内爆加载下界面不稳定性和湍流混合数值模拟研究

本文采用可压缩多介质黏性流动和湍流数值模拟代码MVFT,研究了球形汇聚几何中内爆加载Air/SF_6扰动界面导致的界面不稳定性和湍流混合的演化规律和物理机制.结果表明,这种条件下会发生复杂的波系演化,进而导致界面不稳定性和湍流混合也具有复杂的演化规律.冲击波首次加载Air/SF_6扰动界面后诱发Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性;然后扰动界面向心加速运动,此时会发生Rayleigh-Taylor (RT)不稳定性;接着扰动界面逐渐转为向心减速运动,此时发生SF_6加速Air的致稳效应,它会抑制界面不稳定性和湍流混合的发展,使湍流混合区(TMZ)宽度增长速度逐渐减小,当RT致稳机制逐渐增强并占绝对主导时,湍流混合区宽度出现负增长.当透射冲击波聚心反弹后,对湍流混合区形成的是一个准等熵斜波-冲击波-泰勒波的二次加载过程,沿重/轻介质方向产生的是加载-加载-卸载效应.准等熵斜波加载也会对RT致稳机制有贡献.反射冲击波加载又会诱发RM不稳定性,而泰勒波加载会诱发RT不稳定性,二次加载产生的反射波聚心又反弹,进而重复准等熵斜波-冲击波-泰勒波的加载过程.汇聚几何所特有的Bell-Plesset (BP)效应会促进界面不稳定性和湍流混合发展.在球形汇聚几何中内爆加载所诱发的界面不稳定性和湍流混合发展过程中, RM不稳定性、RT不稳定性、BP效应和RT致稳机制存在互相竞争机制.湍动能分布显示湍流混合区发展沿径向是不对称的,不同方向湍动能分量和能谱结果表明湍流混合区发展还具有强的各向异性.     

激波作用下气柱不稳定性发展诱发湍流大涡数值模拟

利用Smagorinsky亚格子湍流模型,采用大涡数值模拟方法求解可压缩流体Navier-Stokes方程,通过算子分裂分步计算,给出了适用于可压缩多介质流体界面不稳定性发展诱发湍流的计算程序MVFT（multi-viscosity-fluid and turbulent）.引入耗散界面过渡层ITL（interface transition layer）描述SF6气柱初始状态,用MVFT程序对LANL激波加载SF6气柱的激波管实验进行了数值模拟,分析了气柱的形状、流场速度以及涡的特征.计算结果表明,MVFT给出的气柱宽度、高度比RAGE的更接近于实验,气柱上游边界、下游边界和涡边界的速度与实验基本吻合,略小于RAGE的计算结果.MVFT程序的有效性得到初步检验和验证.     

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.     

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．     

反射激波诱导界面不稳定性研究进展

运动激波与流体界面相互作用能够引起复杂的流动现象,包括激波反射折射、界面失稳以及湍流混合等,在自然界和工程实际中具有重要的应用价值和研究意义.入射激波冲击之后,初始界面上的扰动在斜压涡量和压力扰动等机制下经历线性和非线性增长,界面形态不断发生变化;当反射激波再次冲击变形的界面时,涡量的产生及输运将改变界面不稳定性的演化过程,产生不同的物理现象和规律.由于反射激波的生成及控制比单次激波要更加复杂,开展与之相关的界面不稳定性研究工作具有极大的挑战性.本文回顾了近年来学者们在反射激波诱导界面失稳和湍流混合方面取得的实验、数值和理论研究进展,重点从平面和汇聚两种典型的初始激波形状出发,讨论了界面形状、激波强度、反射距离等初始条件对反射激波再次作用下界面不稳定性的影响规律,并进一步展望今后的研究重点和方向.     

绕射激波和反射激波冲击下的Richtmyer-Meshkov不稳定性

利用高速纹影和平面片光测试技术,实验研究低马赫数入射激波绕圆柱体后冲击N2/SF6平面界面,以及来自固壁的反射激波再冲击过程的R-M不稳定性特征.在竖直激波管采用重气体尾部充入,轻气体上部充入,狭缝流出的方式,在实验段狭缝处生成准静止稳定的N2/SF6平面界面.激波与圆柱作用后的流场是复杂的,包括初始的入射波、弯曲反射波、马赫波、由马赫反射产生的滑移线.研究这些复杂流场对界面的作用,对认识界面扰动的生成具有较大帮助.与平面激波作用不同的是,在柱体绕射后的激波冲击下,界面会生成局部扰动.实验结果显示,入射激波作用下界面宽度增长缓慢,而反射激波再冲击后,局部扰动会产生大的"尖钉"和"气泡"结构;反射激波与边界层相互作用产生壁面涡,会加剧湍流混合区的增长;来自尾部固壁的反射稀疏波会再次加剧湍流混合区的增长.     

