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An extended iterative direct-forcing immersed boundary method in thermo-fluid problems with Dirichlet or Neumann boundary conditions
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作者 Ali Akbar Hosseinjani Ali Ashrafizadeh 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2017年第1期137-154,共18页
An iterative direct-forcing immersed boundary method is extended and used to solve convection heat transfer problems.The pressure,momentum source,and heat source at immersed boundary points are calculated simultaneous... An iterative direct-forcing immersed boundary method is extended and used to solve convection heat transfer problems.The pressure,momentum source,and heat source at immersed boundary points are calculated simultaneously to achieve the best coupling.Solutions of convection heat transfer problems with both Dirichlet and Neumann boundary conditions are presented.Two approaches for the implementation of Neumann boundary condition,i.e.direct and indirect methods,are introduced and compared in terms of accuracy and computational efficiency.Validation test cases include forced convection on a heated cylinder in an unbounded flow field and mixed convection around a circular body in a lid-driven cavity.Furthermore,the proposed method is applied to study the mixed convection around a heated rotating cylinder in a square enclosure with both iso-heat flux and iso-thermal boundary conditions.Computational results show that the order of accuracy of the indirect method is less than the direct method.However,the indirect method takes less computational time both in terms of the implementation of the boundary condition and the post processing time required to compute the heat transfer variables such as the Nusselt number.It is concluded that the iterative direct-forcing immersed boundary method is a powerful technique for the solution of convection heat transfer problems with stationary/moving boundaries and various boundary conditions. 展开更多
