非定常運動的研究更少。本文以長徑比為6:1的45°攻角橢球體為研究對象,對密度分層流中橢球俯仰振蕩運動和自主運動進行數(shù)值模擬研究。本研究對推動海軍水中武器研發(fā)有著重要的軍事意義。第一,在數(shù)值方法上,本研究的工作包括以下幾點:(1).基于Boussinesq近似,用體積守恒代替質量守恒,引入歸一化無量綱密度α,通過對密度最小和最大的兩種流體的權重分配,實現(xiàn)線性密度分層流體的模擬。為了降低入口和出口垂向非零梯度密度流對壓力邊界的擾動,在入口和出口壓力邊界條件上將壓力與速度關聯(lián),提高了數(shù)值模型的收斂性。(2).針對非結構四面體網(wǎng)格特點,建立了基于有限體積的數(shù)值離散方法。在對流項的離散中,采用基于TVD限制器的線性迎風格式和中心差分格式的混合格式,較好抑制了非物理振蕩。在擴散項的離散中,加入了修正比例0.333的超松弛非正交修正,保證了計算的穩(wěn)定性,獲得了較好的數(shù)值精度。(3).在湍流模型的建立過程中,采用改進的延遲分離渦模型,壁面函數(shù)選擇經(jīng)典的Spalding模型,防止了因y+局部值過小(y+30)壁面函數(shù)失效,保證了y+在小于300的情況下都能滿足要求。(4).基于Aitken加速算法,建立了雙向流固耦合橢球自主運動數(shù)值模型。在壓力方程和速度方程的耦合上,對PISO算法進行了改進,提高了算法的迭代計算效率和對變形網(wǎng)格的適應性。(5).在四面體網(wǎng)格劃分上,采用基于Netgen的前沿推進法,最大非正交角不大于55。,平均非正交角在30°左右,保證了較好的靜態(tài)四面體網(wǎng)格質量。采用四面體網(wǎng)格拓撲結構優(yōu)化和實時分割實現(xiàn)了橢球自主運動的動邊界,該方法在每一時間步重新劃分網(wǎng)格,適用于大尺度運動的解算。采用基于徑向基函數(shù)的六面體網(wǎng)格變形方法實現(xiàn)了橢球俯仰振蕩動邊界,該方法計算效率高,適用于小尺度運動的解算。第二,數(shù)值模擬了密度分層流中橢球體自由俯仰振蕩和受迫俯仰振蕩流場。(1).靜態(tài)繞流數(shù)值結果表明,對于俯仰角度為45。的6:1橢球體,轉捩內弗汝德數(shù)Fris在6.5附近。在Fr6.5的區(qū)域,尾跡內波在近尾區(qū)以垂向結構為主,在遠尾區(qū)以餅狀結構為主。(2).自由衰減俯仰振蕩數(shù)值結果表明,振蕩上下攪動周圍流體,在橢球體左右兩側形成四個對稱渦環(huán),密度的垂向分層限制了渦環(huán)的垂向傳播,也加速了渦環(huán)的消失,這種限制助長了水平運動的發(fā)展。隨著來流速度的增加,阻力系數(shù)不升反降,這說明,對于自由俯仰振蕩的橢球體,“負阻力”現(xiàn)象仍然出現(xiàn)。(3).高頻受迫俯仰振蕩數(shù)值結果表明,內波以紡錘形向上下延伸拓展,并且最終受到分層效應的抑制而發(fā)生彎曲。內波的輻射源點除了橢球體的頭尾兩個端點,還包括橢球體從頭到尾的2/3L處。輻射源點在橢球體左右兩側形成四個對稱渦環(huán),渦環(huán)的生成是一個單一趨勢的過程。內波流向以斜上行波和斜下行波的形式傳播。展向內波具有先雙峰,后單峰,持續(xù)性好,波形穩(wěn)定的特點,隨著流速的增加,展向垂直下行內波包絡內的密度等值線呈螺旋狀。內波在傳播的同時也穿越著密度層,并克服層間的自由剪切作用產(chǎn)生渦旋,渦旋伴隨著局部低壓,低壓對周圍流體產(chǎn)生吸附作用。振蕩橢球受到的粘性剪切力具有周期性變化的性質,其變化周期與振蕩周期一致。第三,數(shù)值模擬了密度分層流中橢球體六自由度自主運動流場。(1).受不同的表面壓力和渦分布的影響,橢球體的運動姿態(tài)變化是不同的。當雷諾數(shù)為10000時,在橢球前端逐漸拉出一條辮子渦,這條辮子渦伴隨著向下的壓力,使橢球頭部一頭栽下去,隨著自由下落,其攻角逐漸變小,甚至為負。當雷諾數(shù)為4.2×106時,從橢球尾部附近開始逐漸有環(huán)狀渦脫落,而在橢球體表面,從橢球的尾部開始逐漸向兩側形成向上運動的表面渦,隨著自由下落,其攻角逐漸變大,甚至超過90°。(2).對于粘性分層流中自主運動的橢球,其下落的速度明顯慢于均勻流中橢球的下落速度;體積效應激發(fā)內波以孤立波為主,并伴隨著非線性隨機內波,其波形特點與橢球的運動姿態(tài)變化有關。
【圖文】：

