湍流大小尺度涡量方程组及其封闭

利用流体大小尺度 (LSS)方程组推导出湍流大小尺度涡量 (LSSV)方程组 ,给出两个关于湍流大小尺度涡量的命题 ,从而得到湍流封闭大小尺度涡量 (CLSSV)方程组。同时 ,对近程相互作用命题进行了推广。     

用颗粒相双尺度二阶矩湍流模型模拟突扩两相流动

基于将颗粒脉动分成湍流引起的大尺度脉动和颗粒间碰撞产生的小尺度脉动的概念，应用单相流动多尺度湍流模型方法，从双流体模型出发，推导和封闭了颗粒的双尺度脉动雷诺应力方程、大尺度脉动能量传递率方程、小尺度脉动耗散率方程和两相脉动关联方程，用统一的湍流模型方法构造了包含颗粒两类脉动的新的颗粒双尺度二阶矩两相湍流模型．用该模型对突扩管内的两相流动进行了数值模拟，并和单尺度的二阶矩两相湍流模型进行了比较，计算结果和实验数据吻合较好，比单尺度的二阶矩两相湍流模型的计算结果有所改进．     

旋转效应对近壁湍流特性和流场结构的影响

采用大涡模拟方法, 结合非线性动力学亚格子尺度应力模型, 数值计算了轴向旋转圆管湍流问题, 研究了旋转效应对近壁湍流特性和流场结构的影响. 文中基于脉动速度的联合概率密度函数和脉动螺旋度的概率密度函数的变化特性, 发现旋转效应显著地改变了近壁湍流的脉动螺旋度, 有助于流动在周向的进一步失稳, 从而使得周向湍流强度增强. 从大涡Reynolds应力输运方程的分析表明, 旋转效应增强了湍动能的再分配作用, 促进了周向湍流脉动的生成, 改变了近壁区湍流拟序结构, 揭示的物理现象为构造合理的湍流模型提供了必要的信息和物理基础.     

一种改进的旋转湍流亚格子尺度模型及其应用

基于数学物理分析, 发展了一种新型的满足旋转湍流建模规则(即模型的渐近物性坐标不变性条件)的动力学亚格子尺度应力模型, 并针对展向旋转槽道湍流问题, 计算验证了该模型的正确性. 文中采用大涡模拟方法和该动力学亚格子尺度模型, 进一步研究了展向旋转槽道湍流的统计量和大涡Reynolds应力输运方程主要项的变化特性, 分析了旋转槽道近壁区的湍流拟序结构.     

森林冠层上湍流尺度、耗散率和湍流结构参数

利用新型三维超声风速／温度仪，在中国东北长白山原始森林冠层以上观测的湍流资料，计算并分析了森林冠层上的湍涡特征长度尺度、湍流动量和热量耗散率、湍流动量和热量结构参数的特征。结果表明：湍流动量湍涡特征长度尺度与稳定度参数Z／L成正相关；湍流热量特征长度尺度与稳定度参数Z／L在不稳定层结时，成正相关，在稳定层结时近似成负相关；在不稳定和稳定层结大气中，利用湍流谱方法和利用风速垂直分量方差、温度脉动方差和Richardson数计算湍流动量、热量耗散率和湍流动量、热量结构参数有较好的一致性；无量纲湍流结构参数Cv^2z^2/3σω^-2和CT^2z^2/3σT^-2是Richardson数的函数；湍流热力结构参数CT^2与感热通量——↑ω′T′具有较好的线性关系。     

基于格子Boltzmann方程的大涡模拟对湍流时空关联性的研究

将格子Boltzmann方程和大涡模拟(LBE-LES)相结合,提出适应于格子Boltzmann方法(LBM)的涡黏性亚格子尺度模型,开展均匀各向同性湍流时空关联性的研究.采用D3Q19格式计算湍流的三维能谱、湍动能耗散率和其它高阶统计量,与实验和直接数值模拟结果的比较表明,该模型比传统涡黏模型有明显改进.考察了不同亚格子模型预测湍流频率波数能量谱的能力,结果表明,尺度涡产生的横扫作用是造成小尺度涡时间去关联的主要因素,不同波数的频率能量谱之间有一定的相似性,横扫速度是描述湍流频率波数能量谱的特征量.     