关键词 immersed boundary method direct forcing thermo-fluid problems neumann boundary condition
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流化床直接还原磁铁矿的CFD-DEM-IBM模拟
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作者 兰斌 路帅 +2 位作者 徐骥 翟明 王军武 《化工学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第12期4477-4489,共13页
磁铁矿是矿物加工领域直接还原铁的重要原料,流化床直接还原磁铁矿因具有显著降低碳排放、高效传热与传质、高速反应等优势而广泛应用于冶金行业。基于多阻力网络的未反应缩核模型,采用粗粒化CFD-DEM-IBM(计算流体力学-离散单元法-浸没... 磁铁矿是矿物加工领域直接还原铁的重要原料,流化床直接还原磁铁矿因具有显著降低碳排放、高效传热与传质、高速反应等优势而广泛应用于冶金行业。基于多阻力网络的未反应缩核模型,采用粗粒化CFD-DEM-IBM(计算流体力学-离散单元法-浸没边界法)耦合方法模拟磁铁矿在氢气气氛中的流态化还原过程,考察了不同的粗粒化率对颗粒、气体流动以及反应特性的影响。模拟结果表明,当粗粒化率不大于4时,粗粒化系统和真实系统中颗粒整体的还原特性接近,但气体、颗粒的局部流动特性存在差异。当粗粒化率为3时,计算精度在可允许的范围内,并能显著降低计算量。 展开更多
关键词 流态化 磁铁矿还原 CFD-DEM 浸没边界法 反应流 粗粒化
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水陆两栖飞机顶浪中滑行运动特性研究 被引量:1
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作者 胡开业 周辉 +2 位作者 曹嘉荣 江婷 唐彬彬 《船舶力学》 北大核心 2025年第3期351-362,共12页
为了掌握水陆两栖飞机在顶浪中滑行运动的运动特性,采用数值水池-直角网格有限差分方法研究波长和波高对飞机垂荡、纵摇响应及舯部、艏部垂向过载的影响规律。该方法基于分步法对Navier-Stokes方程进行空间离散,采用浸没边界法捕捉复杂... 为了掌握水陆两栖飞机在顶浪中滑行运动的运动特性,采用数值水池-直角网格有限差分方法研究波长和波高对飞机垂荡、纵摇响应及舯部、艏部垂向过载的影响规律。该方法基于分步法对Navier-Stokes方程进行空间离散,采用浸没边界法捕捉复杂物体边界,并准确模拟其大幅运动,同时利用THINC/SW算法有效模拟自由液面的剧烈运动。计算结果表明:波长和波高对水陆两栖飞机的滑行运动响应影响较大,随着滑行速度的增大,纵摇谐振波长不断增大,垂荡谐振波长呈现先减小、后增大的规律,同时飞机的纵摇和垂荡运动响应、艏部和舯部的垂向过载与波高之间的线性关系也会随之减弱。 展开更多
关键词 水陆两栖飞机 滑行运动响应 直角网格 浸没边界法
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一种基于浸没边界-大涡模拟的降落伞流固耦合计算方法
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作者 张扬 濮天梅 +2 位作者 周春华 欧阳弘扬 童旭东 《空气动力学学报》 北大核心 2025年第2期96-109,I0002,共15页
降落伞充气过程涉及复杂的流固耦合(fluid-structure interaction,FSI)现象,浸没边界(immersed boundary,IB)方法作为一种边界非协调方法,适合处理这种非线性大变形FSI问题。将Mittal等提出的尖锐界面IB方法与大涡模拟(large eddy simul... 降落伞充气过程涉及复杂的流固耦合(fluid-structure interaction,FSI)现象,浸没边界(immersed boundary,IB)方法作为一种边界非协调方法,适合处理这种非线性大变形FSI问题。将Mittal等提出的尖锐界面IB方法与大涡模拟(large eddy simulation,LES)相结合(LES/IB),应用于中高雷诺数(Re)降落伞绕流的模拟。