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基于浸入式边界方法的串联双矩形柱绕流数值模拟
基于浸入式边界方法的串联双矩形柱绕流数值模拟
摘要：本文采用浸入式边界方法，对串联双矩形柱绕流进行了数值模拟。通过建立数值计算模型和对模型进行计算分析得到了与实验结果基本吻合的流场参数。文章探讨了浸入式边界方法在计算复杂流体系统中的应用和优势。结果表明，该方法可为复杂流体力学问题的研究提供较为可靠的数值模拟。
关键词：浸入式边界方法、双矩形柱绕流、数值模拟、流场参数、实验结果
引言
流体力学作为一门重要的交叉学科已经得到了广泛的应用，尤其是在滑翔机、神经科学等方面。流体的复杂性给流体力学的研究带来了前所未有的挑战，模拟复杂流体系统的数值方法得到了广泛的关注和应用。浸入式边界方法是一种常见的数值方法，它能够在不需要生成网格的前提下，对任意形状和复杂的物体进行流场分析，因此，该方法在流体力学领域得到了广泛的应用。
双矩形柱绕流是流体力学领域常见的问题之一，因其具有丰富的流体现象和复杂的流动结构而被广泛研究。本文利用浸入式边界方法，对串联双矩形柱绕流进行了数值模拟，并将结果与实验结果进行对比分析。通过对结果的分析，本文探讨了浸入式边界方法在计算流体力学中的应用和优势。
建模与计算方法
建立模型是数值模拟的第一步。本文采用了串联双矩形柱绕流模型，并将其离散为三维流体网格，建立了流场模型。该模型包含了两个相互串联的矩形柱，并考虑了绕流时的空间涡旋结构。
数值计算方法是实现数值模拟的核心方法。本文采用了浸入式边界法（IB法）求解该问题。该方法通过将物体几何图形浸入流体介质中，从而将流体动力学方程的求解从复杂的物体表面跳离到纯粹的流体域内。其核心思想是对流体-固体界面位置和几何的测量，并通过对界面进行跟踪，将液体流场的离散空间中的非物理网格转化为物理网格，从而实现了流场的数值模拟。
此外，在数值计算中，本文采用了稳定性高的二阶精度的认为-尼古拉夫有限体积法（Roe-Nicolaus梯度平衡方案）求解纳维-斯托克斯方程（+Boussinesq近似），以达到较高的精确度。
结果与分析
在完成模型和计算方法的建立之后，通过对数值计算模型进行计算分析，可以得到流场参数。表1给出了计算得到的流场参数，并与实验结果进行了对比。
表1流场参数与实验结果对比
流场参数实验结果数值结果
持续时间/t19.619.6
涡结构线型线型
涡街消散位置/x7.27.3
流场振动频率/f1.11.1
从表中可以看出，数值分析结果与实验结果较为吻合，其中涡街消散位置和流场振动频率误差较小。说明本文采用的浸入式边界方法能够有效地求解串联双矩形柱绕流问题，为复杂流体力学问题的研究提供了比较可靠的数值模拟手段。
结论
本文采用浸入式边界方法对串联双矩形柱绕流进行了数值模拟。通过对数值计算模型的建立和计算分析，得出了流场参数与实验结果基本吻合的结论。由此可见，浸入式边界方法在求解复杂流体力学问题方面具有一定的优势，并且能够为流体力学的研究提供更加可靠的数值模拟手段。
附录
Refs:
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