湍流新涡粘模式的研究

1 涡粘系数应为四阶张量Boussinesq 1877年提出将湍流应力类似于与速度梯度成正比的粘性应力,引进了涡粘系数的概念,将湍流应力表示为     

不可压湍流燃烧大涡模拟的分步投影方法

通过对Ma<<1的湍流燃烧过程物理现象的分析, 从数学和物理上讨论了低Ma数湍流燃烧的“不可压”性质, 在此基础上采用改进的不可压湍流燃烧数值模拟的分步投影方法对甲烷-空气平面射流扩散火焰进行了大涡模拟. 该方法不需对密度进行预估而是直接显式求得, 仅需对动量方程进行一次投影即可实现对N-S方程的显式求解, 计算量小, 求解效率高, 在Ma<<1的变密度有反应或无反应湍流流动的细观数值模拟中具有明显优势. 甲烷-空气的化学反应采用简化的四步反应机理模拟, 应用动态亚格子模式及动态相似模式分别模拟湍流流动的亚格子项及化学反应速率的亚格子项. 计算结果得到了射流扩散火焰中瞬态发展变化的涡运动以及涡-火焰相互作用的细节结构.     

基于NPLS的超声速层流/湍流后台阶流动精细结构研究

在Ma=3.0低噪声、吸气式超声速风洞中,对台阶高度h=5mm的超声速后台阶流场进行了精细结构测量.通过改变台阶上游壁面的表面粗糙度,实现了超声速层流、湍流两种后台阶流动.采用NPLS技术对流场整体结构的时空演化特性以及4个局部典型区域的细节结构等方面进行了实验研究.瞬态流场揭示了扇形膨胀波系、再附激波、超声速边界层及其分离、再附和恢复等结构的空间特征.通过比较时间平均的结果,可知超声速湍流后台阶流动分离后的膨胀角较大、回流区的长度相对更短,而再附后重新发展的边界层厚度以较小的倾角增长,但两种流动的再附激波角度大致相同.在时间演化上,超声速层流后台阶流动主要表现为K-H涡结构的变形受剪切、膨胀、再附以及三维效应等影响;而湍流后台阶流动则主要表现为大尺度结构在再附点前后受膨胀、黏性以及再附后逆压梯度的作用而倾斜和变形.对局部区域的研究表明,在超声速层流后台阶流场中微弱压缩波与当地对流马赫数和K-H涡结构的诱导作用有关,并且在下游汇聚成再附激波的现象明显;而湍流后台阶流场中则未有明显的压缩波和K-H涡结构,其再附激波的形成主要与壁面的压缩效应有关.     

激波与湍流相互作用的实验研究

在超声速湍流混合层风洞中, 以NPLS技术为基础研究了激波与湍流的相互作用, 观察到了斜激波与湍流边界层的相互作用以及湍流混合层中的大涡对斜激波的影响. 所得到的NPLS实验图像不仅再现了复杂的流场结构, 而且不同图像之间还具有时间相关性. 在NPLS图像基础上探讨了激波与湍流相互作用的规律.     

中性大气边界层中风力机的湍流演化及叶根载荷分析

针对一台外场试验风电机组,采用大涡模拟(large eddy simulation, LES)耦合致动线模型的方法,构建了中性大气边界层和风力机风轮的气动耦合求解模型,模拟风力机在中性大气边界层中的流场.通过连续小波分析、频谱分析和相关性分析,研究了中性大气边界层中风力机前、后的湍流演化过程及其与叶根载荷的相关性.研究发现,自然来流从风轮前1D(D为风轮直径)处运动到后1D处时,大气中的湍流强度逐渐增大;在风轮平面处出现了较强的小尺度湍流结构,这些小尺度的湍流结构在向下游运动过程中不断耗散,并在风轮后1D处能量基本耗散殆尽;叶尖位置处的高频湍流出现频率约为1.82 Hz,此频率正好与叶片通过频率相对应.风力机的叶根挥舞载荷对大气中的湍流结构响应明显,低频湍流结构对叶根挥舞载荷的低频段影响显著,高频湍流结构对叶根挥舞载荷的高频段影响明显;叶尖高频湍流结构相对于叶根高频湍流结构,频率更高,能量更大,其对叶根挥舞载荷高频段的影响更为明显;同时,叶尖高频湍流与叶根挥舞载荷的高频部分表现出了一致的周期性变化规律.     

