可压缩尖锥边界层湍流的直接数值模拟

采用高精度差分方法对来流马赫数0．7,来流Reynolds数250000／Inch,锥角为20°的尖锥边界层的整个空间转捩过程进行了直接数值模拟．对流项采用了7阶迎风格式离散,黏性项采用6阶中心格式离散,时间推进为3阶Runge—Kutta方法．对转捩形成的充分发展湍流进行了统计分析,包括平均速度分布,近壁湍流强度和雷诺应力等统计数据与平板边界层理论及实验吻合很好,验证了结果的正确性．显示了近壁湍流的典型拟序结构——高、低速条带结构并根据流向速度的周向相关量确定了条带的间距,以当地壁面尺度度量的条带间距沿流向并没有显著变化．给出了柱坐标下的可压湍动能发展方程,并据此对近壁湍动能的生成、耗散和输运机制进行了分析．     

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．     

绕射激波和反射激波冲击下的Richtmyer-Meshkov不稳定性

利用高速纹影和平面片光测试技术,实验研究低马赫数入射激波绕圆柱体后冲击N2/SF6平面界面,以及来自固壁的反射激波再冲击过程的R-M不稳定性特征.在竖直激波管采用重气体尾部充入,轻气体上部充入,狭缝流出的方式,在实验段狭缝处生成准静止稳定的N2/SF6平面界面.激波与圆柱作用后的流场是复杂的,包括初始的入射波、弯曲反射波、马赫波、由马赫反射产生的滑移线.研究这些复杂流场对界面的作用,对认识界面扰动的生成具有较大帮助.与平面激波作用不同的是,在柱体绕射后的激波冲击下,界面会生成局部扰动.实验结果显示,入射激波作用下界面宽度增长缓慢,而反射激波再冲击后,局部扰动会产生大的"尖钉"和"气泡"结构;反射激波与边界层相互作用产生壁面涡,会加剧湍流混合区的增长;来自尾部固壁的反射稀疏波会再次加剧湍流混合区的增长.     

湍流边界层逆转捩机制的实验研究

实验研究了板面向下的平板边界层中的逆转捩现象,测量了加热前后湍能生成项,耗散项和吸收项的变化规律,初步解释了逆转捩发生的物理机制。实验结果表明,通过加热,形成稳定的密度分层结构,在距离平板前缘 400—1000 mm 范围内,湍能生成项变为负值,成为实际上的湍能集中吸收区,使得边界层内层的湍流能量被迅速吸收;近壁区的小尺度涡对于湍能的耗散作用进一步增强;同时浮力引起的湍能吸收项对湍能输运也起到了很好的抑制作用。外层流动失去了能量来源,从而使得流动逐渐从湍流演变为层流。     

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．     

一种近壁湍流封闭的理论模型

提出在湍流边界层近壁区采用共振三波的理论模型描述湍流相干结构,根据理论模型系统计算了湍能耗散率输运方程各项的分布,由计算所得理论ε值和ω值计算了平均速度分布.对于靠近壁面的黏性作用层,计算所得理论值与直接数值模拟符合很好,表明该理论模型不仅有益于对湍流机制的了解,而且可能为近壁湍流模型开辟一条新的途径.     

球形汇聚-反射激波作用下湍动能方程的模化

球形激波与湍流间的相互作用在惯性约束聚变(ICF)、超新星爆发、冲击波碎石等许多工程问题中有重要意义.本文通过直接数值模拟,研究了球形激波的汇聚与反射诱导的湍流及其相互作用问题,分析了这一流动的特点和湍流的产生机制.重点讨论了该流动的湍动能系综平均方程中各项的作用和起主导作用的物理机制,发现传统的剪切湍流的产生机制和黏性项量级普遍偏小,激波才是诱发湍流的主要因素,因而在湍动能方程中起主导作用.由于激波的主导作用,压力脉动对湍动能方程有重要影响,与压力脉动有关的各个项在湍动能方程中均起重要作用.一些在一般湍流中可以忽略的项,例如质量流量项、压力体胀项等,在球形汇聚-反射激波与湍流相互作用问题中起重要作用.本文还探讨了涡黏性模式的有效性,发现满足可实现性原理的涡黏性模式可以较好地模拟雷诺应力.同时,本文揭示了现有湍动能方程封闭模式在本问题的应用中存在很大误差,并尝试对这些项提出新的封闭模式.     

