基于格子Boltzmann方程的大涡模拟对湍流时空关联性的研究

将格子Boltzmann方程和大涡模拟(LBE-LES)相结合,提出适应于格子Boltzmann方法(LBM)的涡黏性亚格子尺度模型,开展均匀各向同性湍流时空关联性的研究.采用D3Q19格式计算湍流的三维能谱、湍动能耗散率和其它高阶统计量,与实验和直接数值模拟结果的比较表明,该模型比传统涡黏模型有明显改进.考察了不同亚格子模型预测湍流频率波数能量谱的能力,结果表明,尺度涡产生的横扫作用是造成小尺度涡时间去关联的主要因素,不同波数的频率能量谱之间有一定的相似性,横扫速度是描述湍流频率波数能量谱的特征量.     

高雷诺数湍流的熵格子玻尔兹曼方法大涡模拟计算

为了开发基于熵格子玻尔兹曼方法的通用计算流体动力学求解器,建立了熵格子玻尔兹曼方法的大涡模拟标准Smagorinsky亚格子尺度湍流模型的计算模型,探究了其进行高雷诺数湍流模拟的有效性,并且尝试展开了基于熵格子玻尔兹曼方法大涡模拟亚格子尺度模型的近壁面研究.得到结论:熵格子玻尔兹曼方法的大涡模拟能够有效进行高雷诺数湍流的数值模拟计算;近壁面处理的Catalano方法对壁面处流场速度的计算结果优于Van Driest方法,而Van Driest方法的优越性表现为模拟计算方法的一致性.     

一种改进的旋转湍流亚格子尺度模型及其应用

基于数学物理分析, 发展了一种新型的满足旋转湍流建模规则(即模型的渐近物性坐标不变性条件)的动力学亚格子尺度应力模型, 并针对展向旋转槽道湍流问题, 计算验证了该模型的正确性. 文中采用大涡模拟方法和该动力学亚格子尺度模型, 进一步研究了展向旋转槽道湍流的统计量和大涡Reynolds应力输运方程主要项的变化特性, 分析了旋转槽道近壁区的湍流拟序结构.     

高雷诺数预混湍流火焰的数值模拟与结构表征

高雷诺数湍流预混燃烧是先进发动机高效清洁燃烧中的共性问题.为发展发动机燃烧室工况下的预混燃烧可预测模型,亟需开展高湍流度、宽压力范围内的湍流预混火焰基础研究.本文就近期相关进展进行综述,重点内容包括:(1)主要处于薄反应区预混燃烧模式下的自由传播与射流火焰的直接数值模拟;(2)湍流预混火焰结构演化中的几何与拓扑性质表征方法;(3)预混火焰锋面前后密度与黏度变化对临近流体局部各向异性与小尺度涡结构的影响机理;(4)高雷诺数湍流预混火焰中高拉伸率与差异扩散对燃烧速率和局部熄火的影响;(5)湍流预混燃烧大涡模拟中的亚格子模型.     

小尺度新月形沙丘背风侧流场特性的大涡模拟分析

为了准确获得新月形沙丘背风侧湍流流场流动特性,采用基于Smagorinsky的亚格子尺度涡黏模型的大涡模拟(LES)方法,对简化了的实验缩比小尺度沙丘模型绕流气相流场进行了数值研究,模拟了相同来流风速、不同沙丘迎风坡度和高度下背风侧风场的湍流流动模式,获得了背风侧区域地表面摩擦系数分布,比较了回流区长度和湍流强度分布.模拟结果表明:LES方法能较好地揭示背风侧湍流流场特性;流场重附距离随沙丘迎风坡度和高度的增加而增大;背风侧回流区内湍流强度总体上比回流区外大,回流区内沙丘坡脚位置及重附点位置处湍流强度最大值出现在贴近地表附近,随沙丘高度的增加而增大;回流区中部湍流强度最大值出现在回流区顶部,随沙丘高度的增加先增大后基本不变.     

制动工况下液力变矩器大涡模拟流场仿真及可视化试验验证

为了准确地揭示液力变矩器流场时空演化机理,基于计算流体动力学理论,采用5种不同的大涡模拟(LES)亚格子湍流模型(SL、WALE、WMLES、WMLES S-Omega、KET)精细仿真制动工况下液力变矩器三维流场,识别并提取涡轮内部非定常多尺度三维涡结构,籍此分析时空多尺度涡演化特征及其对流场结构演变的影响规律.基于...     

基于涡旋强度亚格子应力模型的湍流有旋流动大涡模拟

为了改进大涡模拟方法预测湍流有旋流动的能力,将一种基于涡旋强度构建的亚格子涡粘模型应用于悉尼旋流燃烧器的冷态场大涡模拟中.选取高雷诺数低旋流数和低雷诺数高旋流数两种工况,验证该模型在强剪切且有旋流场大涡模拟中的表现,并与动态Smagorinsky(DSM)模型模拟结果以及实验结果进行比较.模拟结果表明,基于涡旋强度模型(SSM)的大涡模拟结果能够合理预测钝体回流区、二次回流区以及中心射流进动等重要特征,同时速度统计矩结果总体好于DSM模型结果.但在旋流剪切层处二阶矩预测较高,说明SSM模型在剪切层处可能耗散较大,需要改进.     

