基于改进剪切应力输运k-ω湍流模型对考虑风向随高度偏转大气边界层的数值模拟

基于剪切应力输运（SST）k-ω模型,通过修改模型参数、方程源项和湍动粘度,提出了“改进SST k-ω模型”,并采用该模型对考虑风向随高度偏转的大气边界层进行了计算流体动力学（CFD）数值模拟。通过预前模拟和主模拟两个步骤,对风场自保持的实现方法进行了探讨。研究表明,提出的改进SST k-ω模型可以取得与实测较一致的模拟结果。将预前模拟得到的风剖面作为主模拟的入流边界条件,各物理量均可以在流域中得到较好的保持。     

风环境数值模拟中模拟植被的数学模型与应用

在建筑风环境数值模拟中,植被的影响通常不可忽略,而且流经植被覆盖区的湍流流动非常复杂.为此,采用在动量和湍流输运方程中附加源/汇项的方法,结合粗糙壁面率修正,模拟植被绕流效应.首先基于剪切应力输运(shear-stress transport,SST)k(湍动能)-ω(耗散频率)模型,从理论上推导了湍动能耗散频率ω方程的新的附加源项模型;其次,采用数值模拟方法,以一植被挡风墙试验为例,对该模型进行了验证;最后,将模型应用到一高层建筑群风环境的数值模拟优化设计中.结果表明,该模型可以较准确有效地模拟建筑风环境中的植被效应,因而具有一定的理论和实用参考价值.     

压缩折角激波-湍流边界层干扰直接数值模拟

进行了来流Mach数2．9,24°压缩折角激波．湍流边界层干扰的直接数值模拟,在上游的平板添加扰动以激发边界层转捩到湍流．计算得到的统计结果与实验吻合,验证了结果的可靠性．分析了角部分离区附近湍能的生成、耗散及分配机制．结果显示角部区域激波与湍流边界层相互作用造成大量湍动能产生,而湍动能的主要耗散区仍在近壁．湍流输运项起到了主要的平衡机制,把湍动能由外层输运到近壁区．通过对激波后及壁面瞬时压力的分析,认为激波低频振荡并非上游扰动弓』起,而是由于分离泡本身不稳定振荡产生的．     

基于k-ε模型的剪切流中湍流动能衰减规律研究

分别从理论推导和数值模拟的角度,分析了剪切流中湍流动能的衰减规律.通过简化湍流变量输运方程,采用Matlab求解了使用标准k-ε模型计算剪切流时湍动能在不同高度处的数值解,通过fluent数值模拟,验证了理论数值解,并与均匀流中的数值模拟结果进行对比,分析了在剪切流中入口湍流强度和湍流黏性比、来流速度梯度和输运方程扩散项等对湍流变量衰减的影响规律.结果表明:剪切流中存在湍流动能衰减;入口湍流强度对湍流变量输运方程生成项的影响较大,湍流黏性比对湍流变量输运方程生成项的影响较小;当入口湍流强度相同时,入口湍流黏性比越大,湍动能衰减的越快,来流速度梯度对湍动能衰减的影响越小;当入口湍流黏性比相同时,入口湍流强度越大,湍动能衰减的越慢,来流速度梯度对湍动能衰减的影响越大.     

Reynolds应力模型在热分层流场中的应用及优化

对Reynolds应力模型(RSM)在数值模拟热分层流场方面进行了优化,即在Reynolds应力方程和湍动能耗散方程的基础上加入标量通量方程和温度扰动方程,使原来的7方程成为了11方程。优化后的模型可以通过精确计算湍流通量输运方程来求解加热湍流中重要的热浮力项。采用7方程RSM、11方程RSM,并用k-ε湍流模型作为参考,对平板间非稳定热分层流动和模拟池式快堆堆心上方的腔室内受迫对流和热分层之间的混合流动进行数值模拟和比较分析,并将计算结果与现有实验数据相比较。结论是:优化后的11方程RSM比其他的湍流模型更适合于计算各向异性的热分层流动。     

低磁雷诺数不可压缩磁流体槽道湍流电场相关特性的直接数值模拟

对低磁雷诺数近似下不可压缩磁流体槽道湍流进行了直接数值模拟（DNS）,给出了速度-电场、电场-电场相关特性,并与Kenjere-Hanjalic提出的模型（K-H模型）进行了逐项对比.通过K-H模型与DNS所得到的数据对给定外部驱动力、不同磁场布置形式下磁场对湍流抑制作用的机理进行了对比分析.结果表明,K-H模型可以对速度-电场相关项的大部分分量进行合理的预估.通过数值模拟还发现,磁场沿流向及展向布置下湍动能降低的主要机理是耗散性的磁流体源项;而当磁场沿法向布置时,湍动能降低的主要机理是洛仑兹力对底层流动的加速,从而降低雷诺应力,令湍动能方程中生成项减小,导致湍动能减小.     