2阶湍流闭合边界层模式及其在暴雨模拟中的应用

基于Mellor/Yamada的湍流2阶闭合方案, 编写了2阶湍流闭合方法的边界层模式(文中称之为MY-4) , 并与中尺度模式MM5耦合, 对1998年6月8~9日发生在华南地区的一次暴雨过程进行了数值模拟研究. 结果表明, 模式成功地模拟出了这次暴雨过程的降水大小和分布, 更加重要的是: (1) 与MM5中原有的边界层方案相比, MY-4模式准确地模拟了主要的天气系统如低涡和低空急流, 从而改善了模拟的降水分布, 并抑制了一个中心超过160 mm的虚假降水区的出现; (2) 通过与香港风廓线仪观测得到的垂直风廓线进行比较可见, MY-4能够再现大气边界层中较短时间尺度内的风速脉动, 这是MM5中的其他边界层模式所不能做到的. 并对MY-4和1.5阶闭合方法的边界层模式的模拟结果进行了详细的比较, 在模式开始积分的1~2 h之内, 不同边界层方案模拟得到的湍流对大气边界层内风场的贡献不同, 在非线性模式系统的作用下, 是影响模式模拟结果的重要原因.     

格子玻尔兹曼方法模拟大气边界层中的阵风结构

东亚北方冬春季常会出现寒潮冷锋天气,冷锋过后有明显的下沉气流,且伴随强阵风.观测数据分析表明,阵风结构具有相干性,是春季沙尘暴能够被输送到边界层上部,从而远距离传输的重要条件.格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)是一种基于Boltzmann分子输运方程的数值流体计算技术,自从出现以来,由于其在微观水平描述运动的特点,一直被用来研究湍流等复杂运动,本文在格子玻尔兹曼方法中引入大涡模式,使其能够应用到大气边界层湍流场,模拟阵风的产生及发展,得到了具有波动和涡旋相结合的相干结构,从而解释了阵风相干结构起沙扬尘的机理.     

滇西北丽江盆地北部区第四纪时期的左旋剪切拉张

丽江盆地北部区具有锯齿状断裂的典型特征, 几何形态上呈现出明显的“追踪张”特点; 在运动方式上, 既有拉张伸展, 又有左旋剪切. 其中, 平均左旋剪切位移分量为1950 m, 平均拉张位移分量为1730 m. 在活动时代上, 盆地的左旋剪切拉张开始于中更新世. 以距今800 ka计算, 可以获得平均左旋剪切位移速率为2.44 mm/a, 平均拉张速率为2.16 mm/a. 丽江盆地北部区不同区段的地质构造表现证实了构造地貌学分析结果, 符合具有剪切位移分量锯齿状断裂的运动学特征. 对丽江盆地北部区左旋剪切拉张运动学特点的认识, 为川西北活动块体顺时针转动模型以及正确理解金沙江-红河断裂带在第四纪时期的作用、地位提供了直接证据.     

改善月动力延伸预报水平的一种新途径

从数值模式普遍存在的一个重要预报误差源—— 纬向平均环流入手, 提出了一种改进月动力延伸预报的新途径. 首先, 应用重构相空间理论和非线性时空序列预测方法, 在大量历史资料的基础上构建纬圈平均环流(纬向平均高度场)月尺度逐候非线性动力学区域预报模型; 然后将非线性动力预报和数值模式动力预报结合起来, 即将非线性预报结果转化为模式需要的预报量, 再在模式积分过程中实施过程订正. 试验结果表明, 这种方法不仅有效减少了模式的系统性预报误差, 而且通过波流非线性相互作用, 使部分波分量的预报得到了较明显的改善.     

2DMD应用于微通道内气体流动研究

为了将2DMD(二维分子动力学)方法应用于微通道内气体流动的研究, 以平衡状态气体分子速度的分布函数为基础, 得到了分子平均速率、平均碰撞频率、平均自由程和动力黏度的理论形式, 以及二维体系气体流动的滑移边界条件. 在此基础上, 应用2DMD方法模拟了气体在亚微米通道内的滑移流动, 并与3D模拟的计算结果和计算量进行了对比分析.     

