轴对称通道内超临界水对流换热数值模拟

为了研究高性能轻水堆堆芯冷却通道内超临界工质流动与换热特性,采用Fluent软件对竖直上升环形通道内超临界水与管壁间的换热过程进行数值模拟研究。通过计算结果与实验结果的对比,评估了不同网格数量、壁面第1层网格参考高度和湍流模型对数值模拟准确性的影响。对5个不同湍流模型进行对比计算。针对3种热流密度进行堆芯流动换热计算。模拟结果表明:随着网格数量的增加和壁面第1层网格参考高度的降低,预测准确度逐渐提高,但当壁面第1层网格参考高度小于0.07后,预测准确度与其无关;与其他湍流模型相比较,标准k-ω模型和剪切压力传输(SST)k-ω模型都能预测传热恶化现象,SST k-ω模型较标准k-ω模型计算结果更为准确;近壁面区域物性的剧烈变化是引起传热强化及传热恶化的主要原因。     

潜艇阻力及流场数值仿真策略优化分析

为探寻不同湍流模型对直航潜艇阻力和流场仿真计算的影响,基于STAR-CCM+平台,以标准潜艇模型Sub-off为几何研究对象,采用有限体积法结合10种湍流模型对Sub-off的水动力及流场特征开展数值仿真研究.首先,以LES-Smagorinsky湍流模型开展网格及时间步长收敛性计算.其次,选定合适的网格方案和时间步长...     

下击暴流下立方体建筑物表面风压数值模拟

为研究不同湍流模型和壁面处理方法的组合对立方体建筑物在下击暴流风场中的风压系数模拟结果的影响,基于冲击射流模型建立下击暴流计算域,通过物理试验结果对模拟结果进行验证与对比分析.采用两种不同的网格划分方案,满足ANSYS-Fluent中对于不同壁面处理方法的壁面Y+值的要求.研究结果表明:在选用增强壁面处理情况下,剪切应力运输(SST)k-ω湍流模型在迎风面和背风面与试验结果符合较好,但是屋盖的模拟结果与试验结果相差较大;当选用标准壁面函数时,雷诺应力模型(RSM)展现出了与试验结果较符合的建筑物中线风压系数曲线.当模拟立方体建筑物在下击暴流风场中的表面风压时,相比其他湍流模型和壁面处理方法的组合,RSM湍流模型和标准壁面函数可以得到更好的数值模拟结果.     

典型标准水面船型阻力和黏性流场的计算

本文通过采用PISO(Pressure Implicit with Splitting of Operators)算法求解不可压缩RANS方程,对两类典型标准水面船型阻力和黏性流场问题进行数值计算验证.其中自由面的模拟采用单相Level set方法,湍流模式选取SST k-ω模型.首先以标准数学船型Wigley船为例,进行网格收敛性验证,讨论分析时间步长的选取和壁面网格参数的确定对计算结果的影响,为复杂问题的求解提供经验参考;然后在合适的网格及时间步长下计算不同Froude数(Fr)时Wigley船体受到的总阻力系数、摩擦阻力系数、船体表面波高图等,并分别与模型试验结果和经验公式估算结果对比,结果吻合很好,从而验证了该算法的可靠性.此外,还模拟计算了第二类标准船型DTMB5415的阻力系数和黏性流场,总阻力计算结果与实验结果吻合很好,船体波高图与实验结果相比稍有误差.数值计算结果和分析充分证明本文算法和计算程序的可靠性.     

不同湍流模型在混流泵数值模拟中的应用与评价

为了评价不同湍流模型在混流泵性能预测中的精度,以某比转速为511的混流泵模型作为研究对象,分别选取3种湍流模型:标准k-ε模型、RNGk-ε模型和SSTk-ω模型,基于SIMPLEC算法和混合网格技术,进行混流泵性能预测和全流场数值模拟,并以试验结果作为基准对预测扬程和效率进行误差分析.研究结果表明,网格密度对模拟结果具有较大影响,较疏的网格导致性能预测精度降低;当流量系数大于0.8时,3种湍流模型预测精度较高,都可以满足工程应用需要,当流量系数小于0.8时,只有RNGk-ε和SSTk-ω模型能较好地使数值预测和实验数据相一致,可以预测出流量扬程曲线中的正斜率特性.该结论将为混流泵性能预测的可靠性提供参考.     