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。     

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.     

黄海潮流底边界层内湍动能耗散率与底应力的估计

利用高频流速仪ADV在青岛外海潮流底边界层内一个周日(25h)定点连续观测的三维流速资料,计算并分析了秋末冬初潮流占优的陆架浅海潮流底边界层内湍动能耗散率和底应力的特征及其潮内变化.结果表明:(1)秋末的黄海,在一个周日内湍动能耗散率与底应力的变化范围分别为1.8×10-8—3.4×10-5W.kg-1与6.6×10-4—7.5×10-1N.m-2,表明在底边界层内存在着很强的能量耗散,且湍动能耗散率与底应力在潮内的变化都非常显著;(2)在充分混合的潮流底边界层内,湍流主要由海底流速剪切生成,湍动能生成与耗散基本处于局地平衡状态;(3)对于半日潮流占优的海区,湍动能耗散率与底应力都具有明显的四分之一周日的变化规律;(4)观测期间,海底以上0.45m处的拖曳系数的平均值Cd(0.45)为0.0017(对应于海底以上1.0m处的拖曳系数的平均值Cd(1.0)为0.0015),但拖曳系数存在着显著的变化(变化范围为0.0005—0.0082);平均的海底粗糙度为2.8×10-5m.     

可压缩效应对平板湍流边界层影响的直接数值模拟

采用高精度紧致型差分格式求解三维可压缩Navier-Stokes方程,通过在局部平板上引入周期性吹吸气小扰动的方法,直接数值模拟来流马赫数M∞为2.25的空间发展的可压缩平板湍流边界层.所得流场统计特征与相关理论和试验符合较好.在此基础上研究可压缩效应对平均流动特征以及湍能的生成和耗散特征的影响,指出在M∞=2.25的情况下,Morkovin假设基本成立,但可压缩效应使得拟序结构有明显差别.与不可压相比上抛、下扫对不同区域的作用有所不同.在近壁区,压力-膨胀项和压力-速度相关项仍是不可忽略的量,这导致声的产生和可压缩效应对湍能产生抑制作用.平板上声压的分布表明,随流动向下游的发展,边界层转捩过程激发了由物面脉动压力所产生的偶极子声源.     

关于边界层湍流能量耗散率的研究

应用PIV系统对湍流边界层内的耗散率标度律进行了实验研究,结果显示,对不同尺度上和3个不同法向位置湍滴耗散率标度律的湍流耗散主要发生在小尺度上,即湍流耗散率标度律在小尺度上具有普适性.并且随着尺度的不同,近壁面小尺度上的湍流耗散比较明显,远壁面上的湍流耗散率较小.     

一次江淮飑线天气过程的边界层湍流输送特征

为了充分了解飑线冷池、湍流动能及湍流输送的特征,利用中尺度天气预报数值模式,对2014年7月12日江淮地区的一次飑线过程进行了数值模拟,分析其边界层冷池、湍流动能和湍流输送特征。结果表明:飑线处于发展期时冷池作用较小,随着飑线系统的增强,冷池作用逐渐显著,对环境风的阻碍作用加强,其前沿辐合加强,有利于触发新对流;飑线发生前,浮力项为边界层湍流动能的主要产生项,湍能随高度减小;飑线系统过境时,切变项为主要湍能源,在边界层高层时较大;飑线对流前的晴空区域内,边界层湍流运动向下输送动量,补充边界层摩擦损耗;飑线强对流影响的区域内,近地层湍流运动向上输送动量,减弱了大风的影响;向上较大的潜热、感热通量增强低层的大气不稳定性,有利于强对流系统的发生发展。分析表明,边界层湍流输送与飑线系统的演变过程密切相关。     