关于湍流多尺度统计理论方法的论证

用黑河化音测站的实测风、温脉动资料对一种湍流多尺度统计理论方法进行了分析验证,并应用此方法通过对相关系数、湍流时间尺度、湍谱和扩散参数等湍流特征量的研究,分析了黑河戈壁地区的湍流微结构和扩散特征.结果表明:多尺度分析方法正适合研究具有多尺度特征的大气湍流现象,可以比传统方法提供更多的有关湍流属性的信息,能够更直观地表现出不同尺度湍涡对扩散作用的大小,是发展湍流统计理论的一种有效工具     

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．     

混合LES-RANS模型在结晶器钢液流场模拟中的应用

采用了一种新的混合LES-RANS(大涡模拟-雷诺平均模型)湍流模型模拟结晶器中钢液的流场.模型通过修正湍流黏度系数对水口和结晶器内湍流进行过滤,对大尺度的湍流直接采用Navier-Stokes方程求解计算,对小尺度的脉动采用标准k-ε模型进行计算.该模型能避免RANS的过分耗散并且能捕捉到更多的瞬态湍流信息.模型通过对连铸结晶器内液态金属GaInSn模型速度进行测量验证,速度测量方法为超声波多普勒测速仪(UDV)测速法.新模型与实验测量值吻合程度明显好于RANS模拟的结果,能更准确地预测结晶器和水口内的湍流行为.结晶器内瞬态流动特征表明,水口两侧流体呈周期性的偏流,周期约为5s.     

三维水翼初始梢涡空泡数的尺度效应

针对梢涡流场和初始梢涡空泡数的尺度效应问题,利用大涡模拟(LES)湍流模型对三维水翼的梢涡流场流速进行模拟计算;为减少误差,对梢涡流域网格进行了局部加密处理,对未发生空化时梢涡内的轴向速度和切向速度进行计算.结果表明,LES湍流模型的流场流速计算结果与实验值吻合较好.同时,介绍了经典初始梢涡空泡数尺度效应公式的推导过程,并利用数值计算的速度环量和涡核半径修正尺度效应公式.     

浮升力在竖直通道湍流中的作用

采用直接数值模拟方法研究了在不同湍流引发机制作用下竖直槽道湍流中统计量的变化以及湍流结构的变化,分别给出了强迫对流、混合对流和自然对流湍流时平均速度、平均温度、湍流脉动强度、雷诺切应力的统计结果以及湍流结构.结果表明:与强迫对流时相比,混合对流时浮升力作用使高温侧的平均速度升高,速度脉动强度降低,而低温侧的平均速度降低,速度脉动强度升高;浮升力使温度脉动强度在壁面附近区域显著增强,而在通道中心区域变弱.与强迫对流和混合对流的情况相比,自然对流的平均速度分布关于通道中心线反对称,通道中间区域的速度脉动强度最大,温度脉动强度则最小;雷诺应力最大值出现在通道中心区域,而负的雷诺应力产生在壁面附近.     

高精度中心-WENO混合格式在可压缩各向同性湍流大涡模拟中的应用

为提高可压缩湍流大涡模拟的格式精度和分辨率,通过引入当地压力脉动的感应因子和格式加权函数的取值界限,发展了一种数值耗散自适应可控的近似6阶中心-WENO(加权本质无振荡)混合格式,采用傅里叶法对离散格式数学特性进行了理论分析,并对一维激波/密度脉动干涉问题和三维可压缩各向同性湍流大涡模拟问题进行了计算。结果表明:近似6阶中心-WENO混合格式相比于5阶-WENO格式具有更小的耗散误差,且对激波和物理脉动均具有较高的分辨率;基于所发展的中心-WENO混合格式的大涡模拟计算结果与已有的直接数值模拟结果符合较好,且能够成功捕捉-5/3幂律能谱特性曲线;该格式标定了适合于可压缩流动大涡模拟的格式加权函数界限数值,为流体机械内部可压缩湍流的高精度大涡模拟研究奠定了算法基础。     

森林冠层上湍流尺度、耗散率和湍流结构参数

利用新型三维超声风速/温度仪,在中国东北长白山原始森林冠层以上观测的湍流资料,计算并分析了森林冠层上的湍涡特征长度尺度、湍流动量和热量耗散率、湍流动量和热量结构参数的特征.结果表明:湍流动量湍涡特征长度尺度与稳定度参数Z/L成正相关;湍流热量特征长度尺度与稳定度参数Z/L在不稳定层结时,成正相关,在稳定层结时近似成负相关;在不稳定和稳定层结大气中,利用湍流谱方法和利用风速垂直分量方差、温度脉动方差和Richardson数计算的湍流动量、热量耗散率和湍流动量、热量结构参数有较好的一致性;无量纲湍流结构参数C2vz2/3σ- 2w和C2Tz2/3σ-2T是Richardson数的函数;湍流热力结构参数 C2T与感热通量 w′T′具有较好的线性关系.     

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.     

