龙卷风风场的数值模拟研究

基于同济大学研制的龙卷风物理模拟装置,运用数值模拟方法构建了物理模拟器的数值计算模型,并通过对比龙卷风风场的物理试验模拟结果和现场实测结果,验证了数值计算模型的可行性.在此验证基础上,研究了3种不同涡流比条件下的龙卷风风场结构,对比了不同涡流比条件下龙卷风的三维风场速度(切向速度、径向速度和轴向速度)分布形态、风压分布、龙卷风涡核半径和气流脉动特性.研究结果表明:随着涡流比的增大,龙卷风风场最大切向风速逐渐增大,涡核中心气压降明显降低,涡核半径随之变大,涡核中心附近切向风速的标准差变小;涡流比的增大使龙卷风单涡核逐渐破碎,发展到双涡核.     

均匀剪切稳定分层流动中湍流特性的数值研究

采用大涡模拟的方法,研究了均匀剪切稳定分层流动.主要对不同梯度Richardson数下湍流动量和标量输运特性进行分析研究.结果表明:随着梯度Richardson数的增大,湍流动能减小,湍流势能增大；垂向热通量和雷诺应力减弱,流向热通量增强；并且在强分层情况下,存在动量和热量的逆梯度输运现象.     

三维陆架模式及其应用——一个三维陆架模式及其在长江口外海…

建立一个σ坐标系下三维非线性斜压浅海与陆架模式，并首次应用于夏季长江冲谈水扩展的天空，模式计算区域为整个中国海，水平分辨率为７．５′×７．５′垂向分辨率为１１层，考虑实际海岸形状和海底地形，在中空完全交错的网格系统上，离散化控制方程组，采用ＡＤＩ计算方法数值求解，动量方程中的非线性项采用二次能量守恒的半动量格式，温盐方程中的平流项采用迎风格式，垂向涡动扩散项采用隐式，数值试验结果基本再现了伸向东北     

基于最小二乘无网格方法的大涡模拟研究

对基于最小二乘无网格方法的大涡模拟进行研究,采用Smagorinsky亚格子模型封闭滤波后的N-S控制方程.针对无网格方法的特点提出适合无网格方法的空间滤波尺度求解形式,用AUSM+格式求解数值通量,最小二乘法拟合空间导数,三阶龙格-库塔法进行时间迭代.在此基础之上对Re=22 000状态下的二维方柱绕流问题进行数值模拟与分析.讨论了初始条件对计算结果的影响,统计了斯特劳哈尔、平均升阻力系数、方柱后方中心线上的平均速度及其均方根值以及不同位置处的平均速度及其脉动值沿y方向的分布,并将统计结果与实验值及其他数值模拟结果进行对比,结果符合较好.     

袋型阻尼密封转子动力特性的多频单向涡动预测模型

为了满足宽频域下阻尼密封转子动力特性的计算要求,针对单频涡动模型计算量大的问题,提出了采用动网格技术和非定常数值方法来预测袋型阻尼密封转子动力特性的多频单向涡动模型.以转子多频单向涡动位移作为激励信号,采用非定常方法和动网格技术进行了三维ReynoldsAveraged Navier-Stokes (RANS)方程的数值求解,从而获得了袋型阻尼密封的瞬时流体激振力.通过快速傅里叶变换,在频域内计算了10个频率的8个转子动力特性系数,并与实验值进行了比较.结果表明:数值计算得到的袋型阻尼密封转子动力特性系数与实验值吻合良好,从而验证了基于多频单向涡动模型的数值方法能够可靠预测袋型阻尼密封转子动力特性.     

大理涡动相关观测数据的处理及质量评价研究

依据大理国家气候观象台涡动相关仪2011年实测数据,采用目前主要的湍流通量数据处理和质量评价方法,对原始湍流数据进行一系列的预处理以及定量分析各处理步骤对湍流通量计算结果的影响,同时以湍流平稳性和通量方差相似性检验为指标对数据进行质量评价分析,并应用解析足迹模型对湍流通量观测的空间代表性进行初步分析.结果表明:对大理站来说,湍流通量计算的平均时间选取30 min为宜.剔除野点、二次坐标轴旋转、超声虚温修正、时间滞后校正、频率响应修正以及WPL修正处理会对湍流通量计算结果带来不同程度的影响,尤其是二次坐标轴旋转对动量通量以及WPL修正对CO2通量的影响较为显著.湍流平稳性和通量方差相似性检验结果显示,涡动相关通量观测数据总体质量较好,动量通量、感热通量、潜热通量以及CO2通量中高质量数据所占比例分别为59.4 %、64.2 %、63.8 %、63.2 %.湍流通量源区分析表明,源区整体呈西北东南向分布,位于测站东南方向的区域是湍流通量观测的主要贡献源区.     

