高超音速湍流边界层气动热计算中湍流模式的改进

湍流的工程计算主要依靠湍流模式,而对于高超音速湍流边界层,气动热的准确计算迄今还没有很好的解决.文中以超音速及高超音速小钝头锥湍流边界层为对象,用直接数值模拟(DNS)方法和BL模式计算了同样的7个算例,比较了二者气动热计算的结果,发现产生差别的原因是在模式中对涡导热系数与涡黏系数严格成比例的假设是不合理的.在理论分析的基础上,提出了在湍动能峰值附近对涡导热系数加以修正的方法,在所算的7个算例中证实了修正的有效性.     

湍流边界层雷诺应力和壁脉动压强相位滞后分析

在风洞平板湍流边界层外层引入圆柱尾涡的周期性扰动,在尾流干扰下的湍流边界层内进行测量,对相位滞后关系进行了实验研究,给出了湍流边界层内的雷诺应力和壁面脉动压强相对于边界层内的大尺度结构变形率的相位滞后沿壁面法向的变化趋势,分析结果表明剪切湍流涡粘模式中的涡粘系数应该是随时均流梯度变化的复数形式.     

地表非均匀加热影响对流边界层湍流特征大涡模拟研究

本文运用大涡模拟方法研究了地表非均匀加热对边界层湍流特征的影响.共进行五个算例的数值模拟,其中一个算例为地表均匀加热,四个非均匀算例的地表加热方式均采用“马赛克”分布,非均匀尺度分别为1.2km、2.5km、5.0km和10.0 km,其平均地表热通量与地表均匀加热算例相同.模拟结果表明:地表非均匀加热激发出有组织湍流...     

平板边界层湍流的数值分析

对于不可压缩平板边界层的时间模式的直接数值模拟(DNS)而言,在转捩后继续计算,就可以得到湍流直接数值模拟结果.分析计算结果发现,当湍流充分发展后,其平均流剖面、各种量的脉动均方根值和雷诺应力等沿平板法向的分布都具有相似性.不过,从转捩完成至湍流充分发展之间有一过渡过程,其间上述相似性不成立.这一结果为简化但又较准确地计算工程技术问题中的湍流提供了一种可能性.此外,还分析了其他一些湍流特征,如形状因子和位移排移厚度随时间的演化规律.为了观察到相干结构,须将展向的计算域缩小一半,以增加分辨率,研究结果表明,湍流边界层近壁区存在相干结构,其主要表现是准流向涡或涡对.     

海-气交界面的湍流边界层

海洋与大气的相互作用是在海-气交界面的湍流边界层(大气边界层和海洋边界层)内进行的,因此探讨海-气交界面湍流边界层的物理机制是很重要的。本文采用一个简单的模式进行数值计算,讨论大气和海洋湍流边界层的切向应力和湍流系数的垂直结构,并将理论结果和实测资料作了比较。     

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。     

利用PIV技术对平板湍流边界层的实验研究

利用在线式ＰＩＶ系统,在低速风洞中对零压力梯度的光滑平板湍流边界层进行了实验研究。观察到了湍流边界层外层拟序结构的一些典型流动结构;横向大涡,海湍流边界层外缘的凸块和涡破碎等,并给出了这些结构所对应的瞬时涡量场和剪切应变变化率,同时还观察到湍流边界层外层的大尺度横向我表现为拱形结构。     

大涡模拟研究液态金属在环形管道内的湍流换热

使用大涡模拟方法,在雷诺数为Re=8 900和分子普朗特数Pr=0.01,0.026,0.2,0.4,0.71条件下对环形管道内的湍流对流换热过程进行数值模拟,计算分析湍流传热场中的平均温度、温度脉动、湍流热通量及湍流普朗特数Prt等物理量.通过与传统流体(Pr=0.4,0.71)的计算结果进行比较,研究了液态金属流体(Pr=0.01,0.026)的湍流对流换热特性.结果表明,液态金属流体湍流换热过程中分子热传导占主导地位,其湍流温度边界层内的线性区变长、对数律区变短甚至消失,温度脉动、湍流热通量变小.此外,相对于传统流体,液态金属的湍流普朗特数Prt比较大,且对Pr的变化很敏感.     

