湍流大涡模拟的时空关联方法

本文介绍了湍流大涡模拟的时空关联方法,它用于检验和发展大涡模拟的亚格子尺度模型,其目的是提高大涡模拟方法对于欧拉和拉格朗日时空关联的预测准确度.现在广泛使用的湍流涡黏亚格子模型的理论基础是能量平衡方程,它们能够正确预测湍流的空间能量谱,但不能正确预测湍流的时间能量谱.本文针对大涡模拟的时间尺度问题,从时空耦合的观点出发,综述了作者近年来在时空关联方法方面的研究工作.理论分析和数值模拟结果表明,大涡模拟总是高估湍流的时间尺度,其物理机制是涡黏亚格子模型仅能耗散小尺度能量,但不能反映亚格子涡对大尺度涡的随机反馈作用.小尺度湍流会影响颗粒的聚集程度和相对扩散.建立亚格子湍流的拉格朗日时间尺度模型,为携带颗粒湍流大涡模拟中基于随机微分方程的颗粒相亚格子模型提供封闭参数,并用于颗粒湍流扩散的大涡模拟.     

盐水实验模型盐源入口湍流强化设计研究

针对盐水实验盐源入口存在初始动量的问题,设计了盐源入口的湍流强化装置。通过计算的方法,确定不同热源强度下的盐源入口尺寸;采用CFD模拟的方法,利用湍流强度和速度均匀性指标来确定湍流强化装置的设计构造,实现盐源注入口小动量和大湍流度的注入条件。实验结果表明,能有效地减小其初始动量问题,提高了盐水实验在模拟热源附近羽流发展的准确性。     

边界层流动中湍流斑形成机制的数值研究

边界层流动中层流向湍流的转捩是一个古老但仍没有解决的问题．虽然对转捩过程的探索已付出了艰苦的努力,但依然有一个重要的物理过程还没有弄清楚,即转捩过程中湍流斑形成的原因以及湍流斑的运动特征是什么,这些问题正有待于人们做进一步的研究．文中提出以壁面局部脉冲形式的小扰动来模拟边界层流动中湍流斑的初始扰动场,采用紧致有限差分的方法,数值模拟了边界层流动中湍流斑的生成和演化规律;结果显示,它们在好多方面反映出湍流斑的基本特征．     

边界层流动中湍流斑形成机制的数值研究

边界层流动中层流向湍流的转捩是一个古老但仍没有解决的问题.虽然对转捩过程的探索已付出了艰苦的努力,但依然有一个重要的物理过程还没有弄清楚,即转捩过程中湍流斑形成的原因以及湍流斑的运动特征是什么,这些问题正有待于人们做进一步的研究.文中提出以壁面局部脉冲形式的小扰动来模拟边界层流动中湍流斑的初始扰动场,采用紧致有限差分的方法,数值模拟了边界层流动中湍流斑的生成和演化规律;结果显示,它们在好多方面反映出湍流斑的基本特征.     

稳定分层湍流的大涡模拟

稳定分层湍流是大气和海洋流动中常见的自然现象, 是预测大气和海洋流动的重要物理机制. 我们用大涡模拟方法研究稳定分层流体湍流, 以期获得与实际大气和海洋中稳定分层湍流相符的性质. 我们在不同初始条件的流场和不同的流动特征参数（雷诺数Re和弗罗德数Fr）下用大涡模拟方法获得充分发展湍流场. 通过分析湍动能和湍流特征尺度随时间的演化考察稳定分层湍流演化过程; 并通过三维能谱、水平和垂直能谱来检验数值模拟是否和真实大气、海洋中实测结果一致. 研究结果表明, 大涡模拟可以用较少网格数获得和实测一致的稳定分层湍流性质. 不同的初始流场都能演化为湍流, 并且发现演化过程的后期总是内波能量占优势. 研究证实要获得和实测一致的稳定分层湍流的关键是特征参数必须满足一定条件： 特征雷诺数和弗罗德数不一定要和实际大气和海洋中的参数相等, 但是要求雷诺数足够大, 弗罗德数足够小（例如Re〉102, Fr〈0.1）; 特别重要的是组合参数ReFr2必须大于10.     