在此基础上,结合非线性有限元方法,建立了一种基于适合复杂外形非均匀湍流的动态Vreman亚格子(Vreman subgrid-scale,Vreman SGS)模型的FSI方法,用于模拟降落伞充气过程。最后,通过经典的圆柱绕流算例(Re=3900)验证所发展的LES/IB方法的准确性。结果表明,LES/IB方法对平均阻力系数(C_(D))、后缘点平均背压系数(-C_(p,b))和斯特劳哈尔数(St)的计算结果与直接数值模拟、LES和实验结果吻合较好,误差均低于8%。此外,利用发展的Vreman SGS模型对典型的圆伞和十字伞充气过程中的气动性能和结构响应进行了分析,并与Smagorinsky SGS模型进行了对比。结果表明,在降落伞充气呼吸阶段,两者对阻力系数和投影面积的计算结果吻合较好,相对误差均在5%以内,验证了本文FSI方法的可靠性。 展开更多
关键词 降落伞充气 流固耦合 浸没边界方法 大涡模拟 亚格子模型
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航行体水下垂直发射破冰出水数值模拟研究 被引量:1
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作者 黄润航 黄彪 +1 位作者 刘涛涛 郭智溥 《哈尔滨工程大学学报》 北大核心 2025年第1期157-165,共9页
航行体破冰出水是一个冰-水-固多物理场耦合作用的复杂过程。本文基于键型近场动力学方法、边界数据浸入法以及刚性接触算法,建立了冰-水-固多物理场耦合的数值计算方法。首先,基于高速球体入水实验平台开展了圆球破冰入水实验,并利用... 航行体破冰出水是一个冰-水-固多物理场耦合作用的复杂过程。本文基于键型近场动力学方法、边界数据浸入法以及刚性接触算法,建立了冰-水-固多物理场耦合的数值计算方法。首先,基于高速球体入水实验平台开展了圆球破冰入水实验,并利用实验结果对数值计算方法进行了验证。进一步基于数值计算方法研究了航行体水下航行阶段、破冰阶段、与冰层脱触等阶段动力特性,精确地捕捉到了破冰阶段冰层裂纹发展的典型特征:径向裂纹产生、径向裂纹延伸、交叉裂纹生成、环向裂缝生成。分析了不同冰厚对航行体垂直破冰出水过程的动力特性及冰层破坏特征的影响。结果表明:随着厚度的增加,航行体所受冰载荷越大,速度损失也越大,不易形成环向裂纹。 展开更多
关键词 破冰出水 键型近场动力学 边界数据浸入法 数值计算 裂纹发展 多物理场耦合 动力特性 航行体 水下发射
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基于格子Boltzmann方法的吸热反应双颗粒沉降模拟
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作者 宋祎祺 李雪 +1 位作者 叶茂 刘中民 《化工进展》 北大核心 2025年第5期2984-2996,共13页
双颗粒沉降问题是研究颗粒两相流系统流体力学行为的经典算例。为探究反应过程中热对流的影响,本文采用浸入边界-格子Boltzmann方法对耦合化学反应的催化剂双颗粒沉降过程进行了直接数值模拟,研究中低格拉晓夫数Gr下吸热反应对颗粒-流... 双颗粒沉降问题是研究颗粒两相流系统流体力学行为的经典算例。为探究反应过程中热对流的影响,本文采用浸入边界-格子Boltzmann方法对耦合化学反应的催化剂双颗粒沉降过程进行了直接数值模拟,研究中低格拉晓夫数Gr下吸热反应对颗粒-流体间相互作用和颗粒运动行为的影响。结果表明,反应颗粒的沉降运动受颗粒雷诺数Re、Gr和达姆科勒数Da的协同影响。由于热流体中发生吸热反应的颗粒所受热浮力与重力方向一致,随着Gr的增加,颗粒沉降速度增加,两颗粒出现横向振荡行为,并在热对流的作用下相互远离。根据颗粒Re的大小,颗粒运动模式可以分为三个阶段,随着Re的增大,热对流的影响逐渐减弱,颗粒惯性作用占主导。Da主要影响颗粒周围的热对流,当颗粒表面发生快速反应时,颗粒周围流体温度梯度增大,颗粒-颗粒间相互作用增强。 展开更多
关键词 浸入边界格子Boltzmann方法 流体动力学 颗粒流 传热
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面向DCU的流固耦合浸没边界算法异构实现
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作者 商建东 熊威 +3 位作者 华浩波 宋昭璐 郭恒亮 张军 《计算机工程》 北大核心 2025年第7期263-274,共12页