基于标准k-ε模型的平衡大气边界层研究

平衡态大气边界层的精确模拟是计算风工程研究中的一项重要且容易被忽视的工作。文章基于标准k-ε模型的控制方程,对大气边界层的平衡条件作出适当假设,总结了与剪应力相关的入流边界条件的通用形式。为实现大气边界层的自保持,在湍动能和耗散率输运方程中添加源项使入流边界条件与湍流模型相协调,并对顶部和底部边界条件施加剪应力修正;然后,分别以二维缩尺和足尺模型为例进行了平衡大气边界层的模拟。研究发现,在湍动能和耗散率输运方程中添加源项对改善大气边界层的自保持产生了不可忽略的影响,在顶部和底部施加剪应力能较好地改善顶部和底部大气边界层的自保持效果,通过同时添加源项和施加剪应力能很好地实现大气边界层的自保持。     

非线性湍流模型可压缩性修正研究

以非线性的二阶SZL和三阶CLS湍流模型为基础,对低雷诺数k-ε模型引入膨胀可压缩性和激波不稳定性修正来模化可压缩效应,发展了可压缩性修正的非线性SZL和CLS湍流模型.膨胀可压缩性修正采用广泛使用的Sarkar修正模型,激波不稳定性修正通过抑制湍流动能产生项得到.应用修正的非线性模型数值研究了经典的二维轴对称凸轴结构的跨音速流动,将预测的壁面压力、激波产生位置、近壁面流速、雷诺切应力、分离区长度等与实验结果进行对比,结果表明两种修正的非线性模型都有明显改进.预测的分离区位置、大小以及之后的再附着位置均有较大的改进,与实验符合较好.     

斜激波与边界层的相互作用

本文在[二]中给出斜激波与边界层间之相互作用的外部解,在这个外部解,是由三个因素产生的,即(1)边界层不存在时,直线驻激波的压强变化,(2)凹壁边界层为一线性微扰而产生的压强变化,(3)凹曲壁边界层对激波波形的影响。     

铝电解槽内金属循环的数值模拟

本文对铝电解槽内熔融金属在电磁力作用下的流场进行了研究,分别采用常湍流粘性系数模型和k-ε模型联立求解N-S方程,用SIMPLE方法,数值求解得到铝电槽内的金属流速、湍动能、湍动能耗散及湍流粘性系数的分布。计算结果与现场测定结果相吻合。     

丁坝挑角及长度对回流区流动特性影响的数值模拟

为探究丁坝挑角及长度对坝后回流区流动特性的影响,利用计算流体力学(CFD)方法,模拟宽浅河道中丁坝挑角上挑60°、正挑、下挑120°,及丁坝投影长度为0.12,0.2,0.3 m条件下回流区流场和湍动能及湍流黏度的分布。结果表明:丁坝回流区最大相对长度L/B及最大相对宽度W/B与丁坝相对投影长度b1/B成正相关;湍动能沿着流动分离区域向两侧及下游扩散衰减,其最大值出现在坝后流动分离处;丁坝的投影长度和挑角直接影响湍动能和湍流黏度的大小和分布;随着水深增加,湍动能和湍流黏度分布规律不变,其值随着水深的增加而小幅减小。     

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。     

求解激波／边界层相互干扰问题的有限体积方法

提出了一种高效的求解二维激波／边界层相互作用问题的算法．应用该方法分析了超音速绕压缩拐角的流动情况,与有关实验数据比较,结果令人满意．本算法采用Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔａ法对时间进行离散,湍流采用Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ模型．本算法可以推广到其他激波／边界层相互干扰的问题．