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非结构网格FVM在复杂几何结构的湍流反应流计算中的应用研究

2020-11-28阅读(447)

非结构网格FVM在复杂几何结构的湍流反应流计算中的应用研究

论文摘要

非结构网格有限体积法适合应用于复杂几何结构的流场计算,而SIMPLE系列算法适合应用于工业上广泛存在的低速流、不可压流计算,欧拉-拉格朗日方法适合应用于含稀疏颗粒相的流场计算。本文正是以这些理论为基础展开工作,包括CGNS网格前后处理,压力修正算法的实现和拓展,化学组分源项模型,颗粒相与气相之间的相互作用等。分述如下:本文提出了两种将CGNS非结构网格点数据结构转化为非结构网格面数据结构的快速算法,以作为本文操作非结构网格的基础:内部网格面的整数hash表算法和内部双面壁边界网格面的实数hash表算法。由于CGNS非结构网格存储的是网格结点数据,例如网格结点坐标、每一个网格由哪些结点构成等数据信息;而有限体积法离散过程中,需要用到大量的面积分,所以更多的需要网格面数据结构。内部网格面的构造根据网格面两侧的网格在这个公共网格面上的结点序号相同的特点设计算法,双面壁网格面则根据重合在一起的两个边界网格面中心距离接近于零,或者说小于某一个特征小量,比如该网格面面积的算术平方根来设计算法。两种hash表算法具有快速,内存消耗量小于后续有限体积求解器内存峰值的特点,使前处理算法不会成为整个计算的瓶颈。在压力修正方程的构造过程中,考虑温度修正量对密度修正量的影响,通过静焓方程构造温度修正量与压力修正量的关系,而这种做法的实际效果相当于增强了压力修正量方程线性代数方程组的主对角线。对于可压缩流计算,在流量计算时,在线性插值和迎风格式的基础上,网格面上的密度值采用低阶和高阶的混合格式,动量方程中的压力项处理为滞后的压力梯度项,即线性插值计算方法,和网格面上的压力积分之和,网格面上的压力值则可以采用低阶和高阶混合格式。这些做法兼顾了分辨率和计算的稳定性。在喷雾燃烧数值模拟中考虑了湍流反应组分源项模型如EBU模型、ED模型、Arrinius/EBU/ED模型和Presumed PDF模型。对于颗粒相和气相之间的相互作用,本文一是将颗粒相对气相的反作用阻力中的部分阻力系数剥离,由拉格朗日系统转入欧拉系统,加入到气相动量方程线性代数方程组的主对角线上,这一系数为正实数,增强了主对角线的系数,也增强了含颗粒流的气相迭代计算稳定性;二是在采用时间推进方法计算稳态流场过程中,对耦合的颗粒相与连续相之间计算采用显式和隐式的计算方法进行了研究,这样做的目的在于相对传统的显式时间计算方式,可以采用一个较大的时间步长值进行迭代,从而减少时间推进时的计算量,使得喷雾燃烧数值模拟的计算稳定性得以增强同时减少计算量。在课题组研制的自主知识产权流体力学软件开发过程中,本文作者承担了部分功能模块的研发工作,取得了上述研究成果。并就一些算例与商用软件和经典计算结果予以对比,验证了本文算法的正确性。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 非结构网格有限体积法在CFD中的重要地位
  • 1.2 基于压力的算法SIMPLE系列
  • 1.3 气相燃烧和喷雾模拟
  • 1.4 含颗粒相气相湍流反应流计算的国内外研究现状
  • 1.5 本文主要研究工作
  • 第2章 CGNS网格前后处理算法设计
  • 2.1 CGNS介绍
  • 2.2 前处理算法设计
  • 2.2.1 内部网格面的构造算法
  • 2.2.2 边界网格面的构造
  • 2.2.3 网格面面积和网格体积的计算算法
  • 2.3 后处理
  • 2.4 本章小结
  • 第3章 FVM原理和SIMPLE系列算法
  • 3.1 通用输运方程的守恒型式
  • 3.2 网格形式
  • 3.3 有限体积法离散
  • 3.4 壁面区域处理
  • 3.4.1 壁面函数
  • 3.5 初值和边界条件
  • 3.5.1 第一类边界条件
  • 3.5.2 第二类边界条件
  • 3.5.3 内部薄壁耦合热边界条件
  • 3.6 SIMPLE系列算法
  • 3.7 PISO和BRAESS-SARAZIN算法
  • 3.8 表面标量值的插值方法
  • 3.8.1 二阶迎风格式
  • 3.8.2 QUICK格式
  • 3.8.3 Third-MUSCL格式
  • 3.8.4 中心差分格式
  • 3.8.5 一阶迎风/中心差分混合格式
  • 3.9 其它解法简介
  • 3.10 本章小结
  • 第4章 湍流燃烧模型
  • 4.1 FAVRE平均法
  • 4.2 气相反应模型
  • 4.2.1 Arrinius模型
  • 4.2.2 EBU模型
  • 4.2.3 Eddy Dissipation模型
  • 4.2.4 Arrinius-EBU,Arrinius-ED模型
  • 4.2.5 Presumed PDF模型
  • 4.3 液体燃料的燃烧
  • 4.4 本章小结
  • 第5章 颗粒与气相相互作用模型
  • 5.1 颗粒与气相间的质量、动量和能量交换
  • 5.2 显式与隐式颗粒计算算法
  • 5.3 本章小结
  • 第6章 大型稀疏线性代数方程组的解法
  • 6.1 共轭梯度法CGM
  • 6.1.1 从梯度方法的观点
  • 6.1.2 共轭变换的观点
  • 6.1.3 共轭梯度法
  • 6.1.4 预处理共轭梯度法PCG
  • 6.1.5 其它共轭梯度法
  • 6.2 其它常规迭代方法
  • 6.3 聚合型代数多重网格法
  • 6.4 本章小结
  • 第7章 算例
  • 7.1 后台阶流
  • 7.2 消声器内部流场
  • 7.3 二维甲烷燃烧
  • 7.4 三维甲烷燃烧
  • 7.5 迎风喷雾模拟
  • 7.6 某加力燃烧室喷雾燃烧
  • 7.7 顶盖驱动方腔流
  • 7.8 无粘凸包流（亚音速,跨音速,超音速）
  • 7.9 超音速前台阶流
  • 7.10 本章小结
  • 结论、创新点以及展望
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
  • 致谢