运动副间隙对涡旋压缩机切向泄漏间隙的影响

针对曲柄销防自转机构涡旋压缩机运动副间隙引起的切向泄漏问题,基于机构学原理简化的平行四杆机构模型,利用连续接触模型,将含间隙的机构转化为多构件多自由度无间隙的机构进行分析,并借助Matlab数值分析软件得出防自转曲柄销处间隙值对动涡旋自转角及切向泄漏间隙的影响.结果表明:动涡盘自转使得泄漏间隙变化量随主轴转角周期性变化,且随着间隙值的增大而增大;反向自转形成的负值间隙变化量使动静涡旋齿磨损增大.因此,在压缩机设计时应严格选用配合公差,减少配合间隙带来的不利影响.     

大攻角下典型主梁断面颤振临界风速数值模拟

针对大攻角下主梁断面颤振稳定性问题,基于计算流体动力学软件ANSYS FLU-ENT用户自定义函数UDFs和动网格技术,结合Newmark-β法建立了桥梁主梁断面二维流固耦合分析方法,采用该方法在不同攻角下(0°、±3°、±5°、±8°)对薄平板和流线型箱梁断面颤振稳定性进行数值模拟研究,并将数值模拟结果与风洞试验研究结果进行了比较.结果表明:薄平板和流线型箱梁断面的颤振临界风速数值模拟结果与风洞试验结果吻合较好,验证了本文所建立的桥梁主梁断面二维流固耦合分析方法的精度.薄平板断面的颤振临界风速随攻角的增大显著降低;流线型箱梁断面在正攻角范围内颤振临界风速随着攻角的增大而降低,在负攻角范围内颤振临界风速随攻角绝对值的增加先增大后降低;当攻角较大时,薄平板断面和流线型主梁断面均表现出"钝体"特征,气流绕过断面前缘时发生分离,沿断面上下缘产生较大的涡,从而导致主梁断面颤振临界风速降低.     

透平动叶顶部间隙流的表现形式及其对透平性能的影响

以Aachen一级半轴流透平为研究对象,采用数值模拟手段对不同动叶顶部间隙情况下的间隙流进行了分析,研究了间隙流和间隙涡的形成、发展形式及其对透平性能的影响.以三维流线及极限流线为手段,分析了不同间隙尺寸下动叶顶部的间隙流及间隙涡在形成和发展趋势上的区别,以及动叶顶部总压损失区向下游发展时其变化形式的区别.研究表明:随着动叶顶部间隙值的增加,透平的等熵效率近似呈线性趋势减小;间隙涡的产生位置提前,强度逐渐增大,损失也随之增大;动叶顶部的高损失区域位置和范围发生变化,通道涡被破坏,高损失区向压力面迁移,并远离端壁.     

MEXICO风力机整机流场与载荷特性分析

采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对MEXICO(Model EXperiment In Controlled c Onditions)风力机模型非偏航工况下的流场和载荷特性进行稳态数值模拟研究.采用周向平均方法取出计算得到的流速的轴向、径向和切向分量,并分别将其与试验值进行对比分析,计算值和试验值吻合较好,计算结果可靠.从叶片截面周围流线和叶片表面压力分布两个角度确定了叶片表面流动分离的位置,随半径增大分离点位置向后缘移动.对叶轮尾流中涡量分布的分析表明,3个叶片通道的涡量分布近似对称,尾流中涡量逐渐衰减,稳态模拟中塔架对尾流流动影响较小.此外还分析了叶轮叶片所受载荷,得到了载荷沿径向分布规律,载荷特性可为风力机气弹性能分析提供依据.     

定常不可压缩NS方程的子格粘性非协调有限元方法

作者将子格粘性法和非协调有限元方法相结合,应用到定常不可压缩NS方程,并采用C-R元建立了两种子格粘性非协调有限元格式,然后对其进行了理论分析.数值实验结果表明,子格粘性法与通常的Galerkin混合有限元相比,在高雷诺数时仍然具有较好的稳定性,在粗网格上能达到较高的精度.     

矩形通道内具有Rayleigh-Benard对流的湍流换热大涡模拟

基于动态Smagorinsky涡黏模型对矩形通道截面内具有Rayleigh-Benard对流的湍流充分流动和换热问题进行了大涡模拟研究,分析了浮升力对管道截面的平均速度、温度分布以及雷诺应力的影响.湍流雷诺数为400,格拉晓夫数从105变化到107.研究结果表明:随着格拉晓夫数的增大,浮升力增强,通道内平均速度减小;亚格子黏性系数明显增大,湍流强度增强,换热也明显增强;由于浮升力的存在,在高温壁面附近,主流湍动能减小,展向湍流强度大大增强;初始条件对平均速度及温度的分布有一定的影响,但对平均的阻力系数及换热系数没有影响.     