地形大气边界层的有限元数值模式

大气边界层内的湍流运动是非常复杂的,人们广泛开展数值研究,使用得最多的是差分法.然而,差分法在处理不规则的边界条件时遇到了极大的困难.为了克服这一困难,作者利用有限元方法,从二维定常不可压湍流     

平板上低表面能涂层的水筒减阻研究

在金属表面上涂覆特种涂层,可降低其航行阻力和噪声。人造海豚皮(厚2.5mm)的非各向同性柔性壁有利于层流边界层的转捩延迟,因而在一定的速度范围内有明显的减阻作用。水溶性线型高分子涂层:一是由于涂层表面溶解出来的线型高分子抑制初始剪切涡,吸收压力脉动能量;二是溶胀涂层的柔性效应抑制和吸收压力脉动,减小航行体阻力。而边界层中微气泡可使平板表面摩擦阻力降低60％左右。本文给出具有低表面能的涂层平板模型阻力测量结果。描述了低表面能涂层的厚度、疏水性和表面粗糙度等特征,考察了涂层表面湍流边界层和层流边界层延迟转捩减阻的可能性。     

受损伴流湍流氢气射流火焰的直接数值模拟

采用直接数值模拟DNS的方法对受损伴流湍流氢气射流火焰进行了数值模拟, 采用16步的氢气燃烧详细化学反应机理, 冷的高速H₂/N₂燃料射流喷入热的低速伴随流, 伴随流由贫燃氢气预混火焰燃烧产生, 温度1045 K, 氧量较低. 化学反应源项由主程序在每一时间步长内动态调用CHEMKIN库函数获得. 计算采用消息传递MPI的并行计算方法, 采用12颗CPU在并行计算机上完成. 作为与实验对比的Faver平均结果由DNS瞬态结果做长时间的统计平均后获得. 火焰中涡结构的卷起以及发展过程均能很好地被捕捉, 可以观察到同旋向涡结构之间的相互吸引和反旋向涡结构之间的相互排斥过程, 伴随射流两侧涡结构彼此复杂的吸引、合并、挤压和撕裂过程, 湍流拟序结构由最初的轴对称模式开始向非对称模式演化. 流场中5.67 ms时刻瞬态的H, OH和H₂O分布, 表征了燃料射流自点燃过程中的详细火焰结构. 计算中获取的火焰抬升高度为9d ~ 11d, 与实验结果相吻合. 计算发现由OH和H粒子表征的火焰锋面中, 在火焰锋面转角位置, 燃烧过程得到强化, 可能与火焰面的拉伸以及较长的停留时间有关. 从湍流强度的分布曲线来看, 火焰的传播应该是从两侧向中心发展的. 这里的DNS结果可以作为今后发展更准确通用湍流燃烧模型的参考.     

带挡板圆柱可压缩绕流的大涡模拟

采用大涡模拟方法数值研究了来流马赫数为0.75、雷诺数为2×105的带挡板圆柱可压缩绕流.由于带挡板圆柱绕流的被动控制,与圆柱相比,带挡板圆柱的阻力减小了33%,升力系数的振荡几乎被完全抑制.在此类流动中,由剪切效应引起的减阻大于可压缩效应的影响.通过分析挡板的被动控制机理,我们发现抑制剪切层的失稳可以提高柱体的背压,这与柱体减阻和升力系数振荡抑制密切相关.通过分析沿剪切层的对流马赫数和自激振荡现象,发现在可压缩效应和高频力效应共同作用下,带挡板圆柱的剪切层失稳得到了抑制.     

机翼平面形状对前缘涡的影响

在水槽中进行了低雷诺数下切尖小展弦比机翼(展长/根弦长=1.0)流动显示实验. 结果表明, 后掠角显著影响机翼前缘涡的形成和发展. 对于后掠角Λ=0°的机翼, 其绕流主要结构为横向涡. 对于Λ ≥ 26°的机翼, 在一定的攻角范围内都存在双前缘涡结构, 进一步说明双前缘涡结构是小后掠角机翼低雷诺数绕流特有的流动结构. 模型后掠角为26°和45°时, 双前缘涡存在的攻角范围很窄. 对于Λ ≥ 56°的机翼, 存在双前缘涡结构的攻角范围增大, 相对于外前缘涡, 主前缘涡的破裂位置不仅推迟, 而且相同攻角下破裂位置随着后掠角的增大而推后.     

