计算流体力学 典型算例

计算流体力学典型方法与算例1.黎曼问题——有限体积TVD2.激波尖劈反射——WAF，PLM3.喷口出流问题——MUSCL有限元4.带运动边界的黎曼问题——MUSCL5.底排装置内流场——有限体积TVD6.后台阶超音速粘性流——MacCormack8.三维爆轰波的精细结构——FCT9.非结构网格自动生成技术4例7.气固两相化学反应流——PSIC10.自适应非结构网格应用2例黎曼问题2、对二维矩形流场的网格化（结构化网格）图1.1流场初始网格1、采用的差分方法：有限体积TVD方法P=1,T=1P=10,T=1黎曼问题3、计算结果图1.2时间t=0.13时的变量曲线图压强密度速度激波尖劈反射1.流动模型垂直于x方向、起始马赫数为MS的正激波与尖劈角为的尖劈相遇，可能发生的激波反射形式有。(a)正规反射，(b)单马赫反射，(c)复杂马赫反射，(d)双马赫反射。激波尖劈反射2.数值方法分别采用(1).WAF(WeightedAverageFlux)格式(参看6.2~6.3)；(2).PLM(Piece-WiseLinearMethod)格式(参看6.4.3)计算网格为CHIMERA自适应网格。3.计算结果计算域：25.016.5（x-y平面）激波起始位置x=4.0尖劈位置x=4.69环境参数：a=1.225kg/m3,pa=101325Pa,ua=0,va=0WAF和PLM方法的计算结果如图所示Ms=1.7,=25°;(a)实验结果，(b)矩形网格等密度线，(c)输出时的自适应网格，(d)自适应网格等密度线Ms=1.2,=30°;WAF格式数值模拟结果密度压力速度密度压力Ms=1.2,=30°;PLM格式数值模拟结果喷口出流问题1、控制方程upuEuvpuuUFx20yUFxUFtUyxEvuUvpvEpvuvvUFy2喷口出流问题2、采用的差分方法：MUSCL有限元方法3、计算模型及对流场的网格化图3.1计算模型图3.2流场初始网格P=1,T=1P=10,T=14、计算结果图3.3在不同时间段的网格与流场图(a)t=0.01(b)t=0.02(c)t=0.06(d)t=0.1带运动边界的黎曼问题1、控制方程upuEuvpuuUFx20yUFxUFtUyxEvuUvpvEpvuvvUFy2带运动边界的黎曼问题2、差分方法：MUSCL有限元方法3、计算网格图4.1计算模型图4.2流场初始网格P=1T=1P=10T=14.计算结果——图4.3在不同时间段的网格与流场图(a)t=0.01(b)t=0.14(c)t=0.26(d)t=0.4底排装置内流场数值模拟1.数学模型。组分的化学反应生成率为），，，，（式中iwCunum12122122121,,,)0,0,0,,,,()(])(,,,,,,[)(])(,,,,,,[)(,,)()()(底排装置内流场数值模拟2.差分格式——有限体积TVDStULLUUSUSSUStUUULLUGGytUULFFxtUULnjixynjinjinjinjinjinjinjiyxnjinjinjinjinjiynjinjinjinjix,1,,,,,,,,,2/1,2/1,,,2/1,2/1,,)()()(][2][2底排装置内流场数值模拟3.计算结果参看图1（a），整个计算域包括燃烧室和喷管，燃烧室内装有长75mm的单孔管状药。整个计算过程中，燃烧面仅为药柱内孔表面，其它表面包覆。药柱内孔是唯一的燃气通道。喷管为圆柱形，内径44mm，长15mm。网格布置如图5.1（b）所示，喷管内轴向布置15层、径向布置22层网格。燃烧室内燃气通道，轴向布置75层网格，径向网格层数随燃烧过程延续而逐步增加，燃烧开始时为25层，结束时最大达到60层。地面非旋转状态下底排装置内流场数值模拟结果如图5.2~图5.7所示。