分离涡模拟k-ε湍流模式及在火灾模拟中的应用

为了构造一种使用较少网格并能获得流动主要特性的湍流计算方法,根据分离涡模拟(detached-eddy simulation,DES)方法的一般性定义,发展了一种基于k-ε两方程湍流模式的DES方法.用该方法代替FDS软件中的亚格子应力模式构造的DES求解器被用来对湍流强迫对流问题和单室火灾问题进行数值模拟.计算结果与大涡模拟的结果和实验数据进行对比.强迫对流问题的计算结果与实验数据吻合得非常好,用较少的网格取得了比使用较多网格的大涡模拟方法更好的结果.用该方法预测的单室火灾问题的速度分布与实验结果非常接近,但是预测的温度分布则较差.这可能是由于该数值方法缺乏较好的湍流燃烧模型所致.     

存在热浮力的剪切湍流中颗粒近壁运动的大涡模拟

采用基于动力学亚格子模型和热通量模型的大涡模拟方法,结合Lagrange粒子追踪技术,数值研究了存在热浮力作用的剪切湍流中细颗粒群的输运特性.一方面探讨在槽道剪切湍流中不同热分层效应与粒子输运的动态关联性,以及不同Stokes数的细颗粒在同一分层湍流环境下的浓度分布;另一方面探讨动量和热量耦合作用下影响粒子迁移、扩散和沉积的不同因素.此外,基于一些典型计算结果,探讨了稳定和不稳定分层对颗粒运动各向异性程度的影响,研究了不同颗粒的平均速度、脉动强度的统计特征量以及与湍流流场之间的相关性,并对颗粒在槽道不同区域的体积浓度分布和局部积聚现象进行了分析.     

基于球元重建与大涡模拟耦合并行算法的数值模拟

为了更好地模拟柱形颗粒与石英砂的流动,利用球元重建方法对柱形颗粒进行球元重建.采用大涡模拟中的SGS(sub-grid scale)亚格子模型,对柱形颗粒造成的湍流进行解析.模拟中耦合并行算法,缩短了模型计算时间.基于上述方法,模拟了表观气速为1.5 m/s的柱形颗粒与石英砂的混合流动过程.通过流动瞬时图像和压力脉动分析表明,模拟结果与实验结果相似,表明耦合并行算法能较好地模拟流化床中柱形颗粒与石英砂的流动.当柱形颗粒尺寸较大时,加剧了湍流效应对混合流动的影响.模拟的z方向气体平均速度呈现中间高两边低的对称分布状态,这与床内的气泡和柱形颗粒分布有关,符合实际流化规律.     

基于大涡模拟方法的风力机气动性能和尾流干扰研究

利用致动线(Actuator Line Method,ALM)和大涡模拟(Large-Eddy Simulation,LES)结合的方法,采用4种亚格子模型,对低湍流度均匀来流中不同转速下两台串列风力机的气动性能和尾流干扰开展数值模拟研究,并探讨了亚格子模型对尾流场模拟的影响.两台风力机功率系数和推力系数,以及尾流场的轴向平均速度和雷诺应力分布的计算结果与实验值基本吻合,验证了ALM-LES方法对风力机尾流研究的可靠性.受上游风力机尾流的影响,下游风力机功率系数和推力系数大幅降低,最大功率系数仅为上游风力机最大功率系数的25%左右.与来流风况的低湍流度相比,风力机尾流场中湍流强度大幅提高.通过不同亚格子模型计算结果的对比分析,得出亚格子模型的选择对风力机气动性能和尾流场湍流特征参数的计算影响较小.     

湍流分离流中颗粒的扩散机制

后台阶流动包含分离流重要的流动特性, 采取欧拉-拉格朗日耦合算法对后台阶分离流动中颗粒扩散运动进行数值研究. 气相场采取大涡模拟方法, 亚格子模式基于标准的Smagorinsky 模式, 颗粒相运动采取轨道法模拟. 计算所得气相的流向平均速度和平均脉动速度与实验结果吻合较好, 验证了模型和方法的正确性. 基于此, 数值分析后台阶两相流动的特性以及流场涡结构的发展和演化过程. 结果表明: 两相流中颗粒的扩散特性既受到颗粒粒径的影响, 又与颗粒和涡结构的相互作用时间有关. 后台阶流场中增加结构物时, 流场涡结构发生变化, 即与扰动源保持一定距离后, 涡数量增多, 流场中颗粒分布不均匀, 较多颗粒聚集在涡的外缘.     