燃气轮机火焰筒肋化壁面逆流气膜冷却的数值模拟

针对燃气轮机火焰筒肋化壁面逆流气膜冷却的问题,建立了火焰筒内壁面冷却传热的流固耦合数学模型.考虑湍流切应力的传播,近壁利用k-ω模型的鲁棒性,捕捉黏性底层的流动.主流区域利用k-ε模型避免k-ω模型对入口湍流参数过于敏感的劣势.SST k-ω模型是用混合函数将k-ω模型和k-ε模型结合互补所取得的更适合本问题的湍流模型.数值分析结果清晰展示了计算域流体的流场、温度场及火焰筒肋化壁面的温度场分布,并与文献中的实验结果符合良好.     

船舶螺旋桨黏性空化流场数值方法

以螺旋桨E779a为对象研究适合螺旋桨黏性空化流场的数值方法.基于黏性多相流理论,在均匀入流条件下数值求解纳维-斯托克斯(N-S)方程和空泡动力学方程组来预报螺旋推力系数KT、轴向速度UX和蒸汽体积分数av.数值结果表明,增加螺旋桨盘面至压力出口的计算空间距离后KT和UX的准确性提高了约3%.螺旋桨外围圆柱形规则区域用结构网格划分可以明显改善片空化的预报.对于相同网格策略,网格尺寸在一定范围内减小对片空化位置、KT和UX的预报结果影响不大,但片空化程度预报的准确性提高23%.网格收敛指数表明网格无关性较好,标准k-ω模型使计算容易收敛,大涡模型可提高UX和湍流动能的预报精度.     

舰船非定常气流场数值模拟

以SFS为研究对象,选择空间三阶MUSCL格式离散\动量插值法、二阶隐式时间积分方案、Smagorinsky-Lilly LES湍流模型对舰船气流场进行数值模拟.对结构网格密度进行敏感性检查,确保边界层网格在10层以上及y+取值在101~102.将风速放大到0.3Ma,采用计算机集群进行并行解算,对非定常速度及其脉动值进行时频域转换,考察流场的谱特征.无量纲化的结果表明,SFS流场速度的脉动十分剧烈,非定常速度的时间平均与定常计算结果局部存在较大差异,最大为10%左右;且定常计算结果相对非定常时间平均值偏小,SFS流场的湍流能量集中在1 Hz以下.采用已有试验结果对仿真进行初步验证,结果表明仿真具有较高的可信度.     

基于表面粗糙度修正的冷却风扇数值模拟方法研究

为了进一步提高冷却风扇多重参考坐标系(MRF)模型的数值模拟精度,结合壁面函数进行粗糙度修正,并分析MRF模型的影响因素。首先,以黏性底层中第一层网格离壁面的无因次速度u~+与距离y~+相等为依据,得到粗糙度常数、粗糙度高度与y~+之间的代数关系;根据实际壁面类型,得到修正后的y~+值与第一层网格高度,将其带入标准壁面函数进行近壁面修正。最后,以某型号冷却风扇为例,研究湍流模型、网格数量、表面粗糙度修正等因素对风扇数值模拟结果的影响。结果表明,模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动,更适合风扇的旋转流动,对风扇等旋转机械的模拟具有更高的准确性;过密的网格数量会使得计算结果出现波动;表面粗糙度修正改善了性能曲线上的一些畸点,在风扇常用工况范围内,使得试验值与仿真值的偏差由5%降低到修正后的3%以内。     

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.     

