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105610字博士毕业论文运动边界物体周围风场的大涡模拟数据算法

论文类型:博士毕业论文
论文字数:105610字
论点:模型,格子,计算
论文概述:

本文是博士生论文,在欧拉描述笛卡尔网格下推导了近地瑞流风场的无量纲大祸模拟控制方程方程,给出了基于投影法的方程解稱求解程序流程并编制了方程求解程序。

论文正文:

第一章引言

当用分析方法研究流固平衡时,势流理论被用来简化无旋流场。该方法可应用于航海空、海浪、地下水等领域。然而,势流理论不能对结构风工程领域涉及的近地湍流场,特别是工程结构特征流场中存在的流动现象图,以及考虑流固平衡效应后结构流场中更复杂的流动给出合理的预测。该试验方法积极探索对流固结现象,对大跨度膜结构的风振机理有了一定的定性认识,对工程设计有一定的指导作用。然而,由于设备模拟能力的限制,风洞试验仍然有很大的局限性,如模型制作复杂,无法完全满足相似比,无法消除模型和设备支撑部件对气流的附加干扰等。大气边界层中近地风场的精确模拟仍然是实验研究的热点问题。与解析法和实验法相比,数值模拟法在研究流固平衡效应方面具有独特的优势。它成本低,周期短,能有效解决复杂的流动问题。理论上,工程结构周围流场的所有精细流动结构都可以直观地呈现出来。在计算参数一致的情况下,流场的数值模拟结果具有良好的重复性。因此,数值模拟已成为流固罐连接问题的主要研究方法。
……

第二章大尺度模拟子格子模型对比试验

2.1近地旋流风场大尺度模拟控制方程中的子格子应力张量
旋流粘性项代表旋流子格子尺度量对可解尺度场的影响,必须建立模型使方程封闭和可解。在突变模拟的实际应用中,随着计算机资源的快速增长,极高分辨率的计算已经完成。然而,对于大规模工程问题,从计算成本的角度来看,采用相对低分辨率的突变模拟更为实际。在低分辨率LES中,亚网格灾害占很大比例。用子网格模型保证子网格应力估计的准确性是网格工程成功的关键。因此,子网格模型的性能研究在突变模拟的工程应用中非常重要,也是本章的重点。

2.2子网格模型的建立
如前所述,子网格模型是为近似求解子网格应力张量而建立的数学模型。国内外许多学者对子格模型的建立进行了卓有成效的研究,提出了多种模型。子网格模型可分为突变模型、结构模型和混合模型。在钝体结构周围风场的突变模拟中,湿粘性模型应用最为广泛。结构模式通常与灾难粘附模式相结合,形成混合模式。下面将介绍这些子格模式的构造方法,给出一些经典模型的详细数学描述,并作出简要评论。静态突变模型的共同特征是模型需要用经验常数来封闭。该经验常数在建模过程中手动给出,不能根据待求解瑞士流场的流动结构特征和求解过程中计算网格的变化进行调整。静态突变模型高估了子网格耗散,而模型经验常数的全场一致性使得高估流场近壁区子网格耗散的问题更加严重,导致突变系数的壁渐近规律与物理现实严重不一致的现象。由于上述缺陷,静态突变模型通常用于模拟完全发展的均匀各向同性湍流。如果用它来模拟非均匀流(如壁湍流),可能会在数值解中引入更严重的误差。

第三章动态网格中大涡模拟算法的设计……35
3.1ALE动态网格...................35
3.2 ALE-LES方程的推导……37
3.3AL-LES方程解……39
第四章大涡模拟算法在贴体坐标系生成中的实现...................55
4.1砌块安装结构网格..............................55
4.2 ALE-LES方程……61
第五章移动网格更新算法与三维扩展的比较........67
5.1移动网格更新算法的数学描述..............................67
5.2移动网格更新算法的比较分析……71

第六章大徐模拟数值算法的应用

6.1数值算法验证
计算程序中包含的数值算法必须稳定可靠,计算得到的数值结果有意义。因此,在实际应用之前,有必要在本文开发的计算程序中用数值例子验证算法的稳定性、准确性和正确性。从图6.6可以看出,与文献中的结果相比,本文的数值模拟结果表明,建筑物附近流场的瞬时风压分布趋势基本相同。两者在具体数值上存在一些差异,这可能是由于以下原因造成的:参考文献没有给出入口和出口边界条件下的瑞利流参数和流场的物理性质,导致本文数值计算中采用的入口条件和流动雷诺数与参考文献中的不同;然而,雷诺数和入流湍流是影响钝体结构流场风压分布的重要因素,朱魏亮。突变模拟计算中使用的子网格模型可能不同,这将在一定程度上影响计算结果。不同的网格密度也会导致计算结果的一些偏差。总的来说,该算法的计算结果是可靠的,该程序可用于模拟二维振动屋盖结构的流动特性。

6.2数值算法
的二维应用从图6.7给出的流动模拟结果可以看出,振动屋顶结构周围的大气流动的流动结构如下:在屋顶结构迎风前缘附近连续产生小涡旋灾害,小涡旋灾害沿着屋顶结构上方的流向后缘移动。顶板的振动阻碍了旋涡灾害的流动发展,导致旋涡灾害向顶板后缘移动的速度降低。这使得陈先生造成的漩涡灾害逐渐赶上后来产生的小漩涡灾害,并在后退时合并成更大的漩涡灾害。这一过程将重复进行。与刚性模型周围的流动相比,振动顶板的抬升使前缘的小涡脱落提前,这也使得顶板上方的涡结构更加复杂,涡高增大。
……

第七章结论和展望

本文所做的工作和得出的结论如下:1 .推导了欧拉笛卡尔网格下近地瑞利流风场的无量纲突变模拟控制方程,给出了基于投影法的方程求解程序流程,并编制了方程求解程序。以单向大跨度平屋顶结构周围风场为例,检验了标准模型、阻尼函数修正的标准模型、动力模型和动力混合模型的近壁模拟精度和计算效率。通过对次网格应力相关系数、流场周围流动参数和计算时间消耗的对比分析,得出以下结论:
(1)阻尼函数和动力修正对近壁流动结构和次网格灾害粘性系数的计算精度都有一定的提高。
(2)虽然尺度相似性假设可以提高计算稳定性,但对改善计算结果没有明显效果。
(3)与阻尼函数校正相比,动态校正引入的额外计算量和计算时间成倍增加。
(4)所选的四种模型可用于模拟纯体结构周围风场的突变。本文选用阻尼函数修正的标准S模型进行后续计算。

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参考文献(省略)