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圆柱振荡绕流LBM数值模拟

相运福  
【摘要】: Lattice Boltzmann Method(LBM)是上世纪80年代从格子起动机(Latice Gas Automata,LGA)发展起来的一种新的计算流体数值方法。与传统的流体力学数值计算方法不同,LBM是从微观粒子运动的层面来对流体进行数值模拟,LBM描述对象是单一粒子的分布函数,分布函数的控制方程是经典Lattice Boltzmann方程。与传统的流体力学数值计算方法相比较,LBM具有很多优点,如算法简单、边界处理容易、易于并行运算等特点。 尽管近年来LBM在流体力学计算方面得到了很快的发展,成功地模拟了包括均相不可压缩湍流和多孔介质中的多相流动在内的流体动力学问题。但该方法还有许多值得研究的地方,例如LBM对往复运动边界流体动力学问题的研究。为了拓展LBM应用领域的范围,本文对LBM处理移动边界的方法进行了一些研究工作,并数值模拟了圆柱振荡绕流问题。 圆柱振动绕流是一个经典的问题,含有丰富的内容,有着广泛的工程应用背景。可以发现大量相关的理论、实验、计算研究。例如圆柱沿均匀来流做横向振荡时,在f_e/f_s≈1,即振动频率在涡自然脱落频率附近时,会发生相位变化现象。圆柱沿均匀来流方向做纵向振荡时,涡脱落形态受圆柱振荡频率影响,不同的振动频率,会出现不同形式的涡脱落形态。本文首先应用LBM数值模拟了圆柱横向振荡绕流,并将计算结果与文献进行了比较,结果吻合良好。然后模拟了圆柱纵向振荡绕流,主要研究了振荡频率和振幅对升、阻力系数和尾涡脱落形态的影响。从计算结果中,总结了三种涡脱落形态。并对三种涡脱落形态和升阻力系数进行了分析。 本文使用LBM数值模拟了圆柱振荡绕流,数值结果表明本文使用的处理移动边界的方法是可行的。同时对圆柱沿均匀来流方向纵向振荡涡脱落形态的分析,为以后处理类似的工程问题提供了参考价值。


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