大涡结构在有压梯度边界层流中的演化机理

采用直接数值模拟方法,研究大涡结构在不同压力梯度作用下的非线性演化特征.计算结果表明:在逆压梯度条件下,大涡结构幅值快速增长,形成很强的流向涡结构,雷诺应力迅速增加,这可能导致猝发现象的产生;与此相反,在顺压梯度边界层流中,大涡结构很难被激发起来,易于流体流动趋于稳定状态.这些结论与某些理论和试验结果一致.     

大涡模拟在水利中的研究进展

大涡模拟作为一种研究湍流流动的有效手段，在国际上已经得到了广泛的应用．本文在介绍了大涡模拟的发展历程及其理论方法的基础上，就国内外大涡模拟在水利中的最新研究成果作了较为详细的阐述和系统的分析，指出了其中应该注意的问题和今后的发展方向。     

大涡模拟与大气边界层研究--30年回顾与展望

对大涡模拟(LES)技术应用于大气边界层(PBL)研究30年来的发展历程、应用前景及发展趋势作了简要评述,内容包括:LES网格体积平均方程组,次网格闭合方案(K闭合、湍能(TKE)闭合、二阶闭合、动力学闭合、随机闭合、各向异性TKE闭合和非线性闭合);均匀、非均匀下垫面对流边界层(CBL)的大涡模拟,稳定边界层(SBL)、实际PBL的大涡模拟,森林下垫面流场和建筑物周围流场的大涡模拟,污染扩散的大涡模拟,LES-化学模式,对流层大涡模拟,大涡模拟对模拟域、网格及大涡时间尺度的敏感性,适用于LES和中尺度模拟的湍流方案研究等.提出了LES需要进一步研究的问题,如次网格(SGS)闭合方案,物理过程参数化方案,高分辨卫星和Doppler雷达资料的使用,与中尺度模式的连接与嵌套等;以及可能的应用领域,如大气湍流发展及湍涡相互作用,复杂地形流场及城市边界层模拟,污染扩散模拟,LES-大气化学模拟,中尺度气象模拟,数值天气预报及大气环流模式中高分辨边界层方案(大涡机制)的引入.希望能为大气边界层研究与应用中发挥LES模拟效能的成功实施起到一定的推动作用.     

边界层人工转捩的大涡模拟及壁面脉动压力研究

为了验证边界层人工转捩技术实现船模边界层壁面脉动压力载荷相似的可行性,采用大涡模拟以及功率谱估计获得平板湍流边界层壁面脉动压力功率谱,并与试验值、半经验模型值进行了对比,验证了数值模拟的可靠性。采用大涡模拟获得了绊线上下游壁面脉动压力的均方值、自功率谱和波数频率谱;以脉动压力均方值、自功率谱特征为判据,对比了方形、锯齿形绊线的转捩效果。结果表明:绊线高度雷诺数大于吉宾斯雷诺数;两种绊线均可实现边界层转捩,且壁面脉动压力的功率谱特征、谱级相近;与同流速平板湍流边界层相比,即使在当地雷诺数较低时,绊线下游边界层壁面脉动压力自功率谱平台区仍然高出10 dB左右。设计的绊线可用于减弱船模边界层壁面脉动压力的尺度效应,并有助于实现壁面脉动压力载荷相似。     

热带气旋边界层的全息希尔伯特谱分析

在一个理想热带气旋(Tropical Cyclone,TC)的大涡模拟试验基础上,利用全息希尔伯特谱分析方法计算了热带气旋边界层(TC Boundary Layer,TCBL)中眼墙(内核区)和外核区不同高度的切向和径向风速、垂直上升运动以及假相当位温的能谱,讨论了TCBL中湍流、小尺度涡旋与热带气旋较大尺度过程之间可能存在的调制关系.结果表明,热带气旋强度变化、涡旋罗斯贝波和涡丝化等较大尺度过程是调制TCBL中小尺度扰动的重要因子.此外,在TC不同位置和不同高度的切向风速能谱都具有较强的一致性,涡旋罗斯贝波的传播对径向风速的影响要大于对切向风速的影响.对于垂直上升运动的能谱,TC强度变化的调制信号相对贡献减小,而低频调制波的作用更加明显.假相当位温能谱存在周期大约为10 h的调制波和周期约为1～4 h的载波信号,这表示涡旋罗斯贝波的径向能量外传可能是导致TC边界层恢复的原因之一.     