图5.1底排装置内流场计算模型图5.2（a）压力分布图,径向网格数为25时图5.2（b）密度分布图,径向网格数为25时图5.3（a）等压线,径向网格数为25时图5.3（b）等密度线,径向网格数为50时图5.4流场速度矢量图，径向网格数为25时图5（a）压力分布图,径向网格数为50时图5.5（b）密度分布图,径向网格数为50时图5.6（a）等压线,径向网格数为50时图5.6（b）等密度线,径向网格数为50时图5.7流场速度矢量图，径向网格数为50时带有喷嘴的后台阶超音速粘性流图6.1计算模型1、控制方程二维非定常Navier-Stokes方程2、MacCormack格式（参看5.2）3、计算模型带有喷嘴的后台阶超音速粘性流4、计算结果图6.2流场速度矢量图（无H2喷射）带有喷嘴的后台阶超音速粘性流图6.3流场速度矢量图（带H2喷射）带有喷嘴的后台阶超音速粘性流图6.4等马赫数图（带H2喷射）带有喷嘴的后台阶超音速粘性流图6.5等马赫数图（无H2喷射）气固两相化学反应流1、流动模型图7.1流动模型气固两相化学反应流2、控制方程HxGtU)(222uvTCupuupuG)(22uvTCuUuFQFHppp0气固两相化学反应流3、数值方法(PSIC,气相PLM)nixpxniUtLtLtLU)2()()2(12/12/12/12/11ninininiGGxtUUninininixGUGtxGG2/12/1212/12/12/1)]()([4、计算结果图7.2颗粒表面温度变化规律图7.3颗粒内部温度分布规律图7.4点火延迟与入射激波马赫数关系三维爆轰波的精细结构与传播1.数学模型三维爆轰波的精细结构与传播2.数值方法(a).FCT(flux-correctedtransport)差分格式；(b).算子分裂法处理源项。3.计算结果不同时刻的爆轰波结构视图如图2~图7所示，各视图的透视方向如图1所示。三维爆轰波的精细结构与传播图8.1本例图示说明三维爆轰波的精细结构与传播图8.2压力梯度和密度梯度，t=65.0三维爆轰波的精细结构与传播图8.3压力梯度和密度梯度，t=65.4三维爆轰波的精细结构与传播图8.4压力梯度和密度梯度，t=65.8三维爆轰波的精细结构与传播图8.5压力梯度和密度梯度，t=66.2三维爆轰波的精细结构与传播图8.6压力梯度和密度梯度，t=66.6三维爆轰波的精细结构与传播图8.7压力梯度和密度梯度，t=66.9非结构网格生成技术图9.1由边界点分布自动生成网格，=1.0，=10.0非结构网格生成技术图9.2由边界点分布自动生成网格，=1.0，=0.1非结构网格生成技术图9.3利用源自动生成网格，图示初始网格，4个点源、一个线源和2个点源加一个线源自动生成的网格。非结构网格生成技术图9.4利用背景网格自动生成的非结构网格。非结构网格生成技术图9.5形状为长方体的表面网格。非结构网格生成技术图9.6形状为圆柱体的表面网格。非结构网格生成技术图9.7两个长方体相套并在自适应后的表面网格。非结构网格生成技术图9.8图9.7中用垂直于x轴的平面作截面时的网格图。非结构网格生成技术图9.9图9.7中用垂直于y轴的平面作截面时的网格图。非结构网格生成技术图9.10图9.7中用垂直于z轴的平面作截面时的网格图。自适应非结构网格算例1——冲击波场模拟图10.1起始网格自适应非结构网格算例1——冲击波场模拟图10.2(a)自适应非结构网格，(b)等压线自适应非结构网格算例2——物体和激波相互作用模拟图10.3初始网格自适应非结构网格算例2——物体和激波相互作用模拟图4(a)自适应非结构网格和运动边界(b)等压线；t=0.19自适应非结构网格算例2——物体和激波相互作用模拟图4(a)自适应非结构网格和运动边界(b)等压线；t=0.40THANKS！BY！