激波不稳定性效应的k-ε可压缩修正湍流模型

针对高速可压缩湍流流动, 在已有的压力膨胀项和可压缩耗散率的可压缩性修正湍流模型基础上, 引入激波不稳定效应修正, 发展了一个新的可压缩性修正k-ε湍流模型. 新模型采用抑制湍流动能和耗散率方程中湍流动能产生项的方法模化激波不稳定性效应, 压力膨胀项和可压缩耗散率的可压缩性修正采用广泛使用的Sarkar修正模型. 新模型物理意义明确, 形式简单, 可适用于超声速复杂湍流流动. 对自由流动中超声速混合层和复杂的超声速横侧射流干扰流场的多个工况进行计算分析以及与实验结果的比较, 表明本文发展的k-ε模型能抑制过大的湍流动能增长, 预测结果显著优于标准k-ε模型. 对超声速混合层流动, 新模型准确预测到了混合层增长速率随对流马赫数增加而减小的趋势, 与实验结果符合地较好. 对复杂横侧射流干扰流场中的分离流动, 激波不稳定性修正抑制激波区域过大的湍流动能增长, 计算出较宽的激波区域, 从而显著改善了对强分离流动的预测结果. 流体分离越强, 修正模型效果越明显, 即使在强分离情况下, 新模型的预测结果也与实验结果较好吻合.     

激波不稳定性效应的k-ε可压缩修正湍流模型

针对高速可压缩湍流流动,在已有的压力膨胀项和可压缩耗散率的可压缩性修正湍流模型基础上,引入激波不稳定效应修正,发展了一个新的可压缩性修正k-ε湍流模型.新模型采用抑制湍流动能和耗散率方程中湍流动能产生项的方法模化激波不稳定性效应,压力膨胀项和可压缩耗散率的可压缩性修正采用广泛使用的Sarkar修正模型.新模型物理意义明确,形式简单,可适用于超声速复杂湍流流动.对自由流动中超声速混合层和复杂的超声速横侧射流干扰流场的多个工况进行计算分析以及与实验结果的比较,表明本文发展的k-ε模型能抑制过大的湍流动能增长,预测结果显著优于标准k-ε模型.对超声速混合层流动,新模型准确预测到了混合层增长速率随对流马赫数增加而减小的趋势,与实验结果符合地较好.对复杂横侧射流干扰流场中的分离流动,激波不稳定性修正抑制激波区域过大的湍流动能增长,计算出较宽的激波区域,从而显著改善了对强分离流动的预测结果.流体分离越强,修正模型效果越明显,即使在强分离情况下,新模型的预测结果也与实验结果较好吻合。     

气固两相流动中颗粒扩散的转捩现象

不引入任何湍流模型, 采用有限容积方法对三维气固两相湍流射流进行了直接数值模拟, 着重考察湍流结构的转捩行为对不同Stokes数颗粒扩散的影响. 为了得到高精度的结果, 同时降低计算量和存储量, 对气相流体控制方程组的求解采用分步投影算法, 对时间积分采用低存储、三阶精度的Runge-Kutta积分格式; 对颗粒控制方程的求解在拉格朗日框架中进行. 流场的统计结果与相关的实验数据吻合良好, 证实了数值算法的可靠性. 对颗粒扩散的研究发现, 展向涡结构对颗粒扩散的影响比较突出. 而在流场的演化过程中, 观察到颗粒扩散的新行为, 即中、小Stokes数的颗粒在流场中的分布出现了 “转捩”现象.     

集合预报最优初值形成的四维变分同化方法

提出一种利用四维变分同化方法吸纳ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法具有明确统计意义的特点和滞后平均预报法包含多时刻初值信息的长处,来形成一组与动力模式相协调的集合预报初值的方法,以克服初值由ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法或滞后平均预报法形成的不足,改善集合预报效果,在已建立的Ｔ４２谱模式四维分同化系统基础上,对６组个例分别进行了控制,对比数值试验,结果表明,由四维变分同化方法形成集合预报初值的预报效果旬尺度上要好于滞     

一个新的考虑流线曲率修正的两方程湍流模式

自70年代前期Launder等基于唯象理论提出了广泛采用的K-ε两方程模式以来,湍流模式在解决自然界和工程实际中的流动问题发挥了重要作用.在可以预见的将来,两方程湍流模式在工程湍流计算中仍将继续扮演重要角色.Launder等人的模式人们通常称之为标准的K-ε两方程湍流模式,它适用于预测简单的各向同性湍流问题.为了使该模式能适用于复杂湍流如分离流的计算,人们对其进行了不同形式的修正.本文借鉴Leschziner与