基于格子玻尔兹曼法的圆柱尾涡射流控制研究

摘要

流体流经柱体结构时产生交替泄涡，当泄涡频率接近结构固有频率时，易引发柱体共振从而造成结构破坏，因此研究圆柱泄涡抑制问题具有研究意义。圆柱绕流问题机理复杂、牵涉诸多流体问题，现有计算流体力学尚不能完美模拟这一现象。
　　格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method，LBM)是一种根据分子动理论，使用简化的动力学模型Boltzmann方程，以许多离散格子为计算节点，通过对粒子统计平均获得宏观物理量来模拟流体的新兴数值方法。由于LBM相比传统计算流体力学方法，拥有物理模型更本质、边界处理简便、易于大规模并行等优势，所以近些年受到热捧。因为IBM在海洋工程领域的使用尚不算多，所以探索LBM在海洋工程领域的应用是个很有意义课题。
　　本文将使用Fortran语言编写基于格子玻尔兹曼法的程序，并应用到射流抑制圆柱泄涡问题的研究，并根据数值模拟结果，分析前、后驻点射流对圆柱尾涡发放的影响及规律。本文主要工作及内容:(1)提出一种多块网格的粗细网格交界结构优化处理方案，解决原方案程序结构复杂、内存占用浪费、易于积累插值误差的问题。(2)根据多松弛格子玻尔兹曼法，设计程序结构、编写基础流场程序。并编写多块模块、湍流模块、射流模块等组合模块实现相应功能。并使用OpenMP编译方法实现程序并行提高计算效率。(3)数值模拟不同算例，将结果与已有数据进行比较，逐模块验证本程序的有效性和正确性。(4)研究后驻点射流在不同射流流速下对圆柱绕流的干扰，分析射流对阻力系数、升力系数等水动力参数的影响，并结合流场图分析后驻点射流抑制圆柱漩涡方法的机理。(5)研究前驻点射流在不同射流流速下对圆柱绕流的影响，并分析不同流速射流下的圆柱阻力系数、升力系数等水动力参数的变化，并观察流场图分析前驻点射流对圆柱尾涡发放是否存在抑制作用，数值结果表明前驻点射流对圆柱尾涡发放存在明显的抑制效果。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景与意义

1．2国内外研究现状与进展

1．2．1漩涡发放抑制措施研究现状与进展

1．2．2计算流体力学研究现状与发展

1．2．3湍流模型研究现状

1．3本文主要内容

第2章格子玻尔兹曼法及大涡模拟理论

2．1格子玻尔兹曼法的发展历程

2．2格子玻尔兹曼法的基础理论

2．2．1 LBGK近似的格子玻尔兹曼法

2．2．2一种广义格子玻尔兹曼法——多松弛时间格子玻尔兹曼法

2．3大涡数值模拟方法(Large eddy Simulation)

2．3．1大涡模拟Smagorinsky亚格子模型

2．3．2大涡模拟(LES)与格子玻尔兹曼法的结合

2．3．3大涡模拟的近壁处理

2．4本章小结

第3章格子玻尔兹曼法的并行程序实现

3．1格子玻尔兹曼法的流域初始化

3．2格子玻尔兹曼法的边界

3．2．1自由滑移边界条件

3．2．2出入口边界条件

3．2．3复杂壁面边界条件

3．2．4壁面流体作用力的计算方法

3．3改进多块网格的交界结构

3．3．1粗细网格分布函数转化方程

3．3．2改进后交叠排布结构

3．4基于Fortran的格子玻尔兹曼法程序的程序实现

3．4．1数值程序流程简介

3．4．2基于OpenMP的并行优化

3．5程序数值验证

3．5．1结合多块网格模块的MRT-LBM代码验证

3．5．2结合Smagorinsky亚格子模型的MRT-LBM代码验证

3．6本章小结

第4章圆柱后驻点射流对漩涡发放的影响

4．1计算模型

4．2低雷诺数状态下射流对圆柱的影响

4．2．1计算流域设置

4．2．2不同射流流速的数值计算结果

4．2．3算例流场图线分析

4．3湍流状态下射流对圆柱的影响

4．3．1计算流域设置

4．3．2不同射流流速计算结果

4．3．3算例流场图线分析

4．4本章小结

第5章圆柱前驻点射流对漩涡发放的影响

5．1计算模型

5．2计算流域设置

5．3不同射流流速计算结果

5．4算例流场图线分析

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录