高雷诺数流动的控制方程体系和扩散抛物化Navier-Stokes方程组的意义和用途

在计算机发达的时代,高雷诺(Re)数绕流计算中有无必要使用简化NS方程组,本文讨论这个问题.主要内容如下:(1)高Re数绕流包含3种基本流动:所有方向对流占优流动、所有方向对流扩散竞争流动和部分方向对流占优部分方向对流扩散竞争流动(简称干扰剪切流动),3个基本流动的特征彼此不同且在流场中所占领域大小彼此相差悬殊,NS方程区域很小,它们的最简单控制方程组Euler、Navier-Stokes(NS)和扩散抛物化(DP)NS方程组的数学性质彼此不同,因此利用Euler-DPNS-NS方程组体系分析计算高Re数绕流流动就是一个合乎逻辑的选择,该法与利用单一NS方程组的常用方法可以彼此检验和补充.(2)流体之间以及流体与外界的动量、能量和质量交换,流态从层流到湍流的演化主要发生在干扰剪切流动中,干扰剪切流及其最简单控制方程--DPNS方程组具有基础意义;DPNS方程组笔者在1967年已提出.(3)诸简化NS方程组:DPNS、抛物化(P)NS、薄层(TL)NS、黏性层(VL)NS方程组的发展、相互关系,它们的历史贡献和今后的用途;它们的数学性质均为扩散抛物型,但它们包含的黏性项彼此有所不同;从流体力学角度来看,它们中只有DPNS方程组能够准确描述干扰剪切流动.提出把诸简化NS方程组统一为DPNS方程组的建议.(4)干扰剪切流--DPNS方程组与无干扰剪切流--边界层方程组之间的关系以及进一步研究干扰剪切流的意义.

Navier-Stokes(NS)方程组差分计算中的物理和网格尺度效应及NS方程组的简化

对于高Re数流动计算,在通常二阶精度NS差分格式和网格数条件下,存在某些粘性项落入修正微分方程截断误差项的问题。这类NS方程组计算实际是计算某种简化NS方程组,而且重复计算误差物理粘性项既浪费机时和内存,误差积累又会对数值解产生不可预测的影响。避免上述缺陷的办法一个是提高NS差分格式的精度 ,另一个是丢掉可能落入截断误差项的物理粘性项,把NS方程组简化为广义NS方程组。广义NS计算避免了误差物理粘性项误差积累对数值解的不可知影响,又可节省内存和机时,对高Re数流体工程计算很有好处。利用广义NS方程组计算超声速绕前向和后向台阶流动的结果表明:广义NS方程组与NS方程组的数值结果很好相符。

关于三维Navier－Stokes方程的粘性项计算

借助于张量分析和张量计算，在贴体曲线坐标系下本文讨论了不同求解变量导致了粘性项个数上的重大差异和不同大小的计算量，并提出了便于粘性计算的最佳形式。文中借助于有限体积离散技术，通过引进两个对称辅助矩阵［Ａ］和［Ｂ］，使粘性项的计算量大大减少，这对完成三维粘性流的数值计算具有重要的指导意义。借助于上述方法，本文完成了某型真实进气道两种工况的三维粘性Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程计算（即Ｍ∞＝３．０，α＝０°和设计工况Ｍ∞＝２．６５，α＝０°），获得了满意的全场结果；对于Ｍ∞＝２．６５的设计工况，同实验数据作了比较，符合良好。由于本文的方法明显的减少了粘性项的计算量且节省了大量内存，以致于使三维流场的Ｎ－Ｓ求解能在普通微机上进行。

简化Navier-Stokes(SNS)方程在二维层流边界层分离点邻域的特性

文中证明了本文第二作者提出的简化Navier-Stokes(SNS)方程在层流边界层分离点数学上为正则.Davis和Голвачев-Куэьмин-Попов 提出的SNS方程在分离点为数学奇异.进而论证了文献[2,3]的SNS方程在层流边界层分离点的奇异阶.最后给出了Navier-Stokes方程、上述两种SNS方程以及边界层方程在分离点邻域特性的比较.