应用二流湍流模型模拟二维轴对称湍流射流

本文应用二流湍流模型和“常数有效粘度”,并将“混合长度”作为湍流流团的平均尺寸来模拟定常和非定常、二维轴对称湍流射流.二流湍流模型假设湍流流场中的每一点为“湍流”和“非湍流”流体所交替占据,从而模拟了湍流的“间隙”现象。本文将计算值与完整的定常二维轴对称湍流射流的实验值进行比较,验证了数学模型的可靠性;而非定常射流的计算结果则与相对应的定常射流的计算结果及现有的非定常射流的实验值进行了比较,取得了可以接受的一致性。本文还对数学模型及计算结果进行了讨论。     

不同网格尺寸下三种湍流模型数值模拟方柱绕流的比较

本文利用有限体积法采用Fluent软件对方柱绕流流场进行了全面数值模拟。影响钝体周围流场的数值模拟结果的因素主要有四种计算区域的尺寸、计算网格的大小和分布、离散格式的精度阶以及湍流模型。本文考虑了三种湍流模式(标准k-ε模式,RNGk-ε模式,realizablek-ε模型)对计算结果的影响,给出了数学模型和计算结果,并与实验数据进行了比较,旨在考虑不同模型计算结果的差异;同时对每种模式采用了五种不同的网格大小尺寸,比较了近壁面网格尺寸大小对计算结果的影响。结果表明,网格太粗或太细都影响结果的正确性,因此必须选一种合适的网格尺寸。     

基于k-ε方法的三维圆柱绕流仿真分析

为研究均匀水流场中水流经钝体时近壁面的水动力特性,以三维圆柱钝体为例,利用网格划分软件ICEM对流场及三维圆柱进行构建和结构化网格划分,通过计算流体力学(CFD)软件FLUENT 15.0中双方程k-ε模型分析模拟出圆柱近壁面处的压力、升力及Y+等特性,并与理论数值进行对比,模拟结果表明,近壁面水动力特性参数在流场方向关于圆柱对称。     

附体对潜艇兴波尾迹的影响分析

基于RANS(雷诺时均)方程和Realizable k-ε湍流模型,采用Simple算法求解压力-速度耦合项,建立了求解水下潜体兴波阻力的数值模型,并对潜艇近水面航行时的兴波特征进行了模拟.首先进行了网格及时间步长的收敛性验证,并验证了本数值模型的准确性.接着计算了SUBOFF潜艇在裸艇工况下以不同潜深航行时的兴波阻力,并针对特定潜深研究了潜艇在不同附体工况下以不同航速航行时的兴波特性.研究表明:当潜艇在弗劳德数为0.5附近时,兴波阻力系数最大;当潜深接近1/2艇长时,兴波阻力系数接近0;当单独存在尾翼附体时,会产生较大的兴波,驾驶舱与尾翼附体同时存在则会减少该影响;潜艇表面形状的突变会产生较大的压力变化.     

大曲率弯管中湍流的计算与模型考证

一些文献在使用标准k-ε模型预测弯道湍流时缺乏网格无关性检查和湍流参数的比对。本文结合具有详细测量数据的弯道湍流算例,研究了标准k-ε模型结合壁面函数法在不同网格密度时的计算结果。检查表明排除网格依赖性以后,标准k-ε模型与壁面函数法的结合使用可以获得明显优于前人的计算结果,即使是在弯道的后半段,计算结果仍然与实验数据良好地吻合。同时采用当前预测复杂流动时较受欢迎和好评的SST k-ω模型作比对分析,考证两种模型对曲率影响的预测能力。结果表明,SST k-ω模型对于弯道后半段的主流速度和二次流速度预测值优于标准k-ε模型,但对湍流动能和脉动应力的预测结果则显示标准k-ε模型在数值上与实验值更为接近,优于SST k-ω模型的结果。     