求解带旋转和曲率二维湍流边界层的简单迭代法

本文通过Coles速度分布公式中常系数的综合修正,将旋转与曲率的影响引入湍流结构,并与带旋转和曲率项的动量积分方程相联立,使用简单迭代的计算方法,求解了带旋转和曲率的二维不可压湍流边界层.     

湍流多尺度相干结构间歇性的PIV实验研究

利用粒子成像测速(PIV)系统测量了湍流边界层中流向速度平面,并对湍流多尺度相干结构统计特性进行了实验研究.利用连续子波变换,计算了不同尺度、不同法向位置的子波系数概率密度函数.结果发现缓冲区有着更强的间歇性.利用子波系数量化湍流间歇性的方法,应用推广的自相似律(ESS),计算了子波系数结构函数的标度指数.研究表明:当多尺度相干结构被提取出后,利用子波系数计算的ESS标度律就符合科尔莫戈罗夫提出的线性标度律,验证了多尺度相干结构是湍流边界层产生奇异标度律的原因.此外,利用PIV系统测量的数据,给出了流向平面内的以子波系数表达的能量分布.这种方法有利于进一步对多尺度相干结构在空间平面内的辨识与特性进行研究.     

可压缩k-ξ湍流模式理论研究

基于Boussinesq涡黏性假设,选取新的第二输运变量,推导出k-ξ湍流模式的可压缩形式。针对可压缩流动的特点以及分离流动的复杂性,在可压缩k-ξ湍流模式的基础上添加应力限制器,通过限制涡黏系数的方式来达到限制湍流剪切应力以及减小湍能增幅的效果。将添加剪切应力限制器的k-ξ可压缩湍流模式用于RAE2822翼型流场数值模拟,结果表明:压力系数及不同截面速度与实验值符合较好,且在分离与掺混的复杂流动区域,修正后的k-ξ湍流模式数值模拟结果优于k-ε模式及k-ω模式。     

不稳定近地面层湍流的大涡模拟

采用加密网格的大涡模式获取边界层风、温场的高分辨率模拟结果,并据以分析近地面层大气的湍流特性。结果表明,较小的网格尺度使次网格湍流贡献率大为降低,模式计算结果对次网格参数的依赖性减小,边界层整体特征得到更好的反映。同时,模拟出的近地面层通量 廓线关系及湍流速度特征与实际观测结果吻合甚好,表明模式具有反映近地面层平均运动和湍流特性的能力。     

基于连续可变压缩系数的内燃机缸内湍流数值计算

论述了内燃机缸内压缩形式随着燃烧室几何形状的不同而改变的观点,结合燃烧室主要几何尺寸参数采用数值计算方法对缸内压缩形式进行插值计算,改进已有k - ε湍流模型中体现压缩性的系数,从而修正了缸内k - ε湍流模型.进一步将修正后的模型应用于一内燃机缸内湍流数值计算中,得到的计算结果与标准k - ε模型计算结果以及实验结果进行了比较.结果表明:修正后的湍流k - ε模型模拟精确性有所提高,适用于计算内燃机缸内湍流运动.     

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．     

螺旋桨初生空化湍流的多相流数值模拟

摘要：
同时采用修正剪切应力输运(SST)湍流模型和Baseline雷诺应力模型（RSM）求取了E779A螺旋桨在无空化状态和初生空化状态下的梢涡运动轨迹,分析了涡核最小压力系数、湍动能、轴向速度分量和涡核半径沿运动轨迹的变化,并从模拟得到的梢涡卷曲起始和梢涡涡束的角度阐述了梢涡形成机理.空化模型采用改进Sauer模型,考虑了非凝结性气核质量分数、体积分数和气泡初始半径以及湍流脉动的影响,并针对轻度、中度和重度空化面积进行了可信性校验.当空化数σ>初生空化数σi时,叶梢截面压力系数分布相对不再改变的判定准则来确定.涡核中心位于螺旋线垂向截面上最小压力点,涡核边界由湍流涡频率峰值决定.数值模拟结果表明,RSM模拟梢涡路径较修正SST湍流模型稍长、局部梢涡空化范围略大、叶梢最小压力系数和轴向速度分量要小,涡核湍动能分布更为合理.但两者模拟得到的涡核运动轨迹几乎重合,并且初生空化状态下的涡核运动轨迹、最小压力系数和轴向速度分布均与各自无空化状态下非常接近,表明了初生空化状态判定的正确性和改进数值模型对梢涡运动轨迹模拟的适用性.     