气固流动大涡模拟和两相湍流模型的评价

用基于气体Smagorinsky亚网格应力模型和颗粒动力论模型的双流体大涡模拟(LES)以及统一二阶矩两相湍流模型(USM-RANS),对轴对称突扩气固流动进行了数值模拟。结果表明:LES模拟的颗粒轴向平均速度和均方根脉动速度,以及USM-RANS计算得到的模拟结果都与实验结果吻合较好。LES得到的颗粒-气体轴向脉动速度关联值比USM-RANS模拟值更接近实验值,这表明USM-RANS模拟还有改进余地,并基本上得到了LES的验证。LES的瞬态模拟能显示气固湍流流动的各向异性两相湍流结构和颗粒弥散的发展过程,而USM-RANS无法实现。     

基于DANS方程的粗糙床面明渠水力特性研究

基于双向平均NS方程(DANS方程)建立粗糙床面明渠水流数学模型,应用修正的S-A湍流模型对其紊流过程进行模拟,采用涡黏系数法计算明渠湍流在粗糙床面上存在障碍物时的形状应力,结果表明:形状应力在障碍物层以内不可忽略,而在障碍物上部,会迅速减小直至可忽略不计;速度值会随形状应力的增大而减小;障碍物顶部附近的雷诺应力也会因为形状应力的存在而有明显的减小。此外,针对障碍物孔隙率的研究表明:障碍物孔隙率的分布对速度、雷诺应力及形状应力等存在一定的影响,并且当孔隙率的分布越光滑时,其影响越小。     

显式滤波大涡模拟算法

在传统大涡模拟算法的基础上引入显式滤波技术，有效地控制了截断误差．对对流项和湍流应力项进行二次显式滤波，并对湍流应力的分解形式作了相应改进．以三维平板通道为计算模型编写了二阶精度计算程序，对传统、显式滤波大涡模拟2种算法的计算结果进行了对比，并就亚滤波模型的重建程度对计算精度的影响进行了探讨．计算结果表明：2种算法对流线方向平均速度分布模拟差异不大，但显式滤波大涡模拟算法可明显改进脉动速度分布；随着对亚滤波模型重建程度的提高，平均速度和脉动速度分布均有明显改进．     

不同半径比Taylor-Couette湍流的直接数值模拟研究

采用谱方法求解柱坐标系下三维不可压缩流Navier-Stokes方程,直接数值模拟了不同半径比下的同心旋转圆筒间的Taylor-Couette(TC)湍流问题.由于TC湍流是由大尺度Taylor涡和湍流随机脉动的叠加而成,采用周向平均成功识别了TC湍流中的大尺度Taylor涡,并将其诱导的脉动流动与湍流随机脉动分离开来,对比分析了不同半径比下大尺度Taylor涡对脉动强度和湍动能的贡献;同时,通过计算雷诺应力输运方程,研究了半径比对湍动能生成、耗散和再分配等动力学特性的影响.计算结果表明,在小半径比的宽槽TC湍流中,Taylor涡诱导的脉动流相对较弱,湍流随机脉动更为强烈,其对湍流统计特性的影响占优;在大半径比的窄槽TC湍流中,流体脉动特性主要源于Taylor涡的贡献;另外,随着半径比的增大,近外壁面附近流体沿周向剪切作用增强,流场表现出类似于平板Couette流的流动特性.     

吹吸扰动对湍流边界层多尺度相干结构的影响

用IFA-300热线风速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率，精细测量了风洞中施加局部周期性吹吸扰动平板湍流边界层近壁区域不同法向和流向位置的瞬时速度的时间序列信号．对平板湍流的扰动是通过平板上沿展向分布的一条窄缝引入的正弦振荡产生的．用子波分析对壁湍流脉动速度信号进行多尺度分解，用子波系数的瞬时强度因子和平坦因子检测壁湍流多尺度相干结构，并提取不同尺度相干结构的条件相位平均波形，研究不同频率的吹吸扰动对平板湍流边界层多尺度相干结构的影响，结果表明，扰动对边界层近壁区域平均速度分布、能量随尺度分布以及多尺度相干结构及其条件相位平均波形，都有显著影响，其中32Hz扰动影响最大．     

分离涡模拟k-ε湍流模式及在火灾模拟中的应用

为了构造一种使用较少网格并能获得流动主要特性的湍流计算方法,根据分离涡模拟(detached-eddy simulation,DES)方法的一般性定义,发展了一种基于k-ε两方程湍流模式的DES方法.用该方法代替FDS软件中的亚格子应力模式构造的DES求解器被用来对湍流强迫对流问题和单室火灾问题进行数值模拟.计算结果与大涡模拟的结果和实验数据进行对比.强迫对流问题的计算结果与实验数据吻合得非常好,用较少的网格取得了比使用较多网格的大涡模拟方法更好的结果.用该方法预测的单室火灾问题的速度分布与实验结果非常接近,但是预测的温度分布则较差.这可能是由于该数值方法缺乏较好的湍流燃烧模型所致.