可压缩尖锥边界层湍流的直接数值模拟

采用高精度差分方法对来流马赫数0．7,来流Reynolds数250000／Inch,锥角为20°的尖锥边界层的整个空间转捩过程进行了直接数值模拟．对流项采用了7阶迎风格式离散,黏性项采用6阶中心格式离散,时间推进为3阶Runge—Kutta方法．对转捩形成的充分发展湍流进行了统计分析,包括平均速度分布,近壁湍流强度和雷诺应力等统计数据与平板边界层理论及实验吻合很好,验证了结果的正确性．显示了近壁湍流的典型拟序结构——高、低速条带结构并根据流向速度的周向相关量确定了条带的间距,以当地壁面尺度度量的条带间距沿流向并没有显著变化．给出了柱坐标下的可压湍动能发展方程,并据此对近壁湍动能的生成、耗散和输运机制进行了分析．     

外环流气提式反应器液体局部动力学的实验研究和数值模拟

在外环流气提式气液反应器内,分别以空气和质量分数5%羧甲基纤维素（CMC）水溶液为气相和液相,对液相局部动力学进行了系统研究。应用电极示踪测试技术（ETM）测定了下降段液体速度;应用计算流体力学软件FLUENT 6.0对上升段的液体湍动能和湍动能耗散率进行了模拟计算。模拟结果表明：气体分布器对液体湍动能和湍动能耗散率有较大影响,液体湍动能和湍动能耗散率随表观气速的增大均增大,且液体湍动能呈现出较对称的波动模式。在低气速下,局部液体速率的模拟结果与实验数据吻合良好。     

一种近壁湍流封闭的理论模型

提出在湍流边界层近壁区采用共振三波的理论模型描述湍流相干结构,根据理论模型系统计算了湍能耗散率输运方程各项的分布,由计算所得理论ε值和ω值计算了平均速度分布.对于靠近壁面的黏性作用层,计算所得理论值与直接数值模拟符合很好,表明该理论模型不仅有益于对湍流机制的了解,而且可能为近壁湍流模型开辟一条新的途径.     

车身单一非光滑表面与双表面耦合的减阻效果

将凹坑型非光滑表面分别布置在汽车工业研究协会(MIRA)给出的直背式模型的顶部和尾部,研究顶部非光滑和尾部非光滑单独作用时的减阻效果,并通过耦合的方法,研究顶部和尾部共同作用时的减阻效果.通过CFD数值计算方法,得出模型的尾流、压力、剪应力以及湍动能等参数,对比模型在不同形式下的减阻效果,并分析减阻原因.研究结果表明:凹坑型非光滑表面能减小模型尾部负压,从而减小压差阻力,并降低湍动能,减小能量耗散;顶部和尾部非光滑的耦合作用略强于单独作用,但小于两者之和.     

可压缩自由混合层中的输运平衡

为研究可压缩混合层中的输运特性 ,该文采用气动BGK格式模拟了超音速来流条件下的二维平面可压缩混合层的空间发展 ,给出了湍能、雷诺应力和动量输运方程中各项的分布情况。各平衡方程中粘性耗散项和粘性扩散项都很小。湍能主要是通过对流、湍流扩散和压力扩散进行输运 ;切应力输运方程中主要是生成项与压力扩散项和压力 -应变关联项的平衡 ;雷诺应力 (1,1)分量输运方程中以生成项和压力 -应变关联项为主 ;雷诺应力 (2 ,2 )分量输运方程中主要是压力 -应变关联项与湍流扩散项和压力扩散项之间的平衡。     

黄海潮流底边界层内湍动能耗散率与底应力的估计

利用高频流速仪ADV在青岛外海潮流底边界层内一个周日(25h)定点连续观测的三维流速资料,计算并分析了秋末冬初潮流占优的陆架浅海潮流底边界层内湍动能耗散率和底应力的特征及其潮内变化.结果表明:(1)秋末的黄海,在一个周日内湍动能耗散率与底应力的变化范围分别为1.8×10-8—3.4×10-5W.kg-1与6.6×10-4—7.5×10-1N.m-2,表明在底边界层内存在着很强的能量耗散,且湍动能耗散率与底应力在潮内的变化都非常显著;(2)在充分混合的潮流底边界层内,湍流主要由海底流速剪切生成,湍动能生成与耗散基本处于局地平衡状态;(3)对于半日潮流占优的海区,湍动能耗散率与底应力都具有明显的四分之一周日的变化规律;(4)观测期间,海底以上0.45m处的拖曳系数的平均值Cd(0.45)为0.0017(对应于海底以上1.0m处的拖曳系数的平均值Cd(1.0)为0.0015),但拖曳系数存在着显著的变化(变化范围为0.0005—0.0082);平均的海底粗糙度为2.8×10-5m.     