半干旱区近地层动量热通量计算

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2006年12月-2007年2月铁塔观测所得的7层风、温、湿资料,采用梯度法计算了摩擦速度、摩擦温度、湍流动量通量和感热通量,并将2007年2月的通量计算值与开路涡度协方差系统观测值进行比较.结果表明:动量通昔和感热通量与稳定度有密切关系.均随稳定度的增加而减小.动量通量和感热通量均有明显的日变化,中午时段最大,夜晚最小.动量通昔无论在何种稳定度条件下均是由上向下输送;感热通量白天均是由下向上输送,夜间均是由上向下输送.在冬季,动量通量和感热通量的月平均值都是在12月最小,在2月最大,且动量通量的月平均值远小于感热通量的.2月的动量通昔散布图斜率为1.096,相关系数R为0.761;感热通量散布图斜率为1.015,相关系数R为0.957.     

波浪剩余动量流垂向分布研究

将垂向考察区域分为波谷以下部分、波谷至平均水面部分以及平均水面以上部分,应用线性波理论,分段推求波浪剩余动量流沿水深分布函数.建立任意波向角时波浪剩余动量流各分量的计算表达式,给出深水及浅水条件下的渐近表达式,探研波浪剩余动量流的垂向分布情况.取波向角为30°分别计算深水、过渡水深及浅水条件下波浪剩余动量流的垂向分布.结果表明:波浪剩余动量流各分量沿水深并非均匀分布,而且各分量分布情况不尽相同;从波面到海底,存在反向变化的现象;浅水条件下,波谷以下部分所占比例相当可观.计算成果与实测资料和研究分析结果是一致的.     

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。     

频散效应对自由大气能量输送的影响

本文应用扩大的Ｐｒａｎｄｔｌ混合长理论分析自由大气中的Ｒｅｎｏｌｄｓ平均运动方程组，着重分析了频散效应对自由大气大迟度运动能量输送的影响。分析指出：频散效应的自由大气中能量由扰动动能向平均动能转换（即能量逆转）的根本原因；正压大气能量逆转只能在扰动的尺度小于临界迟度Ｌｃ时才能发生；斜压大气能量逆转主要在扰动的厚度小于临界厚度Ｄｃ时发生。不同尺度的扰动与包含和不包含频率散效应的简单模式结果验证了上面     

基于动力拟序涡模型的水波三维大涡模拟

利用大涡模拟理论数值模拟了规则波和不规则波的传播过程,采用动力拟序涡黏性亚格子应力模型进行波高及速度场的模拟.计算结果表明,模型对水波的波高及由波产生的流体速度分布模拟结果与解析值符合良好,且精度较高.对比分析了人工海绵层及Sommerfeld辐射型耦合边界条件与仅采用Sommerfeld辐射型边界条件对水波数值模拟精度的影响.结果表明动力拟序涡粘性模型可以准确地模拟水波传播特性.     

磁电阻尼器恢复力模型理论推导及参数研究

由电磁学中的磁场对衔铁吸力公式,提出了涡流板相对磁盒运动时的切向磁电阻尼力模型,即假设涡流板相对磁盒运动时涡流板受到的切向磁电阻尼力与磁盒对涡流板法向吸力成正比,在此基础上研究了参数振动频率、运动幅值对阻尼力的影响规律并通过数据拟合得到了相应的公式,最后由恢复力模型公式画出的滞回曲线与试验滞回曲线进行了比较,效果较好.     

粘性流体中涡旋扩散的非牛顿效应

在考虑瞬态过程中动量扩散速度基础上，用拉普拉斯变换法对无限长平板突然起动瞬态动量定解方程进行了求解，并按涡量定义求出涡量分布函数。结果表明伴随动量扩散的波动性，涡量扩散也存在波动性。     

非定常Navier-Stokes 方程基于H（div）型有限元的涡旋黏性法

本文将子格涡旋黏性思想与H（div）型有限元逼近（比如RT元和BDM元）相结合, 对不可压非定常Navier-Stokes方程提出了一种新的稳定化有限元格式. 这种格式不仅满足守恒条件, 而且克服了对流占优所引起的震荡. 然后通过半离散有限元格式, 得到了与约化雷诺数相关与雷诺数无关的误差估计.