直接力浸没边界法是求解流固耦合问题的常见方法之一,其可以有效地处理复杂的几何形状,包括移动和变形的固体。然而,三维复杂流动模拟具有网格规模大、耗时多的特点,在单核处理器上使用传统的串行算法往往无法满足计算要求。目前,在国... 直接力浸没边界法是求解流固耦合问题的常见方法之一,其可以有效地处理复杂的几何形状,包括移动和变形的固体。然而,三维复杂流动模拟具有网格规模大、耗时多的特点,在单核处理器上使用传统的串行算法往往无法满足计算要求。目前,在国产平台上对流固耦合问题的研究较少,而在国产平台上实现直接力浸没边界算法能够丰富平台的应用生态。为此,使用国产DCU(Deep Compute Unit)加速器,基于CPU-DCU异构编程,设计并实现利用三维直接力浸没边界算法求解流固耦合问题的并行程序。首先,在CPU上实现串行算法并进行热点分析,对程序热点部分使用DCU加速器进行异构加速;其次,在异构实现的基础上,结合DCU硬件特性,使用共享内存、循环分块、调整访存顺序等优化手段对核函数进行优化;最后,通过圆球绕流和仿生鱼自主游动算例对程序进行正确性验证和性能测试。实验结果表明,在雷诺数分别为100和200时,圆球的阻力系数分别为1.11和0.78,计算结果均与相关文献吻合;在雷诺数为7142的仿生鱼自主游动实验中,游动稳定后的平均前进速度为0.396,该结果与相关文献结果一致。在圆球绕流实验中,在5033万网格规模下该并行程序较串行程序获得了83.7倍的加速效果。通过两类流固耦合数值实验,验证了CPU-DCU并行直接力浸没边界算法在国产异构平台上进行计算的有效性和准确性,这为国产平台上CFD(Computational Fluid Dynamics)算法的研究提供了坚实基础。 展开更多
关键词 异构计算 DCU加速器件 访存优化 直接力浸没边界法 流固耦合
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基于浸入边界法的河岸水轮机尾流恢复规律
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作者 高瑾瑾 廖轶鹏 +3 位作者 郑源 李云 刘国庆 范子武 《哈尔滨工程大学学报》 北大核心 2025年第5期876-883,共8页
为充分利用河流动能并最大程度减小水电开发对生态环境产生的影响,本文研发了一种环境友好型河岸水轮机装置。为进一步推广其应用并对多机组阵列优化布置提供依据,需深入研究其尾流分布及恢复规律。鉴于此,本文对其与明渠流的相互作用... 为充分利用河流动能并最大程度减小水电开发对生态环境产生的影响,本文研发了一种环境友好型河岸水轮机装置。为进一步推广其应用并对多机组阵列优化布置提供依据,需深入研究其尾流分布及恢复规律。鉴于此,本文对其与明渠流的相互作用过程进行了大涡模拟。采用浸入边界法求解河岸水轮机固体动边界,并基于耦合水平集流体体积法捕捉自由液面。结果表明:河岸水轮机尾流区存在一个速度亏损区域;速度亏损量、湍流强度和雷诺剪切应力在水轮机下游近尾流区恢复速度快,到远尾流区时恢复速度逐渐减弱,直至尾流完全恢复;对流向速度的雷诺平均方程的各输运项进行求解,发现平流项在水轮机尾流区对动量恢复的影响最大。研究成果可为河岸水轮机的推广应用及多机组阵列布置提供理论参考。 展开更多
关键词 河岸水轮机 大涡模拟 浸入边界法 自由液面 尾流恢复 速度亏损 湍流强度 动量输运项
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防风网PM-IBM模型及其在堆场扬尘庇护区湍流模拟中的应用 被引量:1
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作者 许栋 张博曦 +1 位作者 及春宁 杨海滔 《计算力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第5期577-584,共8页
防风网是煤炭和矿石等物料堆场的重要抑尘设施,能够利用多孔网板形成风速庇护效应,减少扬尘带来的大气污染。基于计算流体力学的数值风洞是预测防风网减风抑尘效率的先进手段,然而网板边界模型及其复杂阻风作用机制一直是风场湍流模拟... 防风网是煤炭和矿石等物料堆场的重要抑尘设施,能够利用多孔网板形成风速庇护效应,减少扬尘带来的大气污染。基于计算流体力学的数值风洞是预测防风网减风抑尘效率的先进手段,然而网板边界模型及其复杂阻风作用机制一直是风场湍流模拟的难点。本文将浸入边界法与多孔介质模型相结合,通过在NS方程中引入与渗流压降对应的力源项,建立PM-IBM(Porous Medium-Immersed Boundary Method)模型,实现了结构化网格下的防风网数值边界,并应用于堆场扬尘庇护区湍流风场模拟。结果表明,防风网网高大于1.4倍堆场高时,堆顶扬尘风速随网高呈非线性增长;PM-IBM模型结合通用计算流体力学求解器FLUENT,能够快速、高精度地模拟防风网的阻风作用,为堆场扬尘抑制效率评估提供数据支持。 展开更多
