采用不同湍流模型对半封闭狭缝湍流冲击射流的数值模拟

针对海洋石油工程中废弃平台切割技术的需要,采用充分发展的入口条件结合标准壁面函数,将标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型和雷诺应力模型应用于半封闭狭缝湍流冲击射流的数值模拟,采用减小网格尺寸和提高差分格式精度等措施来减小数值伪扩散对冲击射流流动的影响.结果表明:雷诺应力模型和Realizable k-ε湍流模型在湍流冲击射流的数值模拟中具有一定的优越性,Realizable k-ε模型的计算量较小;减小网格尺寸并不能降低数值黏性对计算结果的影响;提高差分格式的精度可以在一定程度上降低数值黏性对计算结果的影响,MUSCL格式并没有显著提高计算结果的精度.     

射流表面主流场速度与射流速度耦合减阻特性

针对射流表面流场特性,运用可拓学基本原理,建立主流场速度与射流速度耦元、耦合方式的可拓模型.利用RNG k-ε湍流模型对射流表面主流场速度与射流速度耦合情况下减阻特性进行数值模拟,研究射流表面减小黏性阻力和压差阻力的原因及对射流孔附近壁面流域边界层控制行为.研究结果表明:主流场速度越小与射流速度越大耦合情况下射流表面减阻效果最好,节能效果明显;主流场速度与射流速度耦合对边界层的控制行为表现在射流表面模型使射流孔下游流域黏性底层厚度减小,边界层厚度降低,导致壁面所受黏性阻力减小;同时形成的反向漩涡在壁面形成的反向流对仿生射流表面产生逆流向的推动作用,对压差阻力产生抑制效应.     

仿生射流表面流场控制减阻数值模拟

利用SST k-ω湍流模型对仿生矩形射流表面的减阻特性进行数值模拟,解释了射流表面减小摩擦阻力的原因及对近壁区边界层的控制行为.结果表明,射流孔面积相等时,射流孔与射流表面沿展向长度的比值越大,减阻效果越好.当其它因素不变时,随着射流速度的增大减阻率逐渐增大,随着射流流量的增大减阻率逐渐增大,最大减阻率为35.97%.射流表面对边界层的控制行为表现为主流场近壁区的剪切流动遇到射流的阻抗,在射流孔的背流面形成逆流区,逆流在边界层底层产生的剪应力与主流场方向相反;同时在射流孔下游产生反向旋转涡对并在近壁面诱导出二次涡,相当于在高速流体与壁面之间产生润滑带,使边界层黏性底层厚度增大,速度梯度减小,摩擦阻力减小.     

倾角对湍流狭缝冲击射流流动与传热性能的影响

为了研究倾斜冲击射流的流场结构和传热性能,采用SIMPLE算法和RNGk-ε湍流模型,对三种入射角度下的狭缝湍流冲击射流进行了数值模拟。结果表明,由于射流的卷吸以及上封闭板的作用,在流场两侧的流出区域分别形成了一个环形的回流区。当射流倾角减小时,左侧回流区的范围变小,而右侧的回流区增大。流场中的低温区以及冲击表面压力系数最大值和局部Nu最大值的位置也都随着倾角的减小而向流场的左侧偏移。当倾角减小时,冲击表面压力系数最大值降低,局部Nu最大值没有明显的变化,射流与冲击面之间的平均传热率降低。     

射流表面多因素耦合减阻特性及其对边界层的控制行为

为了研究多因素耦合对射流表面减阻特性的影响,运用可拓学基本原理建立主流场速度、射流速度、射流孔高排布、射流孔底排布等特征耦元及其耦合方式的可拓模型,利用标准k-ε湍流模型对射流表面多因素耦合条件下的减阻特性进行数值模拟,分析射流表面黏性阻力和减阻率减小的原因,以及射流表面多因素耦合对射流孔附近壁面流域边界层的控制行为.结果表明:射流表面多因素耦合的减阻效果较好,最大减阻率为27.69%;多因素耦合条件下的射流表面改变了壁面剪应力分布,影响了边界层的结构,同时,在射流孔下游形成的漩涡改变了边界层的厚度,导致壁面黏性阻力降低,从而使得射流表面具有较好的减阻效果.     

稳态射流数值模拟中速度参量对传热的影响机制分析

对文献中多个槽缝冲击射流的经典实验结果进行数值模拟,考察RNG k-ε和Transition SST湍流模型的表现,主要分析射流出口中心线和展向、壁面射流区域的雷诺时均速度和湍流度分布,以及靶面换热效果与流场模拟结果之间的关系.模拟结果表明,与Transition SST湍流模型相比,RNG k-ε模型的结果表现出更强的湍流粘性,使得其中心线上速度衰减较快,该效果可能导致低估靶面上的冲击换热效果;而在冲击滞止区域,RNG k-ε湍流模型结果表现出过高的湍动能,该效果可能导致高估靶面上的冲击换热效果.因此,当射流雷诺数较小时,Transition SST模型所得滞止区换热系数要高于RNG k-ε模型的结果,反之亦然;而在壁面射流区域,RNG k-ε模型对于流场速度的模拟较好,但相应区域的传热模拟并没有表现出明显的优越性.     

