湍流边界层近壁区相干结构的动力学模型

应用湍流边界层近壁区单个相干结构的理论模型, 通过数值模拟的方法研究了两个相干结构的相互影响, 解释了出现低速条纹的原因.     

基于柴油机微粒沉降的脉动湍流管流内近壁流场特性

根据湍流管流中柴油机微粒热泳沉降和湍流脉动沉降研究的需要,对脉动排气时排气管内近壁流场的分布特征、影响因素以及变化规律等进行了研究;分析了脉动排气时气流速度的脉动振幅和脉动频率对管内近壁处温度场和湍动能场的影响.研究结果表明,与稳态排气流动相比,脉动排气时近壁流场的分布和变化特征有很大不同,从而会对微粒的热泳沉降和湍流脉动沉降产生很大的影响.     

Mach8的平板可压缩湍流边界层直接数值模拟及分析

对来流马赫数等于8,壁温等于10.03倍来流参考温度的平板可压缩湍流边界层做了直接数值模拟,计算涵盖了从层流到转捩以及最终充分发展湍流的全空间演化过程.对湍流的统计特征做了详细的分析,结果表明,在当前的计算工况下,湍流边界层核心区平均速度剖面仍然满足对数率,且卡门常数基本不变;可压缩效应明显增强,由于采用近似恢复温度的等温壁条件,使得近壁区温度较高,导致当地声速增大,使得湍流马赫数绝对值较低,造成内在压缩性效应不强,与经典强雷诺比拟相比,除在数量上产生一些偏差外,强雷诺比拟关系近似成立,且Morkovin假设依然有效;对扩展自相似性和标度率分析表明,对于平板可压缩湍流边界层而言,高马赫数流动使得其适用范围减小;压缩性效应对近壁湍动能,条带结构,涡等值面分布的影响得到分析.     

竖直槽道中泡状湍流的数值模拟研究

利用直接数值模拟技术计算研究了泡状槽道湍流问题,着重研究了当重力方向和流动方向反向(逆流方向)和同向(顺流方向)时气泡运动和湍流脉动的相互作用.比较了泡状槽道湍流和纯剪切槽道湍流的流场统计特性,分析了气泡在流场中的分布规律,讨论了气泡在湍流流场中的脉动运动特性及其对湍流近壁结构的影响.计算结果表明,逆流泡状槽道湍流中,气泡增强流体运动,湍流的统计特性增强;而在顺流情况下,气泡对流体运动的作用相反.     

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.     

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.     

壁面局部扰动激发湍流边界层近壁区相干结构的一种理论模式探讨

在壁面局部扰动作用下,应用直接数值模拟的方法,研究探讨了湍流边界层近壁区相干结构形成的一种理论模式．数值结果表明,固壁表面某个局部位置存在的某种局部扰动能激发出湍流边界层近壁区的相干结构,其形成机理的许多方面与直接数值模拟和实验结果相符,且演化规律和特性与壁面局部扰动的强度、结构分布及加入到近壁区域内的局部扰动的能量多少等因素密切相关,这些关键性参数在湍流边界层近壁区相干结构成因的过程中起着重要的作用．因此,壁面局部扰动不仅给出了激发湍流边界层近壁区相干结构形成机制的一种理论方法,而且也完善了湍流边界层相干结构产生的物理模型．     

基于多种湍流模型的电解加工温度多场耦合仿真

针对型面电解加工过程中的间隙温度分布难以预测和测量的问题，建立型面二维电解加工温度多物理场耦合仿真模型，分别基于SA、k-ε、k-ω、SST和低雷诺数k-ε等湍流模型求解加工间隙流场分布，耦合电场、流场和温度场求解间隙温度场分布，并将计算值与试验值进行对比。结果表明，求解近壁区流速时采用低雷诺数壁处理比采用壁函数处理的精度高，间隙温升能在较短时间内达到准稳态，基于SST、低雷诺数k-ε模型的间隙温度仿真值非常接近，其耦合气泡的温度多场耦合模型仿真值与试验值更为接近。     

自然对流对螺旋管内湍流对流换热影响

采用控制容积有限元法对有自然对流影响的螺旋管内三维湍流对流换热问题进行了数值分析研究.螺旋管内湍流对流换热利用RNGκ-ε湍流模型进行模拟,近壁处湍流利用非平衡壁面函数法处理.数值迭代计算过程中,利用SIMPLEC算法求解速度与压力的耦合.数值计算详细揭示了螺旋管进口段内湍流混合对流换热的发展过程以及自然对流对传热努塞尔数的影响.     

用改进的RNG模式数值模拟湍流冲击射流流动

在Yakhot和Orszag提出的重正化群（RNG）k-ε湍流模式的基础上，对模式系数Cц和近壁处理方法加以改进，并将其推广应用于湍流冲击射流的数值模拟。将计算得到的平均速度分布和湍动能分布与标准k-ε模式的计算结果以及实验数据进行了比较。结果表明，用改进的RNGk-ε模式得到的数值结果与标准k-ε模式的结果相比具有显著的提高，尤其对滞止区附近的湍动能分布预测结果与实验结果具有较好的一致性，这是因为PNGk-ε模式与改进的近壁处理方法相结合有效地降低了涡粘性的预测值，进而引起湍动能预测值的下降，且计算中采用了Cц和Cε1的改进表达式，适当地考虑了流动中各向异性湍流和不平衡应变率影响的结果。该模式在工程湍流计算中具有较好的应用前景。     

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.     

