耗散修正湍流模型在有个性通风机舱气流模拟中的应用

针对机舱大空间与局部个性通风口之间的高比例尺度问题给舱内气流数值模拟带来的网格质量与数量挑战,通过引入适于个性通风口圆射流的数值耗散修正模型(MDR k-ε湍流模型),并采用合理的机舱网格尺度配比,实施了有温差单排机舱舱内气流流动特征的数值模拟.通过与实验对比,验证了模型的可靠性,进而数值探究了个性通风口射流作用对舱内气流和乘客舒适度的影响,为舱内颗粒污染物控制的进一步研究提供了基础.     

基于网格数值耗散修正的圆湍射流模型

基于民用机舱内个性通风口,以圆湍射流作为研究对象,以标准κ-ε湍流模型较精细数值模拟与实验对比结果为出发点,通过对粗网格下数值结果的分析,针对网格尺度增大导致计算中数值耗散相应增大、射流速度沿轴向和径向衰减过快问题,从湍流耗散率方程出发,对影响湍流耗散的生成项和耗散项进行修正,平衡因网格尺度产生流动衰减过快的因素,进而提出了耗散率修正的κ-ε湍流模型.采用该修正模型验证了不同雷诺数和非等温条件下射流的适用性.应用修正的湍流模型可以避免机舱内大尺度空间流动对网格的苛刻要求,明显减少网格总数,同时达到对舱内复杂结构和边界条件下流场特征的正确模拟.     

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.     

射流冲击冷却过程的数值研究

由于冲击射流流场较为复杂,为准确描述其流动和换热过程,需要选择合适的湍流模型和壁面函数.分别采用κ-ε模型(Standard,RNG和Realizable)、κ-ω模型(Standard和SST)和低雷诺数模型(AB,AKN,CHC,YS,LB,LS和YS)进行对比计算.对于壁面区域,考察了标准壁面函数、尺度化壁面函数、非平衡壁面函数和增强型壁面函数的影响.探讨了速度场和湍动能场的分布规律,获得了与实验一致的结果,为今后活塞底部喷油冷却的数值模拟提供基础.     

半封闭圆管冲击射流湍流换热数值模拟

采用标准κ-ε模型、RNGκ—ε模型结合壁面函数以及低雷诺数κ—ε模型，对半封闭圆管冲击射流流场的平均速度、湍动能分布和Nu数分布进行了数值计算，并将此3种模型的计算结果与文献中的测量结果进行了比较．结果表明：3种湍流模型都未能完全准确地预测冲击射流场的流动特性与传热特性，其中标准κ—ε模型和低雷诺数κ—ε模型的结果很差，而RNGκ—ε模型的结果与其它两种模型相比更接近实验值。     

沟槽壁湍流减阻机理的氢气泡流动显示及数字图像分析

应用氢气泡流动显示和数字图像处理技术,对微型沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.对开口循环水槽中沟槽壁面及光滑平板壁面湍流边界层近壁区高低速条带流动结构及其猝发现象进行了氢气泡流动显示,应用"帧间比较"定量分析方法,获得了水平平面内流向脉动速度、展向脉动速度的平面分布,并对沟槽壁面和平板壁面近壁面区域湍流相干结构的氢气泡流动显示图像进行了比较分析,根据流向脉动速度、展向脉动速度的平面分布分析了沟槽壁面及光滑平板壁面湍流边界层近壁区高低速条带结构的展向尺度特征,从壁湍流相干结构控制的角度研究了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.     

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。     

考虑转捩的SST模型在冲击射流传热中的应用

针对基于RANS方法的湍流模型对冲击射流传热中难以准确预测的问题,基于SST k-ω模型耦合Kato-Launder模型和间歇性湍流模型,提出了一种考虑转捩的SST湍流模型用于射流传热中的数值模拟研究。在冲击距离H/B=4、雷诺数Re=20 000的情况下,通过将传热和平均速度两个方面的数值计算结果与实验数据以及其他数值计算结果作对比,表明建立的数值模型方法准确地预测了努塞尔数的分布及其第二峰值的位置和流场结构。在此基础上研究了冲击距离分别为2、4、9,Re=20 000时沿壁面的压力分布和努塞尔数分布的情况,发现当H/B≤4时,下游压力沿着壁面逐渐增大,此时努塞尔数第二峰值的特征明显;当H/B=9时,下游压力几乎不变,同时努塞尔数第二峰值消失。结果表明,第二峰值与逆压梯度存在着一定的联系。     

基于CFD的单股冲击射流的数值模拟

运用PHOENICS计算软件,选取标准双方程模型及优选的紊流模型系数,采用有限体积法对轴对称紊流射流流场进行数值计算。计算结果表明,射流轴心速度是逐渐衰减的。选取平面紊动冲击射流问题为研究对象,通过对冲击射流内各区域流动特性的分析,给出了圆形冲击射流冲击区的范围,从喷嘴出口条件入手导出了壁面射流区中壁面切应力和径向速度的沿程分布关系式,该式反映了壁面射流场对初始条件的依赖。     

高温、高速冲击射流传热特性的影响因素分析

为了研究高温、高速燃气射流冲击导流板的传热特性,对高温、高速燃气射流冲击传热特性进行仿真和实验研究,确定了SST-SAS模型的准确性.在此基础上,研究了不同入口条件（湍流强度、口径、速度/温度比）,及板间距、倾斜角度、板体温度等因素对板面Nu数分布、高温冲击面积的影响,并对高温冲击区的平均Nu数进行了统计分析,结果表明:湍流强度、速度温度比、板间距和倾斜角度对板面Nu数分布以及高温冲击面积产生较大的影响,而入口口径和壁面温度对其影响不大;并且高温冲击面积的平均Nu数的变化与高温冲击面积的变化正好相反,且数值比低温、低速冲击射流的Nu数高1个数量级,取值范围为1 321～3 873.      

