学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

采用滑移网格的二维非定常NS方程数值计算

作　者: 周瑜
导　师: 乐嘉陵；吴颖川
学　校: 中国空气动力研究与发展中心
专　业: 流体力学
关键词: 非定常有限体积二维粘流滑移网格运动激波高速列车
分类号: O35
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 167次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

随着新世纪交通工具的发展,列车运行速度不断提高,高速列车的空气动力学研究逐渐凸显出其重要性。磁浮列车作为一种新兴地面交通工具,其高速的特点也使得空气动力学问题更为突出。特别是列车在会车和穿越隧道过程中所遇到的气动问题,相比露天、单列行车要剧烈和严重得多。由于列车尺度巨大、耗能和试验花费高等特点,全尺度的试验研究迄今仍相当困难和稀少,数值模拟成为有力的应用工具。列车的运动是复杂的三维流场,要尽量准确地描绘一般来说是应用三维数值计算。但纯三维情形下进行完全模拟的网格量和计算量十分庞大,计算效率难以接受。考虑到列车自身长度远大于其直径,则减少一个维度对其进行二维截面数值模拟研究是可行的。列车是亚声速运动的一个典型,激波则是超声速运动的特有现象。非定常激波绕物体的运动,以及在复杂环境下传播时产生反射、绕射,使得物体与激波之间产生强烈的相互作用,物体表面承受不同的冲击效应,对周边环境也产生强烈的影响。长期以来此类问题一直是开展流动机理研究和进行大规模工程实验的一个重要内容,对飞行器结构设计等方面也有重要意义。本文分为6章。第一章是引言,主要介绍了高速列车空气动力学和运动激波问题的研究背景、意义,以及当前国内外的研究进展等,随后对本文工作作了简要介绍。第二章介绍了计算方法。本文使用有限体积法求解二维无化学反应无源项NS方程,在部分算例中应用了滑移网格技术对运动边界网格进行处理,较好地模拟了存在相对运动的两物体的流场。计算方法上,采用了AUSM+、AUSMPW+和LDFSS三种无粘格式,原始变量、守恒变量两种MUSCL插值,显式Runge-Kutta法、隐式LU双时间步法和双时间步Runge-Kutta法三种时间推进方法。第三章是非定常数值计算验证。通过经典的SOD激波管算例,应用第二章中涉及的各种方法格式进行了全面详细的计算,验证了计算程序的可靠性,对不同方法的计算结果进行了分析比较,选取表现较好的格式开展正式计算。第四章是对非定常运动激波的模拟。在前述研究基础上,应用选定格式对激波绕圆柱的非定常流动作了数值计算,给出了不同时刻流场分布,较好地模拟出了管道内激波绕流问题,包括尾部交汇、固壁反射,形成复杂波系等现象,比较了显隐式两种非定常时间算法。然后对运动激波与超声速飞行物体头激波及物体自身相互作用的两波干扰现象进行了模拟,给出了不同时刻流场压强和密度分布,以及物体上下表面各点压强变化情况,基本准确地描绘了该干扰过程。第五章是列车运动模拟,对二维情形下高速列车穿越隧道问题展开计算,分析了运动过程中车体及隧道内流场的气动特性,给出了各时刻对称面上压强分布及车体上固定点和出口的压强分布,对尾部流动分离现象进行了初步研究并分别描绘出层流、湍流工况下流场特征,总结了过程中压力波的产生、传播、反射等问题。计算结果与既有参考结果吻合较好,符合一般钝体绕流规律。随后,对两列车在露天交会的情况进行了简单模拟。描绘了各时刻整体流场及两车上不同测点处的压强变化,分析了该过程中压力波的生成、运动、碰撞和与车体的相互作用等,给出了各点的最大压差。最后,在结束语中,我们对已有的工作作了总结,对本文所采用的两种显隐时间推进方法进行了概括比较,指出存在的不足和今后的发展方向。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章引言  10-20
  1.1 研究背景和意义  10-11
  1.2 国内外研究进展  11-18
  1.3 本文工作  18-20
第二章计算方法  20-33
  2.1 控制方程  20-22
  2.2 离散方程  22-23
  2.3 通量格式  23-27
    2.3.1 无粘通量  23-26
    2.3.2 粘性通量  26-27
  2.4 时间推进方法  27-29
  2.5 边界条件  29-30
  2.6 滑移网格  30-32
  2.7 小结  32-33
第三章非定常数值计算验证  33-53
  3.1 两种PK格式  33-34
  3.2 无粘通量格式  34-36
  3.3 原始变量和守恒变量  36-38
  3.4 三种时间推进方法  38-51
    3.4.1 隐式LU双时间步法  39-46
    3.4.2 显式Runge-Kutta法  46-48
    3.4.3 双时间步Runge-Kutta法  48-51
  3.5 小结  51-53
第四章非定常运动激波  53-71
  4.1 激波绕圆柱流动  53-62
  4.2 两波干扰  62-70
  4.3 小结  70-71
第五章列车运动模拟  71-92
  5.1 列车穿越隧道数值计算  71-83
  5.2 露天会车数值计算  83-91
  5.3 小结  91-92
第六章结束语  92-94
致谢  94-95
参考文献  95-98
附录个人简历  98

采用滑移网格的二维非定常NS方程数值计算

内容摘要

全文目录

相似论文