关键词 防风网 抑尘 浸入边界法 多孔介质法 PM-ibm模型
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基于浸入吸收边界的起伏地表逆时偏移方法
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作者 陈汉明 陈柯吉 +2 位作者 王玲谦 韩己航 周辉 《地球物理学报》 北大核心 2025年第3期1069-1086,共18页
对起伏地表的地震数据直接进行逆时偏移是避免常规静校正不准对偏移成像影响的有效手段.准确模拟起伏地表条件下的地震波场需要考虑起伏的自由边界,但对于逆时偏移而言,为避免与自由地表相关多次波的干扰,需要采用吸收边界条件.然而,由... 对起伏地表的地震数据直接进行逆时偏移是避免常规静校正不准对偏移成像影响的有效手段.准确模拟起伏地表条件下的地震波场需要考虑起伏的自由边界,但对于逆时偏移而言,为避免与自由地表相关多次波的干扰,需要采用吸收边界条件.然而,由于矩形网格阶梯近似的问题,适用于水平地表的吸收边界并不能直接用于起伏地表.当考虑起伏地表时,通常将波动方程转换到曲线坐标系下求解,但该方法将成倍地增加计算量,且当地表剧烈起伏时还存在数值求解不稳定的问题.为此,本文基于平面波透射边界条件提出了一种高效的适用于起伏地表的浸入吸收边界条件,实现了声波方程有限差分数值模拟中波场沿地表法向的吸收衰减,有效避免了来自地表的边界反射.浸入吸收边界基于传统的矩形网格剖分,无需网格映射,其实现过程仅涉及少量非整数网格节点的波场插值,计算效率高.以浸入吸收边界为基础,本文进一步发展了起伏地表逆时偏移方法,实现了对起伏地表地震数据的直接偏移成像.二维和三维波场数值模拟算例证实浸入吸收边界条件能有效地吸收来自地表的边界反射,即使当地表存在不可导的奇异点时,浸入吸收边界条件仍能获得良好的吸收效果,且能在长时间的模拟过程中保持稳定.二维合成数据的逆时偏移测试证实基于浸入吸收边界的逆时偏移方法能对地表采集的地震数据直接偏移成像,获得准确的地下构造. 展开更多
关键词 逆时偏移 起伏地表 浸入边界法 吸收边界条件 有限差分 地震波
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基于高阶浸入边界法的变构型非定常气动仿真方法研究
11
作者 陈海鹏 顾祥玉 +2 位作者 王鑫蔚 秦剑 吴杰 《宇航学报》 北大核心 2025年第3期473-484,共12页
在航空航天领域,变构型飞行器可在大范围速域和空域中均保持良好的气动特性。在跨域飞行任务中,变构型是突破固定构型飞行器性能边界的有效途径,具有良好的应用前景。然而,在飞行器变形过程中,由物面边界动态变化引起的非定常气动特性... 在航空航天领域,变构型飞行器可在大范围速域和空域中均保持良好的气动特性。在跨域飞行任务中,变构型是突破固定构型飞行器性能边界的有效途径,具有良好的应用前景。然而,在飞行器变形过程中,由物面边界动态变化引起的非定常气动特性给仿真带来了严峻挑战。将浸入边界法(IBM)与高阶通量重构方法相结合,发展了一种适用于变构型飞行器变形过程的非定常气动仿真方法,大幅降低了模拟物面边界运动的动态计算网格生成难度,同时可实现对流场细节的精细化捕捉。采用运动圆柱与静止激波的相互作用过程、NACA0012翼型俯仰振荡运动以及机翼投弹3个案例,对高阶IBM方法进行了验证。最后,将该方法应用于类X-37B飞行器翼面展开过程的仿真,研究飞行攻角、折叠角速度对飞行器非定常气动特性的影响。 展开更多
关键词 通量重构 浸入边界法(ibm) 折叠翼 变构型飞行器
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基于反距离加权插值重构的沉浸式边界方法研究
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作者 王鑫鑫 赵万东 梁剑寒 《应用数学和力学》 北大核心 2025年第6期687-696,共10页