U形弯道中湍流对流换热的数值模拟

网格独立解是湍流对流换热数值研究的前提,而边界条件的恰当处理则是模拟结果准确性的关键。结合方形截面U形弯道中的湍流对流换热,采用SSTk-ω模型对弯道内流场和温度场进行计算,重点分析了速度场和温度场的网格独立解。同时结合第二类边界条件(热流密度条件),对比分析其两种处理方式对数值解准确性的影响。结果表明,由于不可压缩流动中速度场和温度场之间较弱的耦合关系,获得网格独立解所需的网格数目存在差别,温度场对网格密度要求更高。热流密度边界条件的两种处理方式的比较表明,Kader(1981)的代数方法在网格粗糙的情况下仍然能够较好地吻合实验值,具有更好的通用性和网格适应性。     

近壁面网格尺寸对湍流计算的影响

采用不同的网格划分策略,利用FLUENT软件对长直圆管管内湍流进行数值计算.计算结果与半经验理论曲线的比较和分析表明,降低网格渐变率、提高径向网格数目以及调整壁面层网格的y 值均能够有效改善计算结果的精确性,而y 在其中起主要作用.针对同一网格划分策略,改变边界条件对计算结果精确性的影响相对较大,而改变模型引起的影响则相对较小,因此,不同边界条件应采取相应的网格划分策略尤其是选择合适的近壁面网格尺寸.     

不同叶顶间隙对泵喷推进器性能的影响

基于均质多相流的RANS方程与分块网格技术,结合剪切应力SSTk-ω湍流模型,对E779A桨进行了非空化与空化数值模拟,数值计算结果与实验值符合较好,验证了数值计算方法的合理性与有效性.在此基础上,对不同叶顶间隙的泵喷推进器进行了非空化与空化数值模拟计算,重点对叶顶间隙处流场进行了精细后处理.结果表明:未空化时,间隙尺寸越大,泵喷推进器整体效率值越低,最大间隙与最小间隙之间的效率降幅最大为8.62%,叶顶间隙尺寸直接对泵喷推进器的最优进速系数产生影响.当空化发生时,在最优进速系数下的推进器效率下降幅度最小;间隙尺寸越大,空化后的推进器整体效率越低;在较高转速下,较大间隙的空化面积在叶稍处有更为明显的激增量.     

复杂非对称岔管数值模拟中湍流模型的影响

该文旨在探究湍流模型对复杂非对称岔管水力特性仿真的结果准确度和计算时间成本的影响。基于Reynolds时均Navier-Stokes(RANS)方程,利用剪切应力传输k-ω(SSTk-ω)、标准k-ε(Sk-ε)、可实现k-ε(Rk-ε)、重整化群k-ε(RNGk-ε)和Reynolds应力模型(RSM)共5种不同湍流模型解决方程封闭性问题,深入对比分析基于各湍流模型模拟的流速场、紊动能场、水头损失和时间成本的差异。将计算结果与物理模型试验结果进行比较,发现基于各湍流模型的计算值与试验值偏差和计算效率均随着水流条件的不同而变化。总体而言,基于SSTk-ω的模型计算效率较高,基于RSM的结果与试验值偏差较小。SST k-ω和RSM适合应用于求解类似复杂岔管的水力特性问题,可根据所具备的计算资源和对结果准确度要求在二者中选择。而RNGk-ε、Sk-ε和Rk-ε模型均不能较准确模拟岔管分流、汇流形态及引起的水头损失。     

改进的K-ω模型在亚音速漩涡流动中的应用

基于非结构网格,采用经典的wilcox k-ω模型和其改进的kω-Pω模型,建立了用于模拟大攻角旋涡流动的计算方法.以尖前缘的65°三角翼为例,模拟了旋涡的产生、发展、破裂过程,验证了wilcox k-ω模型和kω-Pω模型在典型的亚音速计算状态下对复杂涡系干扰的模拟能力.通过对多种计算的流场与气动力详细结果的比较分析,就两种湍流模型对大攻角复杂旋涡流动的预测能力和敏感性等进行了评估.结果表明:kω-Pω模型通过r值区分剪切层和涡核区域,从而对涡核区域的涡黏性进行修正.对最后的模拟结果有一定的修正作用,可以作为湍流模型修正的一个方向.RANS方法在预测涡破裂点位置和二次涡的强度及位置方面仍存在很大的缺陷.