丁坝挑角及长度对回流区流动特性影响的数值模拟

为探究丁坝挑角及长度对坝后回流区流动特性的影响,利用计算流体力学(CFD)方法,模拟宽浅河道中丁坝挑角上挑60°、正挑、下挑120°,及丁坝投影长度为0.12,0.2,0.3 m条件下回流区流场和湍动能及湍流黏度的分布。结果表明:丁坝回流区最大相对长度L/B及最大相对宽度W/B与丁坝相对投影长度b1/B成正相关;湍动能沿着流动分离区域向两侧及下游扩散衰减,其最大值出现在坝后流动分离处;丁坝的投影长度和挑角直接影响湍动能和湍流黏度的大小和分布;随着水深增加,湍动能和湍流黏度分布规律不变,其值随着水深的增加而小幅减小。     

球形汇聚-反射激波作用下湍动能方程的模化

球形激波与湍流间的相互作用在惯性约束聚变(ICF)、超新星爆发、冲击波碎石等许多工程问题中有重要意义.本文通过直接数值模拟,研究了球形激波的汇聚与反射诱导的湍流及其相互作用问题,分析了这一流动的特点和湍流的产生机制.重点讨论了该流动的湍动能系综平均方程中各项的作用和起主导作用的物理机制,发现传统的剪切湍流的产生机制和黏性项量级普遍偏小,激波才是诱发湍流的主要因素,因而在湍动能方程中起主导作用.由于激波的主导作用,压力脉动对湍动能方程有重要影响,与压力脉动有关的各个项在湍动能方程中均起重要作用.一些在一般湍流中可以忽略的项,例如质量流量项、压力体胀项等,在球形汇聚-反射激波与湍流相互作用问题中起重要作用.本文还探讨了涡黏性模式的有效性,发现满足可实现性原理的涡黏性模式可以较好地模拟雷诺应力.同时,本文揭示了现有湍动能方程封闭模式在本问题的应用中存在很大误差,并尝试对这些项提出新的封闭模式.     

不同湍流模型在90°弯管数值模拟中的应用

为了揭示不同湍流模型对弯管内部流动模拟的影响因素,在90°弯管PIV(粒子成像测速仪)试验研究的基础之上,采用6种湍流模式模拟了方形截面90°弯管内的三维湍流流动,与试验数据进行了比较,并根据试验与数值计算的比较结果,选择较优的湍流模型模拟了半径r=164mm的速度分布曲线以及各个截面内的流动情况.结果表明:LES(大涡模拟)模型的计算结果在流体运动的整个过程中与试验值符合较好;其他湍流模型模拟弯管直线段时,计算误差较小,而一旦流体进入弯曲段后,计算值与试验值存在一定差异.相对于RNG(重正化群)k-ε(湍动能-耗散率)湍流模型,LES模型计算半径r=164mm上速度分布与试验值更为接近.此外,LES模型能够较好地模拟出弯管各个断面上的二次流动情况.     

不同半径比Taylor-Couette湍流的直接数值模拟研究

采用谱方法求解柱坐标系下三维不可压缩流Navier-Stokes方程,直接数值模拟了不同半径比下的同心旋转圆筒间的Taylor-Couette(TC)湍流问题.由于TC湍流是由大尺度Taylor涡和湍流随机脉动的叠加而成,采用周向平均成功识别了TC湍流中的大尺度Taylor涡,并将其诱导的脉动流动与湍流随机脉动分离开来,对比分析了不同半径比下大尺度Taylor涡对脉动强度和湍动能的贡献;同时,通过计算雷诺应力输运方程,研究了半径比对湍动能生成、耗散和再分配等动力学特性的影响.计算结果表明,在小半径比的宽槽TC湍流中,Taylor涡诱导的脉动流相对较弱,湍流随机脉动更为强烈,其对湍流统计特性的影响占优;在大半径比的窄槽TC湍流中,流体脉动特性主要源于Taylor涡的贡献;另外,随着半径比的增大,近外壁面附近流体沿周向剪切作用增强,流场表现出类似于平板Couette流的流动特性.     

A new compressibility modification <Emphasis Type="Italic">k</Emphasis>-ε turbulence model with shock unsteadiness effect

A new compressibility modification k-ε model, including shock unsteadiness effect and the previous compressibility modification of pressure dilatation and dilatational dissipation rate, was developed with a simple formulation for numerical simulation in supersonic complex turbulent flows. The shock unsteadiness effect was modeled by inhibiting turbulent kinetic energy production in the governing equations of turbulent kinetic energy and the turbulent kinetic energy dissipation rate. Sarkar＇s correction models were employed accounting for the dilatational compressibility effects in the new model. Two types of flows, the free supersonic mixing layers and complex supersonic flow with transverse injection were simulated with different flow conditions. Comparisons with experimental data of the free supersonic mixing layers showed that the new compressibility modification k-ε model significantly inhibited the excessive growth of turbulent kinetic energy and improved predictions. On the supersonic mixing layer flows, prediction results with the new model were in close agreement with experimental data, accurately predicting the decreasing trend of the mixing layer spreading rate with the increase of the convective Mach number. Due to the complicated flow field with flow separation, shock unsteadi- ness modification inhibited excessive growth of the turbulent kinetic energy in shock regions and wider shock regions are predicted, thereby significantly improving results of the flow with a strong separation forecast. The flow separation was stronger, which was the primary modification effect of the new model. Predictions accord with experimental results even in strong separation flows.     