合成射流流动与传热特征的数值模拟

采用RNGκ-ε模型和PISO算法,通过求解三维N-S方程,对腔体右侧振动膜片运动的二维合成射流流动与传热特征进行了数值模拟.模拟结果显示由于激励器在右侧振动膜片的作用下,合成射流产生的喷射气流在喷口中心右边速度稍大于左边速度,形成不对称射流流场;射流冲击壁面的速度峰值出现在中心区两侧,使得射流冲击换热的Nu数形成相应的峰值;随着合成射流冲击距离Z/do的增大,其对流换热系数出现先增大后减小的变化规律,当冲击距Z/do=20~30 mm时冷却效果较佳.     

四喷嘴圆形冲击射流局部传热性能的实验研究

应用萘升华传质/传热比拟技术,对喷嘴组圆形射流在不同喷嘴到被冲击表面距离(2≤H/D≤8),在4×103≤Re≤1.0×104范围内,进行了局部传质/传热实验,研究了不同喷嘴到被冲击表面距离和不同Re数对喷嘴组圆形射流局部换热特性的影响.研究结果表明,实验条件下,喷嘴组空气射流局部Na数呈对称分布,在附加驻点区换热与驻点区有所不同,被冲击表面中心处的换热处于最不利的位置.对喷嘴组中每一个射流而言,换热系数沿径向的变化与单个圆形射流的变化不同,靠近被冲击面中心的一侧换热系数下降较快.     

机舱通风口冲击射流湍流特征分析及验证

以机舱个性化通风口为背景,对自由射流加壁面冲击射流,采用几种湍流模型数值分析了10倍冲击高度、雷诺数为9,000的气流遇到冲击板后湍流脉动、流动转折等流动特征.探讨了湍流模型对冲击射流关键位置平均速度、脉动速度以及雷诺应力等流动参数特征的模拟能力,通过与实验测量结果的对比,确定了湍流模型在冲击射流中的适用性和局限性.综合来看,Relizable k-ε模型可以得到与实验值较好的符合度,但在近壁面区域会略有偏差.分析结果认为将RANS和LES组合将是开展实际机舱内通风口射流研究的最佳策略.     

用非线性κ—ε模型对狭缝冲击射流进行数值计算

采用Ｓｐｅｚｉａｌｅ的非线性κ－ε模型和标准的κ－ε的模型计算了狭缝冲击射流,给出了径向平均速度和脉动速度沿壁面法向的工同实验结果作了对比。结果表明,当其他条件都相同时,线性和非线性模型在冲击射流的计算中相差不大,今后的改进应当在近壁区域对紊流模型本身进行。     

圆形喷嘴内部结构对射流冲击换热性能的影响

研究了内部结构分别为柱状和锥状喷嘴的射流冲击换热性能.在初始条件和边界条件相同的情况下,利用计算流体力学软件Fluent对两种喷嘴的冲击换热过程进行了热流耦合模拟.对流固交界面的压力、剪切力、湍流强度、对流换热系数等流场和温度场数据进行对比分析.模拟结果表明,锥状结构喷嘴的射流冲击换热性能明显优于柱状结构的喷嘴.所得结论对热轧钢超快速冷却设备喷嘴的设计具有指导意义.     

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.     

房间内强自然对流的两方程模型模拟研究

强自然对流是火灾时的主要流态之一,利用标准火灾房间内的基准实验数据,比较了工程上常用的3种两方程k-ε模型在预测大功率热源引起的强自然对流时的效果,即Standard(标准)k-ε模型,RNG(重整化)k-ε模型和Realizable(可实现)k-ε模型.研究发现火灾房间内存在垂直方向的下低上高的温度分层,且加热量越大,垂直温度分层的梯度也越大.Standard k-ε模型计算得到的热源附件的湍流动能最大,湍流黏性也最大.总体而言,Realizable k-ε模型的模拟效果稍好于Standard k-ε和RNGk-ε模型.3种k-ε模型预测的温度场准确度比自然对流速度场要高.在房间的中央位置,水平方向的室外流入气流与浮升力气流相互作用导致流态复杂,两方程模型在模拟这一现象时效果不佳.     

