可压衰减湍流中被动标量场的直接数值模拟及谱分析

运用高精度迎风差分方法及8阶精度群速度控制型差分格式(GVC8)对初始Reynolds数为72, 初始湍流Mach数0.2~0.9的可压衰减湍流的流场及被动标量场进行了直接数值模拟, 被动标量场的Schmidt数为2~10. 通过不同计算网格及不同方法的数值计算对本文结果进行了验证. 指出了可压衰减湍流中被动标量能谱存在的-1律, 压缩性效应使得高波数成分衰减加快. 对被动标量场进行了标度律分析, 发现可压湍流中被动标量场具有扩展自相似性, 而压缩性效应对被动标量标度指数的影响较小. 发现随着被动标量Schmidt数增加, 其标度指数的奇异性增强.     

弱分层湍流输运特性的统计分析

采用大涡模拟(LES)方法对弱分层湍流进行了数值模拟研究,针对弱分层湍流的统计特性、垂向热通量、流场的各向异性特征进行了分析,得到如下主要结论:弱分层条件对湍流强度有微弱的抑制作用,温度脉动较速度脉动的演化有明显滞后现象;脉动强度和垂向热通量沿流向呈明显的衰减规律;温度作为主动标量或被动标量考虑时对湍流的统计特性无明显影响.     

均匀各向同性湍流中标量耗散的动力学特性

采用直接数值模拟方法,对具有平均标量梯度的被动标量场在稳定均匀各向同性湍流中耗散的动力学特性进行了研究(计算Reλ为25和48,Pr数从0.3-4.0).结果表明,标量耗散的形成主要是由于标量梯度同流场的应变张量压缩主轴耦合的结果,而涡量对标量梯度的形成只有较弱的影响,然而它可以产生与平均标量梯度方向相反的标量梯度,来抵消在大尺度上施加的平均标量梯度的影响,同时通过破坏标量梯度与应变张量之间的耦合来抑制大强度标量耗散的产生.借助于不变量理论发现,高强度的标量耗散主要产生在拓扑结构为unstable node/saddle/saddle流形区域,其对应的应变张量的特征值两个为正,一个为负;由于涡管的感生作用,也有少许中等强度的标量耗散位于流形为stable focus/stretching的区域.     

均匀各向同性湍流中标量耗散的动力学特性

采用直接数值模拟方法，对具有平均标量梯度的被动标量场在稳定均匀各向同性湍流中耗散的动力学特性进行了研究(计算Reλ 为25和48, Pr数从0.3—4.0).结果表明，标量耗散的形成主要是由于标量梯度同流场的应变张量压缩主轴耦合的结果，而涡量对标量梯度的形成只有较弱的影响，然而它可以产生与平均标量梯度方向相反的标量梯度，来抵消在大尺度上施加的平均标量梯度的影响，同时通过破坏标量梯度与应变张量之间的耦合来抑制大强度标量耗散的产生. 借助于不变量理论发现，高强度的标量耗散主要产生在拓扑结构为unstable nodesaddlesaddle流形区域，其对应的应变张量的特征值两个为正,一个为负；由于涡管的感生作用,也有少许中等强度的标量耗散位于流形为stable focusstretching的区域.     

问歇速度场下被动标量的反常标度

介绍了在被动标量的反常标度率研究中的Kraichnan模型.该模型假设输运标量的速度场是Gauss的且在时间上δ相关.在Kraichnan模型基础上,引入"线性假设"使结构函数的方程封闭,进而求出各阶标度指数;同时引入Gauss型速度场的泊松叠加,并进行数值模拟.结果表明,所得被动标量的标度率接近实验数据,优于Kraichnan的结果.     

间歇速度场下被动标量的反常标度

介绍了在被动标量的反常标度率研究中的Kraichnan模型．该模型假设输运标量的速度场是Gauss的且在时间上艿相关．在Kraichnan模型基础上,引入“线性假设”使结构函数的方程封闭,进而求出各阶标度指数;同时引入Gauss型速度场的泊松叠加,并进行数值模拟．结果表明,所得被动标量的标度率接近实验数据,优于Kraichnan的结果．     

矩形弯管中非预混湍流燃烧的数值模拟

对C3H8/空气在弯管燃烧器中的非预混湍流燃烧进行数值模拟,湍流模型采用RNGk-ε模型,燃烧模型采用守恒标量的概率密度函数(probability density function,PDF)模型,辐射模型为离散坐标(discrete ordinate,DO)模型,压力和速度项的耦合采用SIMPLE算法.在燃料丙烷入口速度不变的情况下,改变空气入口的速度,进行5种工况的模拟.模拟结果表明:随着入口空气速度的增大,燃料和氧化剂分子混合更均匀,燃烧速率升高,燃料浓度迅速减小,温度场高温区提前,火焰空间速度场整体速度增加,湍流强度增强,径向压力梯度增大.由此,可以通过控制空气入口的速度,控制火焰空间速度场速度的大小以及燃烧进行的程度.考虑到提高燃烧效率的问题,在保证燃料充分燃烧的情况下,尽量减少空气入口的速度,以达到工业目的.     