简化Navier-Stokes方程的基本形式

通过考察各种典型粘性敏感流区的结构,分析粘性扩散项的量级大小层次,本文确立了简化Navier-Stokes方程的基本形式,并推诸一般附体坐标系,为简化Navier-Stokes方程的理论研究和一般应用提供了基础。

Stokes二阶波对圆柱的绕射

本文介绍绕圆柱的二阶Stokes波的简单计算方法,并将它与其他计算结果作比较。结果表明本方法有简单及足够的精度的优点。

流体力学基本方程组(BEFM)的层次结构理论和简化Navier-Stokes方程组(SNSE)

本文从流场中空间和时间的尺度分析及流体力学基本方程组(BEFM)中诸项的量级分析出发,提出了BEFM的层次结构理论,表明:当特征雷诺数Re>l、且一坐标方向的长度尺度大于其它坐标方向的长度尺度吋,按照BEFM中诸项的量级关系,形成从Euler方程到 BEFM 和从边界层方程到 BEFM 的两支层次结构,文中以二维可压缩流动和不可压缩轴对称射流为例说明了两支层次结构的关系和特点,分析了诸层次方程组的特征、次特征(Subcharacteristics)以及它们的数学性质,并把诸层次方程组与已有的诸简化Navier-Stakes方程组(SNSE)作了对照比较。

层流射流流动的简化Navier-Stokes方程(SNSE)解

本文利用十一种简化 Navier-Stokes 方程(SNSE) 求解已知Navier-Stokes(NS)方程准确解的层射流流动,表明:多数SNSE~([1-6])的解与NS方程的准确解不一致;少数SNSE~([7,8])的解与NS方程的准确解一致,文中在射流的喉部和拐点位置,给出几种SNSE解与准确解的相对偏差,并把粘性及惯性诸项加以定量比较,强调指出:按照边界层理论量级分析为Re~(1/2)和Re~1量级的惯性项以及Re~(-1/2)量级的粘性项具有重要影响;据此从力学角度论证了简化 NS 方程时,保留全部惯性项和合理取舍粘性项的必要性。

简化Navier-Stokes方程的层次结构及其力学内涵和应用

本文在文献[1]的基础上,按照流场中长度尺度分布,惯性项与粘性项相对大小及数量级简化基本方程和划分流动区域的原则,给出:(1)可压缩绕球粘性流和射流的简化Navier-Stokes(NS)方程的层次结构和诸简化NS方程(SNSE),表明从边界层方程到NS方程和从Euler方程到NS方程的层次结构均包含十多种SNSE,但就SNSE的数学特征而言证明只有椭圆型,扩散抛物化和抛物型三类;(2)扩散抛物化方程(DPE)的数学特征与Euler方程一致,力学上表示扰动通过“压力梯度项”向上游传播,高阶扩散项“规定的”椭圆型下游效应可以忽略,故判断诸DPE优劣的标准应看能否准确计算压力场。(3)提出粘性流的多层结构模型,对绕固壁附近的流动为三层,即粘性层、过渡层和无粘层,给出了分层的准则;适用于三层的最简单和最重要的SNSE分别为边界层方程、诸层匹配(LsM)-SNSE和Euler方程;LsM-SNSE同时适用于三层、即适用于全流场,并可准确计算压力场。LsM-SNSE把两层、即内外层匹配SNSE推广为多层。(4)对平板绕流,给出附着流及分离流的新的三层结构,阐明了附着流三层向分离流三层过渡的力学特征。

Stokes波高阶谐波系数递推的数值计算

本文用W.H.Hui提出的方法,在半物理平面内重新表述了Stokes波的数学模型和边界条件,提出了两种更有效的数值计算方法来获得Stokes波高阶谐波系数,并可递推至无穷。通过小参数转换,重新得到了Cokelet(1977)的波速和半波高的摄动展开式。

论简化Navier-Stokes方程组(SNSE)

本文论述简化 Navier-Stokes 方程组(SNSE),利用十种 SNSE分析Jeffery-Hamel流动并简要分析已知完全 Navier-Stokes 方程组(CNSE)精确解的八类流动。表明:不同SNSE结果之间的实际差异能够大大超出O(Re~(-1/2))量级的理论误差范围,甚至给出不同的流动图案。因此,SNSE 的粘性项如何取舍值得重视。内外层匹配SNSE和薄层二阶SNSE的解在八类流动情况下均与CNSE的精确解完全一致;而所有其它SNSE 的解则与CNSE的精确解不完全一致,它们的解在不少情况下实际就是经典边界层理论的解。内外层匹配SNSE包含了法向轴相对流向轴剪切的剪应力项和法向轴伸缩的法应力项以及与该法应力项同量级的粘性项,且对惯性项和粘性-惯性项相互关系的处理较合理,故在力学上和数学上都比较可取。

Stokes流的积分方程法

<正> Stokes流,或称零雷诺数流,指的是尺寸微小、速度缓慢的流动。它的理论在化工、生物力学、物理化学、环境保护、选矿、地球物理和气象科学等各个领域都有重要的应用。 零雷诺数流可用Stokes方程来描述:式中μ,V和P分别是流体的粘度、速度向量和压力。直到本世纪60年代,只有数目非常有