提出了一种自适应的幂参数反距离加权(adaptive power parameter inverse distance weighted,AIDW)的重构方法,旨在提高虚拟网格法在处理沉浸边界问题时的精确性.AIDW利用了反距离加权插值的特性,结合插值节点的物理量分布与局部流动特... 提出了一种自适应的幂参数反距离加权(adaptive power parameter inverse distance weighted,AIDW)的重构方法,旨在提高虚拟网格法在处理沉浸边界问题时的精确性.AIDW利用了反距离加权插值的特性,结合插值节点的物理量分布与局部流动特性的综合信息,以自动调整幂参数的值,从而在各种流场条件下提升重构精度.该方法尤其在处理复杂边界附近的间断界面时存在优势.通过倾斜激波管和圆柱Couette流动两个算例的数值模拟,AIDW展现出了其在修正间断界面的扭曲和提高流场物理量分布精度方面的优势. 展开更多
关键词 沉浸式边界法 虚拟网格法 反距离加权插值 Descartes网格
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基于σ坐标和IBM的大型圆柱波浪力数值模拟 被引量:5
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作者 康啊真 祝兵 邢帆 《西南交通大学学报》 EI CSCD 北大核心 2014年第2期233-239,共7页
为探讨波浪效应下大型圆柱所受的波浪力,以多层σ坐标变换模型为基础,模拟随时间变化的自由表面,建立了三维波浪与结构物相互作用的数学模型.对三维波浪与大型圆柱波浪力进行了数值模拟,用浸没边界法(IBM)处理不规则结构物表面.结果表明... 为探讨波浪效应下大型圆柱所受的波浪力,以多层σ坐标变换模型为基础,模拟随时间变化的自由表面,建立了三维波浪与结构物相互作用的数学模型.对三维波浪与大型圆柱波浪力进行了数值模拟,用浸没边界法(IBM)处理不规则结构物表面.结果表明:圆柱波浪力、力矩的数值计算结果与试验结果和理论解吻合,水平波浪力和力矩随波数先增大然后减小,竖向波浪力随波数增大而减小,建立的三维数学模型能够很好地模拟结构物所受的波浪力及力矩. 展开更多
关键词 波浪效应 多层σ坐标变换模型 浸没边界法 圆柱 数学模型
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基于IBM-LES的贯流泵湍流特性 被引量:3
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作者 阚阚 张清滢 +3 位作者 黄佳程 李昊宇 郑源 陈龙 《排灌机械工程学报》 CSCD 北大核心 2022年第2期144-149,共6页
为充分了解贯流泵运行工况下的内部流动特性,通过基于浸没边界法的大涡模拟(IBM-LES)方法,研究了圆柱坐标系下某贯流泵在设计工况的三维非定常湍流流场.模拟基于三维笛卡尔网格坐标系,空间离散采用有限差分格式,时间推进采用二阶龙格库... 为充分了解贯流泵运行工况下的内部流动特性,通过基于浸没边界法的大涡模拟(IBM-LES)方法,研究了圆柱坐标系下某贯流泵在设计工况的三维非定常湍流流场.模拟基于三维笛卡尔网格坐标系,空间离散采用有限差分格式,时间推进采用二阶龙格库塔法,大涡模拟采用动态亚格子应力模型.采用水平集法描述流体中流道、叶轮、导叶等固体区域边界.结果表明:靠近叶轮叶片根部圆周截面的整体湍动能较弱,而在中等跨度圆周截面区域湍动能最大的位置位于叶轮叶片尾流区域,两处湍动能均主要由流向方向分量提供.叶轮叶顶间隙涡区域湍动能强度较大,且3个方向分量贡献相当.而在后置导叶尾流中,随着流向距离的增大和湍流的耗散与发展,尾流会逐渐发展而表现出均匀的圆管流动特性.研究结果可为改善贯流泵运行稳定性提供理论参考和工程应用支撑. 展开更多
关键词 贯流泵 浸没边界法 大涡模拟 圆柱坐标系 湍流特性 湍动能
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三角形布置圆柱体群绕流特性与流动机理研究
15
作者 涂佳黄 吕海宇 +1 位作者 胡刚 王贯宇 《船舶力学》 EI CSCD 北大核心 2024年第3期354-367,共14页