底吹气体搅拌下熔池内流场的研究

本文将物理模型实验与数学模型数值求解相配合,对底吹气体揽拌下熔池内流场进行了研究。以湍流运动学方程和动力学方程、Harlow—Nakayama湍流k—ε双方程模型[1]及边界条件构成了所研究问题的数学模型,应用Spalding等计算湍流回流的方法[2],对数学模型数值求解,得到熔池流场涡量,流函数、湍动能、湍动能耗散率、湍流旋涡粘性系数、速度、含气率及密度等的分布,计算与测定了三种工况,计算与实验结果吻合。     

风速引起的湍流对挥发性污染物传质的影响

为分析风速引起的水、气及其交界面的湍流对挥发性污染物在水气交界面挥发传质的作用,将挥发性污染物水气耦合扩散模型与可实现k-ε模型相结合,预测挥发性污染物水体点源泄漏后的时空分布。分析结果表明:风速增加,水气交界面附近时均速度梯度增加,进而导致湍动能和湍能耗散率增加。风速引起的湍动能和湍能耗散率的提高增强了污染团尾部的挥发传质,风速越大,污染团尾部的浓度分布占据的空间越大。湍动能和湍能耗散率越高,水中污染物浓度下降越快。风速对气侧污染物扩散的影响要先于对水侧污染物扩散的影响。湍能耗散率随风速增加而增加的程度高于湍动能随风速增加而增加的程度。     

湍流边界层逆转捩机制的实验研究

实验研究了板面向下的平板边界层中的逆转捩现象,测量了加热前后湍能生成项,耗散项和吸收项的变化规律,初步解释了逆转捩发生的物理机制。实验结果表明,通过加热,形成稳定的密度分层结构,在距离平板前缘 400—1000 mm 范围内,湍能生成项变为负值,成为实际上的湍能集中吸收区,使得边界层内层的湍流能量被迅速吸收;近壁区的小尺度涡对于湍能的耗散作用进一步增强;同时浮力引起的湍能吸收项对湍能输运也起到了很好的抑制作用。外层流动失去了能量来源,从而使得流动逐渐从湍流演变为层流。     

管道内气液两相泡状流k—ε—kg—εg模型

从标准的单相湍流k-ε模型出发,提出了一个任意非正交曲线坐标系下模化管道内气液两相泡状流的k-ε-kg-εg模型。在该模型中,气泡湍动能的耗散受其自身耗散方程的制约,并全面考虑了气泡湍动能本身的对流、扩散、生成和耗散以及与液体之间的耦合作用。该模型在理论上比k-ε模型和k-ε-kp模型更加完善。采用该模型的数值模拟结果与试验数据吻合良好,二者相对误差在计算范围内不超过20％。     

基于网格数值耗散修正的圆湍射流模型

基于民用机舱内个性通风口,以圆湍射流作为研究对象,以标准κ-ε湍流模型较精细数值模拟与实验对比结果为出发点,通过对粗网格下数值结果的分析,针对网格尺度增大导致计算中数值耗散相应增大、射流速度沿轴向和径向衰减过快问题,从湍流耗散率方程出发,对影响湍流耗散的生成项和耗散项进行修正,平衡因网格尺度产生流动衰减过快的因素,进而提出了耗散率修正的κ-ε湍流模型.采用该修正模型验证了不同雷诺数和非等温条件下射流的适用性.应用修正的湍流模型可以避免机舱内大尺度空间流动对网格的苛刻要求,明显减少网格总数,同时达到对舱内复杂结构和边界条件下流场特征的正确模拟.     

低磁雷诺数不可压缩磁流体湍流的非线性涡黏性k-ω封闭模型

在低磁雷诺数近似下,通过逐项模化湍动能输运方程的磁流体源项,提出一个适于任意的磁场布置形式的非线性涡黏性的磁流体湍流k-ω模型.在该模型中,使用Kenjeres-Hanjalic模型和Song的非线性涡黏性模型分别模化脉动电场-速度相关量及各向异性的雷诺正应力,并采用Wilcox低雷诺数k-ω模型对层流化进行估计.通过与直接数值模拟结果和实验结果比较,表明本文模型给出的速度型误差小于5%,摩擦阻力系数误差小于10%,能够满足工程需要.     

流动环境中热水负浮力射流的近区特性分析

在对流动环境中平面热水负浮力射流进行数值模拟的基础上就近区特性进行分析,得到了不同排放角度和射流比下涡心和分离点位置等特征量的值.分析了水面上流速、温度、湍动能及其耗散率变化规律,对涡心断面上的动量方程和湍动能平衡进行了研究.计算结果分析发现回流区内湍动能最大值存在滞后的现象,浮力作用对时均量的影响较大,而对紊动量的影响则比较小.     

泄洪洞出口扭曲斜切挑坎挑流数值模拟

采用RNGκ-ε湍流模型与VOF多相模型对扭曲斜切型挑坎进行水气两相流三维数值模拟,模拟了挑流水舌的空中形态,水舌挑距,水舌挑高,以及水舌速度分布、湍动能k与湍动能耗散率ε的分布情况.数值模拟成果与模型试验观测数据吻合良好,验证了该数值模拟方法的可靠性和合理性,可以为工程优化设计提供科学依据.