大涡模拟方法在非均匀边界层研究中的应用

首先回顾了大涡模拟方法在边界层研究中的应用 ,总结了该方法在非均匀性研究中的概况。然后 ,用大涡模拟方法 ,并且启用陆面模块 ,模拟了真实下垫面条件下地表热量通量和动量通量的分布和边界层气象场 ,初步分析了非均匀下垫面对边界层结构的影响     

从不稳定到近中性大气边界层的大涡模拟

用大涡模拟方法对不稳定到近中性层结的大气边界层情况进行模拟。模拟条件为：地面运动学热通量0.0001～0.2 K·m·s^-1、地转驱动风速0～15 m·s^-1,对应的无因次稳定度参数 - z/L 为0.0062～368。模拟结果显示,大气边界层直到 - z/L＝0.668的近中性情况,其热通量和动量通量等仍保留着典型对流边界层的基本特征,可由模式较好地求解,且在近地面与观测结果相符较好。对更接近中性的情况,模式分辨率限制了对边界层湍流特性的求解。在大风、弱不稳定边界层条件下模拟发现有滚动涡现象出现,其稳定度范围大致对应- z/L 的取值0.668～24.6。     

平坦非均匀地面对流边界层的准定常态

用大涡模拟方法研究对流边界层大气对非均匀地面条件的适应性。研究限于无风、平坦地形条件,地面热通量在一个水平方向作非均匀变化;平均地面热通量为0.15K·ms^-1、非均匀性变化幅度为0.05K·ms^-1;地面非均匀性的尺度在20km之内。模拟结果表明,在充分长的时间后,边界层达到一种适合于地面条件的准定常态。这种准定常态和向其过渡的过程中,水平平均的边界层廓线性质,如平均位温廓线、垂直热通量廓线等几乎与平坦均匀地面的结果相同,或差异极小。地面非均匀性的主要作用是使边界层动能增大,并以地面非均匀性变化方向的动能增加为主。边界层动能以一种振荡衰减的形式向其准定常态过渡。可以引入边界层平均动能达到其第1个峰值所需的时间t_c和准定常态无因次动能E_eq为这一过渡过程的2个特征量。此2个特征量与地面非均匀性尺度的定性关系是,非均匀性尺度越大,过渡时间t_c越长,达到的准定常态无因次动能E_eq也越大。     

动力降尺度方法在辐射雾大涡模拟中的应用

针对大涡模拟(LES)计算精确但耗费大量计算机资源的特点,采用动力降尺度的方法,把传统的边界层(PBL)方案与LES模拟相结合,利用WRFV3.7模式四重到五重嵌套网格,以华北地区一次辐射雾为例进行模拟,试图保留LES计算精确的特点,并减少计算机时。结果表明,动力降尺度方法能够准确地预报雾的发生,与同样水平分辨率的LES模拟相比,四层嵌套网格节省47.02%计算机时,五层嵌套网格节省67.67%计算机时,可以为未来高分辨率业务预报系统的LES模拟实现提供一种可能性。     

平板层流边界层定常流动存在相似性解区域的分析

对于无限薄半有限长度的平板层流,布拉修斯(H.Blasius)等学者得到了全尺寸范围内的相似性解,并与尼古拉兹(J.Nikuradse)的试验数据十分相符.但对有限厚度平板,由于边界条件的变化和数学上的困难而未得到其相似性解.本文利用PHOENICS软件和MATLAB软件对无限薄平板和有限厚度平板的层流边界层定常流动过程进行了数值模拟计算,分析了边界层中速度分布存在相似性解的区域.计算和分析表明,对无限薄平板,数值模拟解与布拉修斯解完全吻合,而对有限厚度平板,仅在一定范围内存在相似性解.说明了利用PHOENICS软件对此类流动进行数值模拟计算的适用性和准确性.同时,也显示出采用计算流体力学软件解决流动问题的优越性.     

列车绕流的瞬态与稳态数值模拟对比

采用大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)和基于雷诺平均(Reynolds Average Navier-Stocks,RANS)的SST(Shear Stress Transport)k-ω湍流模型,分别对高速列车单车明线运行进行瞬态和稳态的仿真计算,通过与实车测试数据比较对数值模拟进行了验证.对比分析LES和RANS的计算结果发现:对于车头表面测压点,LES和RANS都能给出高精度的计算结果,且LES的瞬态计算结果表明,表面压力最大值在一个很宽的范围内波动;对于列车绕流结构,LES较RANS表现出更强的小尺度涡的捕捉能力,尤其表现在复杂的尾流区;通过气动力系数的傅里叶变换分析了波动的频域特性.LES在较复杂列车模型外流场模拟中的高计算精度,及其广泛的结果信息可以为列车的系统耦合设计提供可靠的数据参考.     