热风加热沥青路面的湍流共轭传热与温度场预测

为了揭示沥青路面传热机理，研究了热风冲击射流对流换热和沥青路面内部导热的共轭传热过程，建立了热风加热沥青路面的冲击射流湍流共轭传热理论模型，采用大涡模拟研究了沥青路面温度场分布，获得了沥青路面温度场样本数据.利用本征正交分解法(POD)对温度场样本数据进行降阶处理，选取径向基函数插值方法，预测出了沥青路面温度场分布.仿真和实验结果表明：热风加热沥青路面冲击射流的湍流模型计算结果与实验温度的平均误差为5.4%;温度场预测精度随着选取模态阶数的增大而增强，采用POD分解与径向基函数插值方法计算温度场耗时仅为数值计算时间的0.63%,实现了沥青路面温度场快速且高精度的预测.     

轴向旋转通道内浮升力对湍流影响的直接模拟

采用直接数值模拟方法对绕截面中心轴旋转的方通道内的充分发展湍流进行了数值模拟,湍流雷诺数和普朗特数分别为400和0.71.为了分析浮升力对流体运动的影响,给出了不同格拉晓芙数Gr下的主流平均速度场、温度场、二次流、湍流强度、雷诺应力等湍流统计量的分布情况,并对旋转效应的稳定与否以及由此对湍流统计量的影响进行了分析.结果表明:旋转效应稳定的区域湍流受到抑制,旋转效应不稳定的区域湍流增强,随Gr的增加旋转效应稳定性变得更加复杂;浮升力对流场和温度场有明显的影响,随Gr的增加影响更加明显.     

对流槽宽高比对长方体湍流热对流系统传热的影响

采用长方体对流槽,研究以水为流体介质的Rayleigh-Benard（RB）湍流热对流系统中,对流槽宽高比对系统湍流传热Nu-Ra关系的影响.改变对流槽的高度,使对流槽的宽高比分别为（Γ,Γ）=（1.00,0.30）,（2.00,0.60）,（4.00,1.20）,（7.25,2.18）,（14.29,4.29）和（20.84,6.25）,实验参数Rayleigh数（Ra）和Prandtl数（Pr）的变化区间分别为5.0×10⁵≤RA≤5.6×10¹⁰和5.3≤Pr≤7.0.结果表明,与圆柱形对流槽中的情形不同,长方体对流槽中系统湍流传热的Nu-Ra关系几乎独立于系统对流槽的宽高比.     

基于不同对流下加热系统的数值模拟与实验研究

采用多孔介质导热方程、DO辐射模型以及标准κ-ε湍流模型,建立三维热物理模型。应用有限体积法计算了室内沙疗室气固耦合传热问题。首先在自然对流条件下,即沙疗室不开风扇、处于无风状态时,改变其加热方式,分别为单面加热和双面加热。对比分析不同加热方式下,空气层以及沙体层温度场的变化。其次在双面加热条件下,改变其对流方式,分别为自然对流与强制对流。对比分析不同对流方式下,空气层温度场、速度场的变化,以及沙体层温度场的变化。最后,通过实验加以验证。研究发现强制对流条件下的双面加热能够加快空气热对流速度及沙体传热速度,使沙体层温度分布均匀化,进而提高沙体的传热效率。     

均匀各向同性湍流亚格子流场统计性质

采用平顶帽与高斯这2种物理空间过滤器,对各向同性DNS湍流场进行了过滤处理,得到了各向同性湍流的亚格子流场(SGS)以及对应的可求解尺度流场,并对它们的基本性质进行了研究.结果表明:随着过滤宽度增大,SGS流场的湍动能逐渐增加,通过与谱截断过滤器所得的SGS流场能量结果对比,发现其与物理过滤器存在明显的差别.同时,SGS与F-DNS场的自相关以及积分时间尺度也都增加;不同于全尺度场的关系,SGS场的拉氏积分时间尺度大于欧拉的时间尺度,时间尺度之比也随着过滤宽度增加而逐渐减小至全尺度流场的比值.     

强驻波声场中脉动速度特性

利用激光多普勒测速仪对管内空气强驻波声场中脉动速度特性进行了测量.实验结果表明:强声场对流场有很强的调制作用,使流场产生了与声波同频率的周期性脉动,且脉动幅度随着声场强度的增加而增大.管内声场强度不大时,实验值与理论值吻合较好;声场强度超过160dB后,出现了声湍流现象,实验测量值与理论计算值之间存在明显的偏差.当管内压力波幅处声场强度达到164 dB时,距离反射板130 mm位置处(sin kx=0.67)湍流脉动速度均方根值为3.50 m/s,达到了该位置处脉动速度幅值的45%,表明强驻波场声湍流脉动非常剧烈.     