群体互扰下的风场绕流特性和风压分布分析

研究群体互扰下的风场绕流和风压分布问题.改进了流场模拟大涡模型的亚格子应力的湍动黏度,以改善大涡模型对壁面湍流的描述,在壁面处得到与直接数值模拟(DNS)相近的结果.基于此种改进的大涡湍流模型,在单物体和3个物体绕流情形下,分别选择结构刚性模型和弹性模型开展了流场和风压的数值模拟,得出相应的绕流特性和风压分布并与运用其他湍流模型的计算结果进行对比分析,以验证本文提出的改进技术.同时,计算表明,单物体和3个物体情形下的流场特性和风压分布显著不同.     

大涡模拟预报可靠性分析

针对明渠道湍流流动,研究了计算网格、计算域大小、亚格子（SGS）模型和雷诺数等因素对大涡模拟（LES）预报精度的影响。研究表明,即使简单外形的湍流流动,网格尺寸大小及匹配仍较大地影响大涡模拟计算结果,因此具体使用中应予以充分重视。     

气粒湍流流动中考虑重力时颗粒的扩散

对气固两相后台阶流动,利用大涡模拟方法模拟气相场,轨道法模拟颗粒相运动。计算中气相亚格子模式(SGS)采用了标准的Smagorinsky模式。不考虑重力条件,研究了不同入口滑移条件下颗粒的扩散行为,表明颗粒扩散行为与连续相大涡运动行为存在差异。在此基础上深入研究了考虑重力条件时颗粒在流场中的扩散行为。该文工作为在细观框架下进一步研究气固两相相互作用奠定了基础。     

类车体气动性能的大涡模拟

以MIRA车体气动性能的风洞试验数据为基础,对采用大涡模拟方法解算非定常特征显著且具有大分离流动结构的近地钝体外部绕流场所涉及的迭代步数、时间步长、网格方案等影响因素开展研究.采用对比分析方法对3种亚格子湍流模型的计算准确性进行研究.提出适用于三厢车型的大涡模拟数值仿真策略.     

基于LES的圆柱尾流漩涡特性分析

为研究大涡模拟(LES)方法在圆柱绕流和模拟大尺度和小尺度波动的适用性,采用Smagorinsky-Lilly模型对亚临界区7种雷诺数(Re)情况的圆柱绕流进行数值模拟,计算出其阻力系数(Cd)和Strouhal数(St),并针对Re=3 900情况进行深入分析,给出其漩涡脱落的过程和速度的功率谱曲线.研究结果表明:计算所得Cd和St均与以往实验值符合较好,能较好模拟圆柱绕流尾涡周期性脱落过程;采用LES方法不仅能精准地捕捉到圆柱绕流漩涡脱落的无量纲频率0.215,而且能有效反映出圆柱下游回流区长度在大时间尺度上的周期性变化所对应的频率0.006 15,这与实验值和直接模拟(DNS)所得频率相符合;对于小尺度的Kelvin-Helmholtz不稳定性,虽能捕捉到波动,其频率为0.641,但与直接模拟结果和实验所得公式的预测结果有一定的差值.     

湍流边界层多尺度相干结构的子波自相关辨识

采用热线风速仪测量平板湍流边界层的流向速度信号,运用连续子波变换的自相关分析,研究边界层相 干结构的变化规律,提出了子波尺度与涡时间尺度关系的计算式．结果显示,相干结构在时空中呈多尺度分布,在 对数区集中在较大尺度,在缓冲区扩展到较小尺度,越靠近黏性底层,拟序运动越明显,并向更小尺度发展;广泛存 在的相关性很弱的小尺度涡成为数量巨大、含能很少的背景湍流．子波变换的自相关分析可以定性,也可定量显示 涡的时空特性,是研究湍流多尺度相干结构的有效方法．     

矩形通道内具有Rayleigh-Benard对流的湍流换热大涡模拟

基于动态Smagorinsky涡黏模型对矩形通道截面内具有Rayleigh-Benard对流的湍流充分流动和换热问题进行了大涡模拟研究,分析了浮升力对管道截面的平均速度、温度分布以及雷诺应力的影响.湍流雷诺数为400,格拉晓夫数从105变化到107.研究结果表明:随着格拉晓夫数的增大,浮升力增强,通道内平均速度减小;亚格子黏性系数明显增大,湍流强度增强,换热也明显增强;由于浮升力的存在,在高温壁面附近,主流湍动能减小,展向湍流强度大大增强;初始条件对平均速度及温度的分布有一定的影响,但对平均的阻力系数及换热系数没有影响.     

气固流动大涡模拟和两相湍流模型的评价

用基于气体Smagorinsky亚网格应力模型和颗粒动力论模型的双流体大涡模拟(LES)以及统一二阶矩两相湍流模型(USM-RANS),对轴对称突扩气固流动进行了数值模拟。结果表明:LES模拟的颗粒轴向平均速度和均方根脉动速度,以及USM-RANS计算得到的模拟结果都与实验结果吻合较好。LES得到的颗粒-气体轴向脉动速度关联值比USM-RANS模拟值更接近实验值,这表明USM-RANS模拟还有改进余地,并基本上得到了LES的验证。LES的瞬态模拟能显示气固湍流流动的各向异性两相湍流结构和颗粒弥散的发展过程,而USM-RANS无法实现。