风力发电机的空气动力学性能是决定风力机安全与效率的最重要因素之一。但由于影响风力机气动性能的参数众多,更加高效精确地模拟风力机气动特性一直是风力机的重要发展方向。本文提出了基于浸入边界法的风力机建模,网格离散,以及数值模拟的统一性框架。利用同伦变形来生成光滑的叶片模型,并且使用仿射变换来处理叶片的渐缩与扭转问题。首先,针对二维翼型的升阻力,检验了算法的数值精度。表明此方法对于阻力的模拟具有非常严格的一阶精度,进而提出采用理查森外推法来精确高效修正升阻力模拟结果。同时,模拟研究了拱曲度以及厚度对二维翼型升阻力的影响。随后,模拟研究了单风力机(包含塔架)在不同尖速比下的功率系数,并对塔架与叶片间的相互气动作用进行了初步分析。最后,模拟研究了双风力机在风场中不同前后间隔距离下的气...

柔性对生物的运动起着至关重要的作用,例如鸟类的飞行和鱼类的游动.对柔性的研究有利于深刻地认识一些动物的运动机制和制造高效推进的仿生机器.文章在侧向自由弹性细丝的模型基础上,对不同柔性细丝的气动效能进行了研究.数值模拟结果表明,在Karman涡街中,细丝的阻力系数随着其柔性减小而减小,细丝尾端的振幅随着其柔性减小而增大.结果还表明,在一定范围的Reynolds数下,减小细丝柔性,细丝由在涡核之间穿梭摆动运动模式变成在涡街外侧摆动运动模式,其尾涡的对称性也发生了明显的变化.

自然界中的昆虫和鸟类大都采用拍翼飞行的策略,其优越的气动表现使拍动飞行方式备受关注.值得注意的是,拍动飞行昆虫和鸟类在实现高机动性的同时,产生的噪音并不十分显著.因此,对拍翼飞行的流固声耦合问题进行研究,揭示其飞行动力学和声学特性,对于应用这类飞行技术具有重要的指导意义.文章采用一种浸入边界法对拍翼悬停时的流固声耦合问题进行数值模拟研究.具体针对刚性拍翼和不同刚度、质量比的柔性拍翼进行了数值模拟,分析了拍翼刚度和质量比对拍翼悬停时的升力和声学特性的影响.结果表明拍翼的转动能有效增加升力,提高效率并降低拍翼运动产生的声音;同时悬停拍翼的近场声受涡的影响明显,尤其是在较大的转动角度时;引入适当的弹性可有效提高拍翼在悬停时的气动表现,包括提高升力系数和效率;综合考虑气动和声学表现,可以看出...

采用浸入边界-格子玻尔兹曼法建立密封系统流固耦合模型,研究不同预压缩量下的密封条隔声。利用浸入边界法建立密封条的力学模型,同时用格子玻尔兹曼法模拟周围流体,两者结合完成实际车门密封条系统的二维简化计算模型。通过比较动态载荷下有限元和浸入边界模型的模拟结果,验证了系统建模的有效性。设计并搭建密封条隔声试验台架,可测量不同预压缩条件下的隔声。试验与仿真的结果相互验证,结果显示,有效挤压下密封条隔声量随着预压缩量缓慢上升,而产生缝隙后隔声量将显著下降。研究证明浸入边界-格子玻尔兹曼法处理流固耦合建模简便且计算效率高,在汽车密封系统相关的失效、隔声、泄漏噪声等问题上有广泛的应用前景。

基于改进的浸入边界-晶格Boltzmann方法研究蠕动流问题,采用晶格Boltzmann法描述流场,用改进的浸入边界法实现管壁运动-流体流动之间的相互作用,将变形管壁的运动速度作为速度源引入晶格Boltzmann方程,代替了传统浸入边界-晶格Boltzmann法中固态变形力与流体速度之间的转换.分析了管道内蠕动流场的分布情况,研究了各相关参数如振幅比、频率、液体黏度以及波数对流量的影响,数值结果与已有的结果进行了对比,证实了本研究方法的合理性与有效性.

组合浸入边界和格子Boltzmann方法(IB-LBM)实现对复杂动边界问题的数值模拟。通过格子Boltzmann方法快速计算流场分布(采用D2Q9离散速度模型),通过隐式直接力浸入边界法处理流场边界问题。借助求解不可压缩N-S方程组的分步投影方法的思想,在时间上推进求解基于浸入边界法的耦合系统方程,从而实现对复杂动边界流动问题快速有效的求解。以雷诺数为100的圆柱绕流为基准算例,分别计算圆柱在不同旋转角速度下的升、阻力曲线和流场分布特性,并与其他文献的计算结果对比,验证了IB-LBM计算动边界流动问题的有效性。