Gao-Yong湍流模型对边界层转捩的适用性研究

准确预测边界层转捩对深入理解湍流边界层发展和飞行器翼型优化工业应用等具有重要意义。为提升Gao-Yong(G-Y)湍流模型对平板边界层发展及转捩特性预测的准确性与适用性，该文提出了采用G-Y漂移位矢Reynolds数(Re_T)表征当地湍流脉动强度的方法，建立实度系数(Cs)与Re_T间的函数关系，解决G-Y湍流模型中Cs取值间断、分布离散的问题。基于开源OpenFOAM软件开发了改进G-Y湍流模型的求解器，对经典平板边界层和转捩实验开展计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟并验证。研究结果表明，相比k-ω等传统雷诺平均(Reynolds averaged Naviers-Stokes,RANS)模型，改进后的G-Y湍流模型不仅能准确模拟边界层流动特征，还能合理预测边界层发展过程及转捩位置，准确性较高。结果表明，经过改进的G-Y湍流模型可进一步用于对边界层转捩特性的研究。     

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.     

内燃机缸内近壁气流速度及温度分布特性的数值分析

为解决内燃机缸内近壁处的气体流动和传热问题，研究了内燃机缸内近壁处的气流温度和速度分布特性．以二维可压缩平面边界层流动方程为基础，根据准稳态能量定律的假设，以F因子作为修正系数，建立了曲面边界层的二维模型，并计算了温度和速度边界层在曲面上的分布．结果表明：热边界层和速度边界层的厚度数量级均为10^-3m；壁面温度高处热边界层厚，反之较薄；气流速度梯度较大处速度边界层薄，反之较厚．计算结果得到了激光实验测量结果的验证．     

内燃机缸内流体动力学(CFD)仿真系统的开发与应用

设计了一个内燃机缸内流体动力学仿真软件平台．依据流体动力学基本理论,结合内燃机缸内工程模型,利用FORTRAN语言双精度算法设计源程序;同时设计专门的可视化模块将计算结果导入AOTUCAD通用软件中自动显示,开发出了集网格划分、CFD计算和可视化于一体的内燃机缸内流体动力学仿真系统．系统测试表明：仿真平台能准确反映客观因素对缸内状态的影响规律。能为下一阶段的燃烧过程仿真提供数据支持,能预测内燃机排放,可以在内燃机行业推广应用．     

轴对称通道内超临界水对流换热数值模拟

为了研究高性能轻水堆堆芯冷却通道内超临界工质流动与换热特性,采用Fluent软件对竖直上升环形通道内超临界水与管壁间的换热过程进行数值模拟研究。通过计算结果与实验结果的对比,评估了不同网格数量、壁面第1层网格参考高度和湍流模型对数值模拟准确性的影响。对5个不同湍流模型进行对比计算。针对3种热流密度进行堆芯流动换热计算。模拟结果表明:随着网格数量的增加和壁面第1层网格参考高度的降低,预测准确度逐渐提高,但当壁面第1层网格参考高度小于0.07后,预测准确度与其无关;与其他湍流模型相比较,标准k-ω模型和剪切压力传输(SST)k-ω模型都能预测传热恶化现象,SST k-ω模型较标准k-ω模型计算结果更为准确;近壁面区域物性的剧烈变化是引起传热强化及传热恶化的主要原因。     

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。     

蒸汽冷却厚壁通道传热性能的耦合传热研究

基于厚壁带肋通道蒸汽冷却实验数据,发展了含有内热源项的耦合传热计算方法,研究了雷诺数、热流密度和湍流度对厚壁矩形带肋通道内蒸汽流动及传热特性的影响,同时对比了耦合传热方法和只计算流体域方法之间的差异,并在此基础上对努塞尔数与雷诺数、热流密度和湍流度之间进行数值拟合,得到了厚壁带肋通道的传热关联式。研究结果表明:含有内热源项的耦合传热计算模型可以准确地模拟厚壁带肋通道内蒸汽的流动与传热特性,只计算流体域模型对传热系数的预测较耦合传热模型低10%;热流密度对厚壁带肋通道蒸汽摩擦和传热特性的影响较小,高热流密度使得壁面传热效果变差;雷诺数从10 000~90 000变化时,平均传热系数和综合传热因子分别提高了76%和63%,而湍流度从3%~15%变化时,平均传热系数提高了大约24%,综合传热因子提高了19.8%。该研究可为未来重型燃机叶片冷却结构设计提供参考。     

超临界水在垂直上升圆管中传热的数值分析

利用FLUENT对超临界水在垂直上升圆管内的传热特性进行了CFD研究,计算结果与Yamagata试验结果进行了对比.采用5种不同湍流模型对同一工况进行计算,结果表明RNG k-ε湍流模型所得到的计算结果与试验结果更为接近.在RNG k-ε湍流模型中比较了不同的y+下的计算结果,结果表明当y+≤1时计算结果与试验结果符合较好,y+=0.1时二者相符最好,最大偏差约为13%.最后选用RNG k-ε湍流模型并取y+=0.1计算了不同的热流密度下的传热特性,结果表明在大比热区低热负荷时传热会得到强化,而随着热负荷的增加,传热强化的效果会被减弱直到出现传热恶化现象.     

湍流模型在折流板换热器壳侧结构优化中的应用

研究不同湍流模型在换热器流场和传热计算中的适用性,分别采用Spalart-Allmaras湍流模型、标准k-ε湍流模型和可实现k-ε湍流模型计算换热器在不同入口速度下的出口温度、换热系数等参数.将3种湍流模型的CFD计算结果与Bell-Delaware理论计算值进行对比可知,Spalart-Allmaras湍流模型的换热器性能数值计算存在明显缺陷,可实现k-ε湍流模型的换热器CFD较其他两种湍流模型的更为适用.将适用性较好的可实现k-ε湍流模型进行CFD数值模拟,模拟结果表明挡切率为25%时换热器性能最佳.     

内燃机缸内冷态湍流流动及传热的二维数值计算

阐述内燃机缸内冷态湍流流动和传热的一种二维数学模型，即用数值方法求解控制缸内气体流动和传热的一组偏微分方程组，得到缸内流场及温度场，进而求出壁面处温度的变化规律．计算是基于控制容积法，采用可在轴向伸缩变化的轴对称动坐标系．在压力较正方程和Ｋ－ε湍流模型中均考虑了流体的压缩性效应，旋流也作为因变量之一纳入了计算．对平顶及带凹坑的燃烧室的模拟计算结果与实验数据相吻合．