基于浸没边界-多松弛-格子玻尔兹曼方法,对Re=100时等边三角形布置三圆柱体群绕流问题进行数值模拟,分析间距比(Kd)与来流角度(α)两个关键参数对流体力系数及流场特性的影响,揭示其流动机理。计算结果表明:不同流场下尾流模式分为单漩... 基于浸没边界-多松弛-格子玻尔兹曼方法,对Re=100时等边三角形布置三圆柱体群绕流问题进行数值模拟,分析间距比(Kd)与来流角度(α)两个关键参数对流体力系数及流场特性的影响,揭示其流动机理。计算结果表明:不同流场下尾流模式分为单漩涡、单漩涡体向双漩涡过渡、不规则的双漩涡、规则的双漩涡、双漩涡向三漩涡过渡、不规则的三漩涡和规则的三漩涡模式,在α=30°时流场下游涡街更加规则,尾流模式转变更快。三圆柱所受的时均流体力系数受间隙流流速影响较大,各来流角度下随间距比(除小间距比外)的变化趋势基本一致,尾流模式转变会导致三圆柱群的流体力系数均方根值发生显著变化,在Kd≥3.5后上游圆柱流体力系数均方根值有较大起伏。除α=0°工况外,在Kd≥2.5后中游圆柱的涡脱落频率受α和Kd影响较小,数值相对稳定。 展开更多
关键词 浸没边界-多松弛-格子玻尔兹曼方法 等边三角形布置 尾流模式 流体力系数 流动机理
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建立基于浸入边界有限元法的三维静脉瓣流固耦合数值模型 被引量:4
16
作者 汪波 韩阳 齐楠 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第1期40-45,共6页
目的 探究静脉内血液与瓣膜之间的流固耦合动态过程和保证血液单向回流的生理机制。方法 基于浸入边界有限元法,结合人体下肢静脉医学图像及牛大隐静脉的解剖结构和尺寸,采用超弹性本构模型描述静脉瓣膜在生理条件下不可压缩、非线性和... 目的 探究静脉内血液与瓣膜之间的流固耦合动态过程和保证血液单向回流的生理机制。方法 基于浸入边界有限元法,结合人体下肢静脉医学图像及牛大隐静脉的解剖结构和尺寸,采用超弹性本构模型描述静脉瓣膜在生理条件下不可压缩、非线性和超弹性力学响应,构建静脉血管和静脉瓣膜的三维数值模型。结果 研究结果可视化地展示静脉动态运输血液的过程以及静脉瓣膜防止反流的功能机制,再现静脉内瓣膜运动和血液流动的周期性特点,讨论和量化了整个心动周期内的重要生理数据,包括静脉内血液的压力、流速和流量以及静脉瓣膜的开口面积、静脉瓣膜表面的应力和应变分布等。结论 三维流固耦合模型可数值再现静脉内生理动态过程,为进一步揭示静脉疾病相关机制提供重要的参考和指导意义。 展开更多
关键词 流固耦合 静脉瓣膜 浸入边界法 有限元分析 三维模型
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二尖瓣运动的流固耦合仿真 被引量:1
17
作者 居佳怡 颜文涛 +2 位作者 魏来 高昊 王盛章 《医用生物力学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第3期504-509,共6页
目的 建立包含左心和血液的二尖瓣理想模型,用流固耦合仿真研究二尖瓣在血流中的运动特性。方法 基于解剖学参数建立二尖瓣、左心和血液模型,流固耦合仿真采用有限元结合浸没边界法,使用有限元软件LS-DYNA模拟二尖瓣运动,获取形态学、... 目的 建立包含左心和血液的二尖瓣理想模型,用流固耦合仿真研究二尖瓣在血流中的运动特性。方法 基于解剖学参数建立二尖瓣、左心和血液模型,流固耦合仿真采用有限元结合浸没边界法,使用有限元软件LS-DYNA模拟二尖瓣运动,获取形态学、力学和血液动力学参数,并与结构仿真结果进行对比。结果 两种仿真下二尖瓣形态学结果差异较大,流固耦合结果与超声影像吻合。流固耦合仿真和结构仿真的瓣叶应力分布结果一致,最大第一主应力分别为1.48、1.53 MPa,相对误差为3.27%。左心流场有较为复杂的涡旋结构,舒张期二尖瓣最大流速为1.02 m/s,与健康人体生理数据(0.89±0.15) m/s相吻合。结论 二尖瓣流固耦合仿真可以获取更贴近于生理的形态学结果;流固耦合仿真可以提供临床诊断不可或缺的流场参数信息;单研究瓣叶应力分布问题时,结构仿真更高效。 展开更多
关键词 二尖瓣 流固耦合仿真 有限元结合浸没边界法 结构仿真
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一种面向舰船结构毁伤的大变形流固耦合数值计算方法 被引量:3
18
作者 王杰 王景焘 +3 位作者 黄超 伍洋 刘娜 张磐 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期335-343,共9页