基于VOF模型的导弹低速入水数值模拟方法

基于商用软件Fluent框架,利用动网格技术和UDF方法实现了回转体低速0°攻角直入水过程的数值模拟。采用水、气2相VOF方法捕捉界面,分别采用湍流与层流建立了导弹入水冲击的数值模拟方法,并与实验获得的照片进行了对比分析。分析结果表明:层流模型下导弹入水冲击的数值模拟和试验结果吻合较好,湍流模型下的数值模拟结果误差较大,因此,在低速条件下,湍流模型不适用,应该用层流模型。     

湍流研究方法探究

通过对各种湍流研究方法的基本原理、使用特点的描述，展示了湍流研究手段新进展．提出了在实际工程中对湍流研究方法——实验测量方法和数值模拟的改进期望．对湍流实验研究中国际领先测量设备PIV的测量技术也进行了分析。     

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.     

四阶紧致格式有限体积法湍流大涡模拟

为准确预测不可压复杂湍流,提出了一种应用于大涡模拟的高精度有限体积法。该方法在非交错网格上数值求解大涡模拟方程,空间离散采用有限体四阶紧致格式,时间推进用四阶Runge-Kutta法,压力速度耦合应用四阶紧致格式的动量插值。通过直接求解顶盖驱动方腔流动和振荡平板上方的流动,证实了该方法具有近四阶精度;并在此基础上,采用动力Smagorinsky亚格子应力模式,成功地完成了充分发展槽道湍流的大涡模拟计算,所得结果与直接数值模拟结果吻合良好。结果表明,该方法是实现高精度湍流大涡数值模拟的一个有效途径。     

圆筒燃烧室旋流流场的研究

本文介绍圆筒燃烧室内双股同心旋转射流物理模型实验与数值模拟的研究结果。数值模拟按著者最近提出的湍流涡量输运方程,采用ψ-ω方法及K-ε湍流双方程模型,Rodi提出的壁函数,以及Spalding教授等提出的计算湍流回流的方法。本文工作表明,用涡量—流函数法及K—ε双方程模型计算强旋流及回流是可行的。     

格栅湍流场湍流特性的数值模拟

目的为验证数值模拟方法对于求解格栅湍流场的可行性,研究格栅下游流场湍流特性的变化规律.方法运用计算流体动力学(CFD)技术,采用大涡模拟(LES)方法,对两种格栅的三维数值模型进行计算.结果对于格栅湍流场的湍流特性,数值模拟结果同风洞试验结果吻合良好,所得规律一致.随着距格栅距离的增加,流场的湍流强度呈指数下降趋势,湍流积分尺度呈线性增加趋势,脉动风功率谱形状保持一致,但总能量呈减小趋势.结论数值风洞作为分析格栅湍流场的一种新手段,具有结果可靠、灵活性强、成本低等优点.     

雷诺应力模型对扩散燃烧中守恒标量数值模拟

对湍流扩散燃烧中的守恒标量用二阶的雷诺应力模型进行初步的数值模拟,鉴于目前对守恒标量的模拟都是建立在各向同性的湍流粘性系数模型的基础之上的,这与各向异性的湍流燃烧存在很大的矛盾,研究用二阶的雷诺应力模型进行模拟,模拟结果与美国Sandia国家实验室的实验结果对比表明,对混合分数的预报结果是令人满意的,结果表明二阶矩的雷诺应力模型能提高模拟精度。     

红外成像大气作用效果模拟

在大气传输理论的基础上研究了红外成像大气作用效果的模拟方法，指出大气效应主要是由湍流和气溶胶的作用引起的，继而分别给出了湍流和气溶胶调制传递函数模型及其参数的预测方法，两调制传递函数相乘即可得到总的大气调制传递函数，并通过计算机模拟验证了此方法的有效性和可行性。     

变形壁面湍流流场的谱方法

为了获得高精度变形壁面湍流流场,该文采用纳维-斯托克斯方程的时间分步法和贴体坐标的基本原理,推导出一种求解变形壁面湍流流场的谱方法.以行波壁及反向控制壁面为算例,对变形壁面控制的槽道湍流进行了数值模拟,建立了槽道湍流数据库.分析了控制前后流场中的速度和近壁涡结构的变化情况.结果表明,谱方法可用于模拟变形壁面的湍流流场,且具有较高的精度:采用行波壁面和反向控制壁可以抑制壁湍流,实现减阻.     