    • 相关论文文献

    • [1].三维空间非结构网格生成方法研究[J]. 计算机工程与应用 2017(22)
    • [2].基于非结构网格间断有限元方法在可压缩流体中的应用[J]. 工程热物理学报 2012(07)
    • [3].并行燃烧数值模拟计算优化——面向自适应非结构网格的动态负载平衡方法[J]. 计算机工程与应用 2013(21)
    • [4].基于神威·太湖之光的非结构网格众核优化技术[J]. 计算机工程 2019(06)
    • [5].基于非结构网格的三维水流数值模拟研究[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版) 2017(11)
    • [6].非结构网格布点方法研究进展[J]. 计算机工程与应用 2008(32)
    • [7].非结构网格催化壁面的隐式处理方法[J]. 推进技术 2018(02)
    • [8].非结构网格二阶有限体积法中黏性通量离散格式精度分析与改进[J]. 力学学报 2018(03)
    • [9].基于非结构网格的气动弹性数值方法研究[J]. 航空动力学报 2009(09)
    • [10].非结构网格边粘性公式[J]. 计算物理 2008(01)
    • [11].非结构网格下稀疏下三角方程求解器众核优化技术研究[J]. 计算机科学 2019(S1)
    • [12].面向非结构网格应用并行程序的编程工具[J]. 计算机科学与探索 2018(02)
    • [13].基于非结构网格的高效求解方法研究[J]. 计算力学学报 2012(02)
    • [14].稀疏非结构网格上的亚声速流高精度数值模拟[J]. 航空学报 2009(02)
    • [15].二维自适应非结构网格DSMC并行算法研究[J]. 计算力学学报 2009(02)
    • [16].基于二维非结构网格的全隐式,迎风格式欧拉方程研究[J]. 科学技术与工程 2008(03)
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    • [18].基于伴随方程方法的非结构网格自适应技术及应用[J]. 空气动力学学报 2011(03)
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    • [20].混合非结构网格下壁面最短距离的快速计算方法[J]. 西北工业大学学报 2014(04)
    • [21].基于非结构网格流场超大规模并行计算[J]. 空气动力学学报 2019(01)
    • [22].基于非结构网格的三维中子输运方程求解方法[J]. 原子能科学技术 2014(10)
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