螺旋桨搅拌槽内流动场二维数值模拟

利用二维ｋ－ε模型对搅拌槽内流动场进行了数值分析,模型成功地预报了叶轮区流动特性,定性描述了循环区运动形式,计算考察了不同桨槽径比（Ｄ／Ｔ）下宏观流动场变化。计算结果表明,湍流能量主要产生和消耗于叶轮区及近壁区域、循环区域内湍流能量值很小。     

平面管道内钝体后湍流预混火焰的数值分析

本文基于运用SCASM 燃烧模型的“k—ε—gr”湍流模型,借助于GM80通用程序对平面管道内钝体后的湍流预混火焰进行了数值分析.计算得到的火焰扩展角大约为2°,和与来流状态无关的结果与普遍承认的实验结果一致。本文给出并求解了控制反应度脉动均方值gr 的微分方程,从而构造了“k—ε—gr”湍流模型;提出了以最大温度脉动值的轨迹作为火焰面的数学表征的建议;考虑了SCASM 燃烧模型中局部温度对层流火焰传播速度的影响;给出了计算近壁区gr 值的壁面函数.     

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．     

不同湍流模型在90°弯管数值模拟中的应用

为了揭示不同湍流模型对弯管内部流动模拟的影响因素,在90°弯管PIV(粒子成像测速仪)试验研究的基础之上,采用6种湍流模式模拟了方形截面90°弯管内的三维湍流流动,与试验数据进行了比较,并根据试验与数值计算的比较结果,选择较优的湍流模型模拟了半径r=164mm的速度分布曲线以及各个截面内的流动情况.结果表明:LES(大涡模拟)模型的计算结果在流体运动的整个过程中与试验值符合较好;其他湍流模型模拟弯管直线段时,计算误差较小,而一旦流体进入弯曲段后,计算值与试验值存在一定差异.相对于RNG(重正化群)k-ε(湍动能-耗散率)湍流模型,LES模型计算半径r=164mm上速度分布与试验值更为接近.此外,LES模型能够较好地模拟出弯管各个断面上的二次流动情况.     

大涡模拟二维平面尾迹湍流拟序结构

首先采用大涡模拟方法对二维平面尾迹流进行了数值模拟,分别分析了整个流场的流动特点和近壁处展向大涡结构的形成、发展、脱落和破碎过程.然后定量计算了流场下游不同断面上流向时均速度分布、流向时均湍流强度分布以及流向相均速度的分布情况,并与Yang等最近所做的实验进行了对比分析.数值结果表明大涡模拟方法可以较好地模拟二维平面尾迹流.     

脉冲防暴水炮发射管内的建模与二维仿真

为优化设计,奠定外流场研究的基础,建立了求解脉冲防暴水炮发射管内压力,水柱速度及摩擦力的计算模型.使用商业Fluent软件对发射管内高压气体冲击水柱进行二维数值模拟,采用k-ε模型描述湍流分布,二维VOF模型追踪发射管内的气液界面.模拟得到了气液界面的演化图像,出口速度矢量分布,以及不同时刻管内对称轴上的压力分布.将所建立模型的理论计算值与模拟值进行比较,分析了两者的吻合情况.仿真结果证明:水柱的管内运动压力起主要作用,重力作用并不明显,压力梯度较大的区域出现在水柱段,模拟值与理论计算值基本吻合,可利用模拟值对计算模型进行修正.所得结论对于水炮类非致命武器的设计及水炮外流场的研究有一定的指导意义.     

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.     

有曲率影响的湍流流场中几种K-ε模型的数值

采用圆柱坐标系下简化的高阶各向异性K-ε模型、标准K-ε模型和各向异性K-ε模型分别对有曲率影响的弯管内湍流流动进行数值分析,并与实验数据作比较.结果表明,由于MAKE模型考虑了曲率对雷诺应力的影响,对雷诺应力的预估更与实验值符合.对近壁区主流速度、雷诺应力的计算,MAKE模型比SKE模型、AKE模型有进一步的改善.证明MAKE模型预测有曲率影响的湍流流动行之有效.     

有曲率影响的湍流流场中几种k-ζ模型的数值

采用圆柱坐标系下简化的高阶各向异性kε模型、标准kε模型和各向异性kε模型分别对有曲率影响的弯管内湍流流动进行数值分析,并与实验数据作比较.结果表明,由于MAKE模型考虑了曲率对雷诺应力的影响,对雷诺应力的预估更与实验值符合.对近壁区主流速度、雷诺应力的计算,MAKE模型比SKE模型、AKE模型有进一步的改善.证明MAKE模型预测有曲率影响的湍流流动行之有效.