对流边界层中高架烟流扩散的大涡模拟研究

论文用大涡模拟技术对对流边界层中高架烟流的扩散进行了模拟,在对流边支中对高斯扩散模式的使用进行了修正,由Willis等（1978）的对流槽扩散实验数据求出虚拟源高,代替高斯烟流扩散公式中的源高,由此求得的横风向积分浓度分布与实验结果和数值模拟结果吻合较好,并用KNRC试验No52的资料作了验证,结果表明：修正后的高斯扩散模式的模拟效能良好。     

地表热通量的变化对边界层热力对流卷的影响

以1995年8月14日在Florida观测(SCMS实验期间)的位温、水汽和风速等为初始化的大涡模拟结果,分析研究了边界层对流卷的发展及地表热通量对边界层热力对流卷的影响。分析了热力对流卷的位温、垂直速度及水汽混合比的关系。结果表明在边界层对流卷中,上升气流较暖湿,下沉气流较干冷。还研究了边界层对流卷的演变,结果表明当地表热通量增大时,对流会变得非常活跃,对流层发展的高度也会加深。而当地表热通量增大致超过对流卷维持的临界值时,已经无法观察出对流卷的线性特点。利用地表热通量对对流卷形成和消散的敏感性实验模拟结果,分析得出地表热通量改变时,对流卷的组织性和对流的强度发生的相应变化。减小地表热通量时,对流的强度明显减弱。对流卷的组织性较显著。增加地表热通量时,对流的强度增大,对流会变得很不规则,但当地表热通量太大时,已经看不到有组织的对流卷。研究结果表明对流卷的维持需要一定的地表热通量。     

压力梯度作用下相干结构的演化

采用共振三波的一个周期作为湍流边界层近壁区相干结构的初值，用直接数值模拟方法对有压力梯度，包括定常压力梯度和变压力梯度作用下相干结构的演化进行了研究，得出其各种特性的变化与实验观测到的结果一致。压力梯度对相干结构初始扰动波的选择以及演化过程都起作用，相比之下对前者的作用更大。条纹结构和流向涡之间有某种内在的紧密的联系，可能是产生流向涡的起因。     

振荡流底边界层运动的数值研究

将大涡模拟法简化为二维形式,利用SGS格子涡模型封闭二维Navier-Stokes方程水流运动方程组,得到平底振荡流动边界层立面二维水流数值模拟,控制方程采用SMAC法求解,计算结果与水槽实验的实测资料比较较表明,该模型能够模拟振荡流边界流动特性,并进一步讨论了振荡流边界的紊动特性沿垂线分布和随相位变化的情况。     

非均匀地表的湍流通量和掺混高度

叙述了掺混高度的概念及运用。利用大涡模拟作为手段,研究了地表平坦但地表热通量非均匀情况下的掺混高度。考察了地表热通量非均匀性尺度、风速以及非均匀性强度对掺混高度的影响,发现掺混高度是否存在以及高度受非均匀尺度和风速大小的影响非常明显,受非均匀性强度的影响不明显。若规定掺混高度出现在垂直湍流热通量水平涨落的标准差减为地表感热通量标准差5％的高度,这时掺混高度可以拟合为：Z_b = 1/C_wm * w'θ'_sfc/Θ₀ * L^a_hetero/U^b,其中a=1.266,b=0.854,C_wm=3.205×10^-3。     

并排方柱绕流的大涡数值模拟及显示

采用大涡模拟的方法对雷诺数为7.5×105并排双方柱绕流流场进行了数值模拟,并对所采用的模拟方法进行了实验验证.利用有限体积法和SIMPLE算法计算程式,对双方柱三维物理模型求解不可压缩的N-S方程.计算得到了方柱绕流的速度场和涡量场以及不同时刻的速度分量分布情况.对方柱后速度场、涡旋形成、脱落以及波动性等问题进行了分析,结果符合物理学规律.     

正弦脉动激励对气膜冷却特性的影响

为了探究正弦脉动激励对气膜冷却特性的影响,采用大涡模拟方法,针对具有正弦脉动特征的气膜冷却射流与平板主流的相干机制展开研究,在平均吹风比为0.5和1.5的条件下重点研究脉动频率和幅值对气膜冷却流动传热的影响。研究结果表明：在高吹风比工况下,冷气脉动有助于提高气膜冷却性能,而在低吹风比工况下,作用效果完全相反;增大脉动幅值强化了肾形涡对的卷吸作用,而脉动频率变化的影响则不明显;在正弦脉动下,没有出现方波脉动那样大尺度的起动涡结构;与连续性射流相比,脉动射流可以显著提升气膜孔下游的湍流动能,但随着流向距离增加,脉动射流的影响变弱;功率谱密度分析结果表明,冷气脉动对小尺度涡旋能量的影响较明显。