大曲率结构化表面湍流流场特性对比研究

湍流模型选择对于小尺寸大曲率圆管内软性磨粒流湍流流场模拟计算具有重要影响.针对此问题,提出使用标准k-ε模型与考虑两相磨粒流平均流动中的旋转及旋流流动情况的重整化群(RNG)k-ε模型进行仿真对比研究的方法.基于颗粒动力学理论的欧拉模型,对软性磨粒流的控制方程进行求解.通过使用两种湍流模型,对小尺寸大曲率圆管内湍流流动进行仿真计算,得到了两湍流模型下软性磨粒流流场的速度、压力、湍动能等数值模拟结果.仿真结果对比分析表明:标准k-ε模型模拟得到的速度值与实验值存在一定误差,而RNG k-ε模型仿真的速度值误差相对较小;标准k-ε模型对湍动能的估值计算比RNG k-ε湍流模型高,难以计算有滞止点的流动过程;RNG k-ε湍流模型能更有效地模拟有大曲率带分离的湍流流动,从而证明该模型更适合小尺寸大曲率圆管内软性磨粒流湍流流动的研究.     

真空喷射射流流场的Fluent模拟分析

为了对真空射流流场进行研究,应用Fluent软件并基于VOF(volume of fluid)方法、k-ε标准湍模型及PISO算法,对不同喷口直径及入射压力的直射式锥型流道喷嘴的射流流场速度和湍流运动分布进行了数值模拟分析.结果表明:1)入口压力相同,喷嘴直径越大,射流与周围介质间的速度梯度越大,可促进射流的扩散和液滴破碎后的尺寸均匀分布;2)喷嘴直径一定,入口压力在10~15 MPa内,射流湍流强度分布达到最佳状态,射流流场较好;3)如果不考虑材料的溶解性,相对于三氯甲烷和四氯化碳,丙酮作为溶剂时的液体喷射雾化效果较好,适于制备质量较好的高分子薄膜.     

缩放型喷嘴产生的空化射流流场数值模拟

应用Standard k-ε,RNG k-ε和Standard k-ω湍流模型对缩放型喷嘴内部湍流流场进行数值模拟,结合理论及质量流量测试试验对数值模拟结果进行对比验证.结果表明:RNG k-ε湍流模型最适合用于数值模拟缩放型喷嘴内部的湍流流场;RNG k-ε湍流模型数值模拟结果显示缩放型喷嘴收缩角使喷嘴喉管部产生了低压场,压差的产生使水射流的空化效果得到了提高.     

高超声速流动中双尺度湍流模式的应用

论文研究了双尺度湍流模式,并对其在壁面附的近长度尺度进行了修正,选择四个基准流动－超声速和高超声速二维压缩拐角,锥柱裙组合体绕流和斜激波／平板湍流边界层干扰－进行了数据计算,数值计算和实验结果的比较表明修正双尺度湍流模式对流动分离,摩阻和热流的计算具有更好的效果。     

一种改进的开槽结构对叶栅性能影响的数值研究

基于利用小槽出口射流控制叶片吸力面分离气流的思想,为获得更好的叶栅流场特性,在两段式平行直线转折槽结构的基础上,提出一种改进的开槽结构,用CFD方法对2种结构开槽前后的叶栅流场进行数值模拟分析对比。为进一步研究改进结构的槽道出气角对叶栅性能的影响,另设计了多种出气角度。计算结果表明,改进的槽道能够更好地改善叶栅性能,获得更高的气流转折角和静压升,以及更低的总压损失。槽道出气角对叶栅性能也有较大的影响。     

湍流模型对结晶器内流场数值模拟结果的影响

以Fluent 6.3为计算平台,采用数值模拟的方法研究了5种常用湍流模型对电磁制动下连铸板坯结晶器内钢液流动计算结果的影响,并与水模型和实测结果进行了对比.结果表明:标准κ-ε和低雷诺数κ-ε模型的计算结果与实际流场较为接近,而重整化群κ-ε和剪切应力输运κ-ω模型与实际流场相差较远.不同湍流模型计算得到的弯月面形状...     

雷诺数和湍流度对叶片表面边界层转捩和换热特性的影响

为了深入了解涡轮叶片表面边界层转捩特性及其对换热系数的影响,在叶栅风洞中分别测量了进口雷诺数为5×10⁵、6×10⁵和7×10⁵时叶片表面压力分布,并将压力数据加载到边界层计算程序TEXSTAN中,计算了每个进口雷诺数在来流湍流度为3%、5%和7%时叶片表面换热系数分布。结果表明,进口雷诺数增大,压力面转捩点基本不变,吸力面转捩点前移3%~7%相对弧长,换热系数沿叶片型面减小的区域缩短。来流湍流度对压力面流动和换热的影响弱于吸力面,湍流度增大使压力面转捩点前移5%~10%,换热系数增加16%~34%,使吸力面转捩点前移17%~24%,换热系数增加19%~41%。