中等雷诺数方柱绕流的直接数值模拟研究
Direct Numerical Simulation of Medium Reynolds Flow Past Square Cylinder
湍流是自然界和工程中普遍存在的复杂流动现象,也是根本机理问题尚未获得解决少数难题之一.研究湍流的方法有实验测量、理论分析和数值模拟.其中,数值模拟主要分为雷诺平均、大涡模拟和直接数值模拟.直接数值模拟就是不用任何湍流模型,直接数值求解完整的三维非定常流动控制方程组,模拟包括脉动运动在内的湍流所有瞬时流动量的时空演变过程,是湍流数值模拟方法中最精确的方法.方柱绕流具有物体几何外形简单而流场结构非常复杂的特性,是钝体绕流研究的一种典型情况.将直接数值模拟用于柱体绕流的研究中,能够获得更加精细和准确的流场结构,无论是在理论研究上或是在工程应用上都非常有意义.本文采用FORTRAN 95语言,自主设计和编制了求解方柱绕流的并行程序,重点模拟和分析了流场中的涡系结构,主要工作内容如下:首先,对控制方程(N-S方程)采用基于交错网格下的有限体积方法离散,详细地推导了离散过程,给出了离散后的代数方程组.其次,基于离散后的代数方程组,对比分析了三种求解不可压流动的典型解耦算法(SIMPLE,PISO和人工压缩法),在对不可压典型流动(方腔驱动流)模拟结果分析的基础上,最终选取了SIMPLE算法作为方柱绕流的不可压求解器.再次,对方腔驱动流串行程序进行了并行化设计,给出了基于消息传递界面(MPI)的并行SIMPLE算法的详细设计过程以及加速性能曲线.然后,对不同雷诺数下的二维方柱绕流进行了直接数值模拟,获得并分析了详细的流场结构,并对中等雷诺数(Re=10000)流采用三种不同湍流数值算法进行了比对.最后,设计并编制了基于三维交错网格下的三维方腔驱动和三维方柱绕流并行程序,并与文献结果进行比对验证.对雷诺数为250的三维非稳态方柱绕流进行了直接数值模拟的初步研究,发现了三维方柱绕流的一些特有的流动现象.
- 作者：
- 王建春
- 学位授予单位：
- 中国舰船研究院
- 专业名称：
- 流体力学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2016年
- 导师姓名：
- 吴乘胜
- 中图分类号：
- O357.5
- 关键词：
- 直接数值模拟(DNS)；交错网格；SIMPLE；方柱绕流；消息传递界面(MPI)
- Direct Numerical Simulation(DNS); staggered grid; SIMPLE; flow past square cylinder; message passing interface(MPI);