Ｆｉｇ．邋３．２邐（ａ）．邋Ｕｐｗｉｎｄ邋ｓｃｈｅｍｅ；（ｂ）．邋Ｌｉｎｅａｒ邋ｕｐｗｉｎｄ邋ｓｃｈｅｍｅ；（ｃ）．邋Ｇａｕｓｓ邋ｌｉｎｅａｒ邋ｓｃｈｅｍｅ；（ｄ）．逡逑Ｈｙｂｒｉｄ邋ｓｃｈｅｍｅ邋ｏｆ邋ｌｉｎｅａｒ邋ｕｐｗｉｎｄ邋ａｎｄ邋ｇａｕｓｓ邋ｌｉｎｅａｒ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ＴＶＤ邋ｌｉｍｉｔｅｒ逡逑過（０，０）點和（１，１）點的直線上，四種離散格式下輸運量４的分布情況如圖３．３所逡逑示，，線性迎風格式不但耗散較大，而且出現(xiàn)了小的凸起；中心差分格式則出現(xiàn)了較強的逡逑周期性非物理振蕩；加入ＴＶＤ通量限制器的線性迎風和中心差分混合格式“限制”了逡逑非物理振蕩，在網(wǎng)格節(jié)點數(shù)有限的條件下，獲得了更高的精度。因此，對于非結構網(wǎng)格逡逑的對流項離散格式，基于ＴＶＤ通量限制器的線性迎風和中心差分混合格式在保證了二逡逑階精度的條件下，獲得了較好的穩(wěn)定性和精度。逡逑３．２．４擴散項的離散和非正交修正逡逑對擴散項運用高斯定理：逡逑［ｖ邋？邋（ｐＴ＾ｖ＾ｄｖ邐■邋（ｖ＾）／邐（３．１６）逡逑＾Ｖｐ邐ｊ邐ｊ逡逑－３３邋－逡逑

如圖３．４所示，有如下向量關系式成立：逡逑Ｓｆ邋＝邋Ａ邋＋邋ｋ邐（３．１８）逡逑對于Ａ的取值，參考ＪａＳａｋＭ在其博士論文中提出的超松弛修正法：逡逑Ａ邋＝邋ｕ，，ｌ２邐（３＇１９）逡逑基于超松弛修正法，七分解為兩部分：逡逑＝邋（３．２0）逡逑正交部分邋非正交部分逡逑中，正交部分用中心差分方法隱式求解，非正交部分用精度低一些方法顯式求解。對逡逑某些非結構網(wǎng)格，比如非正交部分比正交部分大很多的網(wǎng)格結構或者局部正交性差的逡逑格結構，超松弛修正方法常常不穩(wěn)定。這里加入一個修正系數(shù)限制式（３．２０）中逡逑
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O35

【參考文獻】

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1 高陽;朱仁傳;繆國平;姚志崇;;均勻連續(xù)分層流的自由面格林函數(shù)[J];上海交通大學學報;2014年12期

2 林言中;陳兵;徐旭;;徑向基函數(shù)插值方法在動網(wǎng)格技術中的應用[J];計算物理;2012年02期

3 魏崗;吳寧;徐小輝;蘇曉冰;尤云祥;;線性密度分層流體中半球體運動生成內波的實驗研究[J];物理學報;2011年04期

4 尤云祥,石強,繆國平;兩層流體中大直徑圓柱體的水動作用力[J];上海交通大學學報;2005年05期

5 葉春生,沈國光;海洋內波對小尺度圓柱體作用力的分析與計算[J];天津大學學報;2005年02期

6 蔡樹群,龍小敏,甘子鈞;孤立子內波對小直徑圓柱形樁柱的作用力初探[J];水動力學研究與進展(A輯);2002年04期

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1 姚志崇;趙峰;洪方文;;連續(xù)分層流中源致內波的CFD模擬方法[A];第二十三屆全國水動力學研討會暨第十屆全國水動力學學術會議文集[C];2011年

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1 李濤;超聲速流中剛體系統(tǒng)分離與繩系控制的數(shù)值模擬[D];大連理工大學;2016年

本文編號：2601689