基于边界层风洞的下击暴流稳态风场特性数值模拟

针对下击暴流稳态风场模拟问题,基于计算流体动力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD),首先分别采用二维、三维冲击射流模型对下击暴流风场进行数值模拟,对下击暴流风场特性进行研究.在此基础上,根据下击暴流对桥梁结构作用主要受水平风速影响的特点,采用二维数值模拟方法对边界层风洞中设置倾斜平板模拟下击暴流水平风速风场进行了研究.最后,设计并加工了边界层风洞下击暴流水平风速模拟试验装置,在边界层风洞中进行了下击暴流水平风速风场模拟试验,并将数值模拟结果与试验结果和已有文献结果进行了比较.结果表明:下击暴流风场的二维冲击射流模型模拟结果与三维冲击射流模型模拟结果吻合较好,即二维冲击射流模型是一种有效的下击暴流风场简化模拟方法;在边界层风洞中设置倾斜平板所模拟的下击暴流水平风速风场数值模拟结果和风洞试验结果具有较好的一致性,并与冲击射流模型数值模拟结果和现场实测结果均吻合较好,即在边界层风洞中设置倾斜平板可模拟下击暴流水平风速稳态风场特性.     

空气射流场温度和速度的测量

冲击射流的应用范围很广，但对于轴对称的冲击射流，目前的试验研究工作却进行的很少．这里所描述的试验是用来测定从圆形孔排出的受热空气射流的特性参数．本试验测定了空气射流内的平均轴向速度和滞止温度，以及在一个和射流轴线相垂直的绝热板上的恢复温度，从而了解了空气射流的特性，并为进一步研究空气射流的特性参数对对流换热系数的影响做了充分的准备工作．     

尾水河道冲击射流数值模拟研究

对具有工程意义的挑射水流冲击射流导致的尾水河道三维紊流流场进行了数值模拟,计算中考虑了固体边界条件和自由水面条件对水流结构的影响,计算结果表明所采用的数值方法是可行的。结果是合理的。     

射流悬浮床气固两相流动的数值模拟

从多相流多流体模型、气相湍流k-ε模型与颗粒湍流k_p模型出发,对底部向上射流悬浮床内气固两相流动进行数值模拟,得到了不同入口气速下各截面的颗粒相速度场、颗粒相脉动速度场的分布,结果与实验定性一致。计算结果与实验值对比的结果表明,数值模拟对进一步的研究有指导意义。数值结果与实测值间存在的差异则有待于进行直接三维流动模拟、进一步考察更为合理的边界条件及应用更先进的模型来解决。     

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.     

湍流泰勒涡流特性的数值模拟

利用数值解截断误差所形成的小扰动在雷诺应力方程(RSM)的数值迭代过程中的发展,求解具有内筒旋转和固定端面的同轴圆筒环隙间的湍流泰勒涡流;然后在数值模拟出湍流泰勒涡流的基础上,定量分析湍流泰勒涡流的周向速度的波动性及其壁面附近的速度陡降特性、沿半径向外的强射流特性、轴向速度周期分布特性、压力周期波动特性、壁面切应力极化特性和强湍动射流特性;对比前人对湍流泰勒涡流进行实测的结果,数值模拟湍流泰勒的流动特性误差在30%以内。     

大型客机座舱合理排数的数值模拟

由于计算资源的限制,设计座舱的气流组织采用全舱数值模拟的方法不够科学,确定合理的座舱环境模拟排数是获得气流组织真实信息的基础.为此,用经过验证的计算流体力学（CFD）方法对单通道座舱合理排数进行了数值模拟研究,包括空舱及满员两种情况;研究的座舱排数分别为1排、3排、5排、7排及9排,模拟工况为热天巡航,数值模型采用RNG k-ε模型.研究发现,对于空舱情况,由于复杂几何及边界条件对舱内气流的影响,至少需要5排座舱才能得到较合理的计算结果,7排及7排以上的座舱排数能得到准确的计算结果;满员情况下,由于人体热羽流对舱内气流流动起主导作用,故3排及以上的座舱排数能得到准确的计算结果.基于已确定的合理座舱排数,对半满员及满员两种情况下舱内的气流组织进行了对比分析.与满员情况下舱内气流组织呈对称分布不同,半满员情况下,每一排的气流都偏向人员多的一侧.     

MD-82飞机客舱环境流场的HWA测量与分析

使用热线测速技术以高于湍流最小时间尺度的分辨率,精细测量了MD-82飞机客舱环境中的条缝型送风口射流流场和个性化送风口射流流场.对流场的平均速度剖面、湍流度分布、湍能谱进行了分析.平均速度的变化揭示了离开出口后流场速度的衰减规律.湍流度表明了湍流流场脉动剧烈程度和湍流扩散发展规律,是各种尺度的脉动分量叠加的结果.对流场的湍能谱分析展现了惯性子区的存在,能量从大尺度的含能区通过惯性子区传递给小尺度结构并最终耗散为热能.