水下爆炸导致舰船结构毁伤是一个复杂的非线性大变形流固耦合过程,高精度的流固耦合计算是获得高置信模拟结果的关键。基于浸没边界思想,本文提出一种面向大变形壳理论的流固耦合数值方法,可精确刻画流固耦合界面并高效求解流固界面约... 水下爆炸导致舰船结构毁伤是一个复杂的非线性大变形流固耦合过程,高精度的流固耦合计算是获得高置信模拟结果的关键。基于浸没边界思想,本文提出一种面向大变形壳理论的流固耦合数值方法,可精确刻画流固耦合界面并高效求解流固界面约束方程。基于该方法,本文提出了完整的适用于水下爆炸舰船结构毁伤的大变形流固耦合数值计算方案,并基于大规模并行编程框架,研发形成适用于舰船结构毁伤的流固耦合大规模并行计算软件。与泰勒平板理论解和水下爆炸结构冲击响应实验数据等进行对比表明,本文方法可有效模拟大变形流固耦合工程问题,具备较高数值求解精度。在此基础上,完成了水下爆炸整船结构毁伤过程大规模数值模拟。该方法可有效应用于舰船毁伤等级评估,应用前景广阔。 展开更多
关键词 大变形流固耦合 浸没边界法 舰船结构毁伤 并行编程框架
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狭窄通道红细胞跨膜传质特性数值分析 被引量:1
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作者 傅尧 王骁龙 龚晓波 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第5期1297-1306,共10页
随着对血液微流动过程的不断探索,红细胞在微通道中的运动微观特性备受关注,利用流体力学特性的低损伤手段调控细胞体积并完成跨膜传药也逐渐成为研究热点.为了分析红细胞在微通道中的传质和力学特性及其影响因素,采用浸入式边界法研究... 随着对血液微流动过程的不断探索,红细胞在微通道中的运动微观特性备受关注,利用流体力学特性的低损伤手段调控细胞体积并完成跨膜传药也逐渐成为研究热点.为了分析红细胞在微通道中的传质和力学特性及其影响因素,采用浸入式边界法研究细胞穿越狭窄通道的整个运动过程,并考虑细胞膜表面透水传质效应,完成细胞跨膜传质过程的数值建模,实现对狭窄通道中红细胞跨膜传质过程微观的传质特性数值分析.研究表明,细胞在挤入、排出狭缝的运动过程中,体积先损失、后恢复,在这个过程中,细胞头部和尾部以向外的渗透流出为主,中间部位则以向内的渗透流入为主.文章的研究进一步表明,狭缝挤压过程中的体积净变化是由向内和向外渗透速度的大小差异引起的,而与向内和向外渗透的膜面积差异并无明显关系.对体积变化的影响因素探究后发现,更狭窄的通道和更大的入口出口角均会引起细胞发生更多的体积损失和体积恢复,且出口角的变化会引起细胞体积恢复后所达到的体积稳定值:在固定入口角时,狭缝出口角越大,细胞离开狭缝后的稳定体积越小;细胞的硬度越大、细胞膜通透性(渗透系数)越大,细胞在狭缝中运动过程中的体积损失和体积恢复程度越高. 展开更多
关键词 红细胞 数值模拟 跨膜传质 浸入式边界法 流固相互作用
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刚性薄平板绕流特性的数值模拟 被引量:1
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作者 蔚杰 武建军 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期699-708,共10页
为了揭示雷诺数、来流剪切参数对平板尾流涡街演化过程以及平板阻力特性的影响规律,本文基于浸没边界-格子Boltzmann方法建立了刚性薄平板绕流模型,并在雷诺数为100~1200内,对不同雷诺数与来流剪切参数下的刚性薄平板绕流问题进行数值... 为了揭示雷诺数、来流剪切参数对平板尾流涡街演化过程以及平板阻力特性的影响规律,本文基于浸没边界-格子Boltzmann方法建立了刚性薄平板绕流模型,并在雷诺数为100~1200内,对不同雷诺数与来流剪切参数下的刚性薄平板绕流问题进行数值模拟。分别研究了平板尾流区沿流向的2次失稳跃迁过程以及平板流向载荷随来流剪切参数的变化及其对雷诺数的依赖性,并对其机理进行了讨论。研究表明:随着流场剪切参数的增加,平板近尾流经过数次准周期分岔过程进入了由大尺度涡结构所主导的混沌状态,进一步诱发了低频、混沌的结构阻力;雷诺数越大,向混沌特征流向载荷转变所需的临界剪切参数越小。 展开更多
关键词 雷诺数 来流剪切参数 浸没边界-格子Boltzmann方法 刚性薄平板 尾流 失稳 分岔 阻力
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