宾汉流体与颗粒间的密相两相湍流研究

参照密相液固两相湍流方程，并考虑到宾汉流体的本构关系，建立了描述汉流体与颗粒间的两相湍流流动的控制方程，编制了计算程序，为数值计算奠定了理论基础，采用IPSAR（Inter Phase Slip Algorithm Revised）算法，对直圆管内的宾汉流体与颗粒间的两相湍流流动进行了数值计算研究。结果表明：在直圆管中，颗粒相的速度分布比较均匀，且其在壁面处高于宾汉流体，随着屈服应力的增加，两相主流速度均减小，同时宾汉流体动能有减小的趋势，而颗粒相体和浓度则呈现出增加的趋势，因此宾汉流体的了应力及对其湍流流动有重要的影响。     

多旋翼对舰船甲板流场影响数值研究

为了研究多架直升机同时悬停时对舰船甲板流场特性的影响,采用Fluent软件对直升机多旋翼结构和舰船耦合流场进行数值模拟,分析了不同风向工况下的流场结构、螺旋度分布以及湍动能.结果表明:各旋翼周围的流场参数相互耦合、相互影响;侧风的加入使得流场结构更加紊乱,形成来流、多旋翼与上层建筑之间的混合流场;湍动能超限区域覆盖了整个甲板流场,这对于直升机的起降是非常不利的.     

幂律流体突扩管道湍流流动的研究

考虑幂律流体的本构关系,结合流动指数的影响,建立了适用于幂律流体的N-S动量方程和湍流模型方程;采用SIMPLE算法,对不同流动指数的幂律流体突扩管道湍流流动进行了数值计算,计算结果和实验数据吻合较好,对计算结果进行分析后发现,对于不同流动指数的幂律流体,其湍流变化趋势不同,从而揭示了流动指数对幂律流体突扩管道湍流流动有重要影响。     

双模式消声器气流再生噪声试验与仿真

为探究双模式消声器气流再生噪声,搭建了消声器试验台架,采用双传声器传递函数法和消声器静态传递损失法,在不同进口流速下,测量了双模式消声器在阀门关闭和打开状态下出口端气流再生噪声入射声功率和尾管噪声。试验结果表明,阀门打开时气流再生噪声与尾管噪声均降低,出口端气流再生噪声入射声功率最高下降1.1dB,尾管噪声最高下降2.3dB,直接验证了双模式消声器有助于降低气流再生噪声的特点。在试验基础上,建立了双模式消声器三维模型,通过Fluent有限元软件对消声器内部流场进行数值仿真,获得了消声器内部压力、气流流速及湍动能的分布特性。仿真结果表明,阀门打开时消声器内部压力、气流流速及湍动能均比阀门关闭时低。仿真和试验结果基本吻合。     

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。     

基于结构化网格的两级矿浆泵数值模拟分析

为了研究深海采矿两级矿浆泵泵内固液流体流动规律及工作性能,采用计算流体动力学软件CFD对两级矿浆泵泵内的固液两相湍流进行了数值模拟和性能预测.阐述了矿浆泵计算流道区域的拓扑块划分方法和结构化网格生成方法;采用RNGκ-ε湍流模型和多参考坐标系,进行全三维流场数值模拟,分析了矿浆泵内流场的压力分布、流速分布和湍动能分布,进而计算出不同颗粒属性的泵的特性曲线.研究表明,颗粒属性对矿浆泵工作性能有重要影响,在颗粒体积分数相同的条件下,泵的扬程和效率均随颗粒粒径的减小而增大.颗粒的体积分数适宜控制在5%~10%左右.     

地球弓形激波中的湍动加热

地球弓形激波过度区的厚度远小于粒子的自由程，是一个无碰撞空间，朗道阻尼引起的无碰撞湍动加热，可以从湍动源转移和分配能量和几乎所有的粒子，太阳风的动能，在如此上的无碰撞空间里，通过无碰撞湍动加热，被转变下游的热能。     

基于Fluent的直动式纯水溢流阀内部流场建模与仿真分析

利用Fluent软件对直动式纯水溢流阀内部流场进行了仿真,得到了压力分布、速度矢量分布、紊流动能分布、能量耗散分布图,可以看出阀的进口处压力分布最密、流速大幅增加、紊流动能和能量耗散分布比较密集;分析了结构因素对气蚀腐蚀的影响,阀座及阀芯拐角处负压值低、气蚀严重;分别对阀座拐角处进行倒角、阀芯拐角处进行倒圆,结果表明经过结构优化后的溢流水阀气蚀现象得到明显改善.