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《三维动波浪壁流动的数值研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、A辑第15卷第3期 水动力学研究与进展 Ser.A,Vol.15,No.32000年9月 JOURNALOFHYDRODYNAMICSSep.,2000文章编号:100024874(2000)0320287206a三维动波浪壁流动的数值研究张志新, 骆振欧(解放军理工大学气象学院,江苏南京211101) 摘 要:本文用ALE方法对二、三维动波浪壁边界层流体运动进行数值模拟,并由流动的速度场、涡量场和压力分布分析了波涡相互作用的机理、动波浪壁边界层的流动特征和明显的减阻效应。数值结果表明了ALE方法和动网格系统对模拟动波浪壁边界层流体运动是一
2、种有效的数值方法。关 键 词:ALE方法;动波浪壁边界层;减阻效应中图分类号:O353.2文献标识码:A1 引言人们通过对海 的研究发现,造成其游动高效率减阻的诸因素中,主要的是化学减阻和物理减阻。在运动过程中海 表皮能作类似于行波的运动,表皮附近的流体形成相对固定的涡列,使表皮与外界流场相隔离,从而大大地降低了流阻。它这种独特的减阻机理和控制方式引起了国内外专家广泛而持久的兴趣,许多研究成果应用到飞机、船舶和水下运载体的壁面摩擦应力的减阻技术,并已经取得了初步进展。比较成熟的物理减阻技术主要有两条途径,其一是构造静止的曲壁边界,延缓层流向湍流[1]的转换,从而改变湍
3、流边界层结构,使之产生较小的壁面摩擦力。其二是构造运动的曲壁边界,用实验和解析方法寻找一种特殊的运动曲壁,使之能产生一种低壁面摩擦应力的流动。在实验方面主要集中在静止的波浪壁边界层的不可压缩流动,而动波浪壁边界层尚鲜有[2][3][4]报道。Taneda和Savchenko首先在实验中观察到,在某些条件下动波浪壁附近可以捕获到稳定的涡和涡列。这种停留在动波浪壁波谷中心附近的涡列,就象一列减阻的滚动轴承,使[5]得动曲壁边界层与普通边界层的流动有显著不同。吴健民等人利用卡门涡街比拟理论,对二维理想不可压缩流体的动波浪壁运动的力学机制作了初步的理论分析。他们认为能否获得稳
4、定涡列的关键取决于壁的几何参数及波速与来流速度的比值cöv。[6][7]在解析研究方面主要有两类:摄动方法和求解时间平均的N—S方程。理论工作大多[7,8]配合数值计算进行。对实际粘性流体的动波浪壁边界层流动的研究正日趋深入,但有实际应用价值的三维动波浪壁流动的研究报道至今还未见到。a收稿日期:1997210213作者简介:张志新(1966～),男,讲师,硕士研究生。©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.288水 动 力 学 研 究 与 进 展 2000年第3期我们
5、采用ALE(Arbitrary2Lagrangian2Eulerian)计算方法,设计了一种能跟随边界变化的动网格系统,对二维和三维动波浪壁的流动进行数值模拟,着重探讨二维流动和三维流动的区别以及三维流动特征。2 数值方法2.1 基本方程组流体三维运动的控制微分方程组为:5Q5Quj+=0(1)5t5xj5Qui5+(Quiuj-pij)=giQ(2)5t5xj5QE55I+[QujE-pijui-LB()]=Qujgj(3)5t5xj5xj12其中,总能量E为动能和内能之和,E=ui+I。应力张量P为pij=-pDij+KEkkDij+2LEij,2E=(Eij),
6、是形变率张量,L为粘性系数,K为第二粘性系数。压强p由一般气体状态方程和Q,I相联系p=(C-1)QI。B为热传导系数,gi代表重力加速度。2.2 计算方法[9,10]本文采用ALE方法,它可以象普通的Lagrange方法一样,让网格嵌在流体内和流体一起运动,或者象Euler方法一样,让网格相对于空间坐标系固定;它也可以让网络以任意方式运动,有连续重分网格的功能,因而它有更大的优点。ALE方法的基本特征为积分法,它一般可分为以下三个步骤:(1)第一步是显式的Lagrange计算,它考虑各种力对速度的影响。(2)第二步是Newton2Raphson迭代,得到压力和速度的
7、中间结果。(3)第三步是重新划分网格,计算网格之间输运量。3 动波浪壁边界层的计算模型3.1 计算模型二维动波浪壁边界层流动的计算模型及网络如图1所示,其下边界为动波浪壁,函数表达式为f(x,t)=h[1+sin(kx-ct)]其中:h为波高,c为波速,k为波数。三维计算模型动波浪壁的函数表达式为:LC2f(x,y,t)=h{1+sin[k(x-OP(y-))-Xt]}2OP为可调参数,用来调整抛物线开口的大小,OP=0即为直动波浪壁。对于动边界问题一般是通过坐标变换把它变成不动边界的问题来解决。这对于二维简单动边界问题是非常有效可行的,但对于作复杂