街谷结构内流场和污染浓度场的数值模拟研究

从三维尺度出发,对6种不同几何尺寸的街谷结构内流场和污染浓度场进行了数值模拟.流场计算模型采用Spalart-Allmaras湍流模型,污染物浓度场采用与流场耦合的对流扩散方程模拟,采用有限元方法离散微分方程.模拟结果表明,街谷结构的几何尺寸对其中流场和污染场的分布有很大的影响.宽度较小,高度较大的街谷结构内流场较复杂,污染物在其中比较不容易扩散.本文对不同街谷结构内流场和污染物浓度场的分布进行了对比分析,对城市规划设计、城市气候以及城市空气质量控制等领域具有重要意义.     

水平湍流混合对莫拉克(2009)台风强度及结构的影响

在台风的发生、发展过程中,水平湍流混合是重要的物理过程,该过程的参数化方案对台风个例的数值模拟结果有很大影响.研究通过调整WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式水平湍流参数化方案中的Smagorinsky系数C(sSmagorinsky Coefficient)控制水平湍流混合的强弱,对比分析了水平湍流混合强度在台风莫拉克(2009)数值模拟中对台风强度和结构的影响.结果表明:水平湍流混合对莫拉克台风路径的模拟没有显著影响,但对台风的最大强度有显著影响,随着C_s增大台风强度减弱,热力场分析表明过大的水平混合不利于台风暖心的维持.从轴对称风场特征来看,C_s变化的影响并非集中在边界层中,台风中上层的风场均发生了改变,但边界层中变化更大,随着C_s增大最大风速半径外扩.从雨带和对流的发展特征来看,C_s越小越有利于模拟出单点发展的对流胞,但这些对流胞不易组合发展为有组织的对流带,而C_s过大时,对流胞出现涡丝化发展形态而发展为平滑的长雨带...     

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.     

基于FLUENT测轨道交通隧道中电波折射率结构常数

为了合理评估轨道交通隧道环境内湍流场的特性,以上海地铁1号线的部分参数为设计背景,采用美国Ansys公司的商用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件包FLUENT模拟了该环境下列车运行所引起的湍流场中的压强场和温度场.对压强和温度分布图进行采样,然后对采样数据进行分析,并进一步将采样结果运用到该环境下无线电波折射率结构常数的求解中;与已有实验所得经验值数据进行比较,二者具有较好的一致性,从而为该环境下电波折射率结构常数的求解提供了一种可靠的方法.     

基于密度分域的混合湍流模型的应用与评价

结合数值计算和实验结果评价了一种基于密度分域的混合湍流模型.实验采用高速录像和LDV测量技术观察了绕Clark-y型水翼云状空化随时间的流场结构变化和速度分布.数值模拟中,基于非定常空化的流动现象,建立了一种基于密度分域的混合湍流模型,并分别应用不同的湍流模型计算了绕水翼非定常云状空化流动.通过与实验结果的对比表明,分域湍流模型能够更好地调整流场内的湍流黏性,精确捕捉到空穴形态和空泡脱落的非定常细节,时均流场速度分布与实验值基本吻合.     

自由振动圆柱绕流近尾迹湍流普朗特数

对自由振动圆柱后尾迹中的湍流普朗特数进行了实验研究 ,并与刚性柱体尾迹的结果作了比较 .加热圆柱后的流场温度比环境温度高 1℃左右 ,对流场影响很小 .用自制的X热线和一根冷线相结合的三线探头测量速度和温度的脉动 ,并用激光测振仪测量了该柱体的振动情况 .结果表明 ,在自由振动后的尾迹中 ,湍流脉动引起的能量输运能力比动量输运能力强 ,湍流的梯度输运假设与实验结果符合较好     

铝合金超声波半连铸多场耦合的模拟与实验

针对铝合金超声波半连铸过程,建立了声场、流场和温度场耦合的数学模型.利用Fluent模拟得到了声场、流场和温度场分布.仿真结果显示,超声波的导入对宏观流场与温度场分布具有重要影响,在超声输出振幅一定的条件下,选择频率为20kHz的超声波处理铝熔体能够获得较为理想的流场与温度场,从而有效促进熔体的传热、传质与柱状晶向等轴晶的转变.通过测量实验铸锭的晶粒尺寸,发现经超声处理的铸锭凝固组织显著细化,长度与宽度方向的平均晶粒尺寸分别较未经超声处理的减小了133μm与32μm.文中还结合数值模拟结果分析了超声波对铝合金大铸锭的细晶机理.