零方程湍流模型在列车车厢内气流数值模拟中的应用

采用k-ε湍流模型对列车车厢内气流进行数值模拟需要消耗大量的计算时间，为此，提出了采用零方程湍流模型对列车车厢内的气流组织进行数值模拟；分别采用零方程湍流模型与k-ε湍流模型对列车车厢内的空气流动及传热进行了数值计算，经分析比较可知，该两种湍流模型的数值计算结果吻合程度较好，采用零方程湍流模型可大大缩短计算时间，利用其简单、快捷的特点，可以为列车空调系统的工程设计提供简便的数值模拟方法。     

大跨度膜结构周围复杂风场的Monte Carlo模拟

针对膜结构周围复杂地形区域内的三维湍流,采用Monte Carlo模拟技术对非均匀流风场湍流进行建模,用FFT变换代替基于谐波叠加原理的经典模拟方程.湍流功率谱密度矩阵的分解采用本征正交分解获得,用平行算法执行整个模拟程序.最后,将该程序用于模拟一体育场膜结构挑篷周围三维风场.模拟谱与目标谱符合良好,证明了该建模方法和提高计算效率的三种方法的正确性和有效性.     

湍流边界层的空间模式DNS的入口条件

湍流边界层的空间模式直接数值模拟(SDNS)的入口边界条件, 应能反映上游湍流的特性, 这是一个难题. 建议将由时间模式直接数值模拟(TDNS)得到的充分发展湍流流场(只需要一个时刻的流场)以适当方式转换成SDNS的入口流场. 计算证实该方法可行且有效. 还发现在适当的时空转换关系下, 由时间模式和空间模式所得的充分发展湍流的各种统计量, 不仅在定性上, 而且在定量上均符合得很好. SDNS得到的充分发展湍流的平均流剖面、湍流Mach数、各种量的脉动均方根值和Reynolds应力等沿平板法向的分布也都具有相似性.     

激波反射对扰动界面湍流混合区影响的数值分析

发展三维可压缩多介质黏性流动和湍流流动的大涡数值模拟方法MVFT3D,对Poggi等人进行的重流体冲击加载轻流体激波管界面不稳定性实验进行数值模拟,通过Vreman SGS应力模型模拟小尺度运动对大尺度运动的影响,运用统计方法分析湍动能特征。计算结果显示,激波多次加载下扰动界面不稳定性及其诱发的湍流混合是一个非常复杂的发展演化过程,在反射激波第一次加载前湍流混合区宽度增长缓慢,湍动能按时间和空间的1.3次幂指数规律衰减,再加载后湍流混合区宽度非线性增长加快,湍动能强度迅速增强后再逐渐递减,而后期的流场则出现明显的气泡竞争现象。计算给出两次再加载的湍流混合区宽度与实验测试结果吻合,第一次再加载前湍动能随时间和空间1.3次幂指数衰减规律与Mohamed和Larue的研究结论一致。数值模拟再现了实验观察到的激波多次加载过程并描述了湍流混合区发展演化的基本物理特征,检验了数值方法和计算程序。     

扩展内禀旋转张量在非惯性系湍流模拟中的应用

非惯性系下湍流的计算,对湍流模型的应用一直是一项挑战性的工作．作者提出“扩展内禀平均旋转张量”的概念,并且指出将在惯性系下发展的雷诺应力模型应用于非惯性系下的湍流模拟,非线性湍流模型中的平均旋转张量应该用“扩展内禀平均旋转张量”替代,从而正确地反映非惯性系诱导的旋转效应．为了验证这一处理方法,采用4个非线性肛骥型,对充分发展的旋转槽道流进行了数值模拟．在较广泛的雷诺数和Rossby数范围进行的数值模拟表明,应用该技术途径,非线性肛端流模型CLS（Craft,Launder and Suga）模型和HM（Huang and Ma）模型可以相当好地捕捉旋转效应及其对湍流结构的影响,因此,可以令人满意地应用于工程湍流的计算．     

下击暴流下立方体建筑物表面风压数值模拟

为研究不同湍流模型和壁面处理方法的组合对立方体建筑物在下击暴流风场中的风压系数模拟结果的影响,基于冲击射流模型建立下击暴流计算域,通过物理试验结果对模拟结果进行验证与对比分析.采用两种不同的网格划分方案,满足ANSYS-Fluent中对于不同壁面处理方法的壁面Y+值的要求.研究结果表明:在选用增强壁面处理情况下,剪切应力运输(SST)k-ω湍流模型在迎风面和背风面与试验结果符合较好,但是屋盖的模拟结果与试验结果相差较大;当选用标准壁面函数时,雷诺应力模型(RSM)展现出了与试验结果较符合的建筑物中线风压系数曲线.当模拟立方体建筑物在下击暴流风场中的表面风压时,相比其他湍流模型和壁面处理方法的组合,RSM湍流模型和标准壁面函数可以得到更好的数值模拟结果.