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%。     

运用修正剪应力输运湍流模型模拟双自由度涡激振动

针对低质量比圆柱双自由度涡激振动振幅响应的数值模拟结果小于实验值的问题,基于OpenFOAM开源软件,对标准剪应力输运(SST)湍流模型以及数值模拟方法进行了修正,并通过圆柱绕流算例进行验证.运用扫频法,对约化速度为2~14,质量比m~*=2.6的圆柱双自由度涡激振动进行了数值模拟,并对结果进行了详细的分析与对比.结果表明,与标准SST模型的结果相比,采用修正SST模型的数值模拟结果与实验数据更为接近,运用扫频法能更好地体现涡激振动的非线性特性.文中提出的修正模型可以应用于海洋立管涡激振动的预报.     

基于层析PIV的湍流边界层涡结构统计研究

本文运用层析PIV技术测量了Re?=1768的平板湍流边界层,得到了250个瞬时三维三分量(3D3C)速度场.测量体位于边界层对数区,其大小为80 mm×16 mm×45 mm.旋涡强度ci?准则用来进行涡识别,以ci?在各个方向的投影作为该方向上的旋涡强度.本文通过线性随机估计、预乘功率谱等技术对湍流边界层中的涡结构进行了统计分析.结合高低流速区域,发现强剪切区域存在周期性分布的涡结构.最后用本征正交分解对流场进行尺度分离,发现大尺度结构对应的速度分布接近原始流场,而小尺度流场的涡量分布和频谱特性与原始涡量分布高度吻合.     

湍流边界层Lagrangian拟序结构的辨识

用时间连续二维PIV测量充分发展湍流边界层,对测量得到的（x,y）平面速度场应用有限时间Lyapunov指数方法辨识Lagrangian拟序结构,发现湍流边界层中的典型Lagrangian拟序结构（LCS）是广义马蹄涡结构,其一端延伸至近壁流区,另一端向外层伸展,在头部具有明显的展向旋转趋势．对从FTLE场中辨识出的LCS的空间形态进行统计分析,发现LCS的倾斜角θ的概率密度分布在近壁区符合t分布,而在外层呈现为双峰分布,其概率峰分别对应马蹄涡的头部和颈部．空间相关分析表明,LCS的平均倾斜角靠沿法向先增加后减小,其数值和变动趋势与瞬时LCS倾斜角θ的均值相同．θ的最可几值在y^＋=100附近达到最大值24°,说明马蹄涡由涡颈过渡到涡头的位置最有可能出现在y^＋=100附近．最后对FTLE场进行了时间一空间相关分析,发现LCS的平均对流速度沿法向的分布在对数区与当地边界层的时均速度型基本一致,说明在湍流边界层中马蹄涡的对流决定了边界层内的流体输运特性．     

湍流动能参数化在中尺度模式中的应用研究

在中尺度区域模式MM4的基础上对其中的湍流参数化方法作了改进,用湍流动能参数化方法代替原有的总体边界层方案中的局地K闭合,以高精度边界层方案作为控制方案,重点对1997-07-17的徐州暴雨进行了模拟。对湍流场的计算表明,这种闭合得到了合理的湍流场,代入模式计算稳定,预报的各物理量空间分布和原来的预报场相似,24h降水预报的位置没有改进,但是降水量有所提高,表明用湍流动能闭合方法代替局地K闭合是一种有希望的研究方向。该方法得到了比原模式中的湍流闭合方案更加合理的湍流扩散参数,对中尺度模式的改进有所帮助。