基于气体动理学格式的射流及绕流数值模拟

发布时间：2020-07-17 06:50

【摘要】：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。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O35
【图文】：

示意图,虚拟网格,计算区域,网格

科技大学硕士学位需要给出恰当的边界条件，数值计算结果的精处理密切相关。流场信息的记录和更新是通过件可以直接利用宏观变量的边界条件，如滑移壁速度入口，无反射边界条件等；另一方面，气体接计算宏观量，所以可以直接利用分布函数设置，微观出入口边界条件等。本文使用虚拟网格技为计算区域网格设置和虚拟网格示意图，阴影区拟网格。坐标原点位于左下角虚拟网格处，水平向。

示意图,周期边界,示意图,边界流

下一步在对应的边界流回流场，可以保证流域内粒子总数不变，保证质量守恒。周期边界示意图如图2-2 所示：计算域上下边界为周期边界时，粒子可以从上边界流出下边界流入，也可以从下边界流出上边界流入，分别如图 2-2 中左右虚线所示。Poiseuille 流和 Couette流的上下平板均为无限大平板，需要利用周期性边界条件构造无限大空间，此外在自由射流的物理模型中也采用了周期性边界条件。

示意图,物理模型,示意图,管道

图 2-3 Poiseuille 流物理模型示意图（2）边界处理及参数设置计算域尺寸取为 ≤ ≤ ， ≤ - ≤ 。采用结构化网格，网格数为 128×64。边界条件：上下两个平板为无滑移壁面边界条件，左边界为压力进口边界条件，入口压力为 1.01，右边界为压力出口边界条件，出口压力为 1.0，各种边界处理方式如上节所示。初始条件：对于整个流域 a ；ɡ 。（3）结果分析Poiseuille 流的流向速度分布云图如图 2-4 所示。在图 2-4 中可以看出：越靠近管道中心流向速度云图颜色越深，即流向速度从管道边界层到管道中心逐渐增加；流体的黏性作用从管道边界层到管道中心的影响越来越小，故速度越来越大；在水平中心

【参考文献】