平面自由湍射流拟序结构的大涡模拟研究

对空间发展的平面不可压缩湍射流拟序结构的非定常演化过程进行了大涡模拟。采用标志物浓度等值线分布示踪平面射流气相流动 ,Reynolds数为 1130 0 ,模拟结果再现了平面射流中 Kelvin- Helm holtz不稳定性的发生以及展向大尺度涡的卷起、合并、破碎过程。捕获到了射流拟序结构剧烈相互作用的“偶极子”和“三极子”现象。在拟序结构的配对过程中 ,大尺度旋涡的尾迹混合形成了流向“发卡”型拟序涡结构。平面射流拟序结构的时空演化过程所呈现出的卡门涡街特征主要集中于初始段的后部和过渡段的前端。数值流场显示结果和染线法的实验结果吻合得很好     

平面射流拟序结构的离散涡模拟

采用离散涡方法对平面射流流场进行了数值模拟。显示了平面射流中的大尺度涡结构的卷起、旋转和合并过程,模拟结果揭示了平面射流中的大尺度拟序结构的时空演化特征和发展变化规律。得到了定点的瞬时速度和流场的时均速度分布,时均速度场的计算结果和实验值吻合,瞬时速度分布揭示了平面射流拟序结构的非定常、不稳定的非线性特征。     

湍流横向射流的大涡模拟及其涡结构特性

采用大涡模拟方法数值模拟了流向和展向椭圆喷嘴的湍流横向射流, 重点研究了其中旋涡结构的产生、发展等动力学演化过程. 结果表明文献中所报道的横向射流基本涡结构, 如反向旋转涡对、前缘涡、后缘涡、悬涡、肾涡、反肾涡等等是分别对应于新发现的横向射流中的基本涡结构——起始于喷嘴的三维拉伸涡环的局部结构, 因此, 在湍流横向射流中真正占主导作用的是拉伸、扭曲、沿展向摆动和沿流向扭动的三维涡环. 研究还发现: 涡环的脱落频率比流场信号分析得到的脉动频率小得多.     

湍流横向射流大涡模拟及大尺度结构的涡环模型

采用大涡模拟方法数值模拟了流向椭圆喷嘴的湍流横向射流,重点研究其旋涡结构的产生、发展等动力学演化过程．结果表明：文献中所报道的横向射流基本涡结构,如反向旋转涡对、前缘涡、后缘涡、悬涡、肾涡、反肾涡等并非独立的物理实体,而是分别对应于新发现的横向射流基本涡结构——起始于喷嘴的三维拉伸涡环的局部结构．     

平面湍流射流拟序结构与颗粒的双向耦合作用

运用大涡模拟方法研究了气粒两相平面湍流射流中拟序结构与颗粒间的双向耦合作用。在考虑颗粒相的反作用后，气相运动采用Smagorinsky提出的亚网格尺度模型模拟，颗粒相运动采用Lagrangian方法跟踪。在不同的质量携带率条件下，对Stokes数等于2．5的颗粒，考察了颗粒相对气相流场拟序结构的反作用以及颗粒自身的运动扩散特性，发现了颗粒对流场的反作用存在两面性：低质量携带率的颗粒在流场发展的初期阶段延迟了湍流拟序结构的发展；对于质量携带率较高的情况，在流场发展到一定阶段后则促进了湍流拟序结构的发展，颗粒的扩散反过来也得到了相应的加强，形成了气粒两相间的“共振”。此外，颗粒对流场的反作用随着颗粒质量携带率的增加而增大。     

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.     

矩形射流流动的大涡模拟

为探讨矩形射流中的拟序运动特征,用大涡模拟方法(LES)对三维矩形射流流动过程进行了数值模拟。统计平均的流向速度横向分布曲线在发展区某些位置上呈现"马鞍型"分布,速度峰值偏离中心轴线,与圆射流显著不同,这与已有的实验和直接数值模拟(DNS)结果吻合良好。计算结果表明,在发展区湍流脉动最强,且应力的横向分布不均匀。随着流向距离的增大,速度功率谱(PSD)曲线呈现峰值向低频移动的现象。速度的PSD分布表明:矩形射流中拟序运动主要位于射流的核心区末端和发展区,射流发展区中的拟序运动具有明显的时间准周期性。     

湍流边界层Lagrangian拟序结构的辨识

用时间连续二维PIV测量充分发展湍流边界层,对测量得到的（x,y）平面速度场应用有限时间Lyapunov指数方法辨识Lagrangian拟序结构,发现湍流边界层中的典型Lagrangian拟序结构（LCS）是广义马蹄涡结构,其一端延伸至近壁流区,另一端向外层伸展,在头部具有明显的展向旋转趋势．对从FTLE场中辨识出的LCS的空间形态进行统计分析,发现LCS的倾斜角θ的概率密度分布在近壁区符合t分布,而在外层呈现为双峰分布,其概率峰分别对应马蹄涡的头部和颈部．空间相关分析表明,LCS的平均倾斜角靠沿法向先增加后减小,其数值和变动趋势与瞬时LCS倾斜角θ的均值相同．θ的最可几值在y^＋=100附近达到最大值24°,说明马蹄涡由涡颈过渡到涡头的位置最有可能出现在y^＋=100附近．最后对FTLE场进行了时间一空间相关分析,发现LCS的平均对流速度沿法向的分布在对数区与当地边界层的时均速度型基本一致,说明在湍流边界层中马蹄涡的对流决定了边界层内的流体输运特性．     

平面射流及平面射流火焰中拟序结构的实验研究

在设计和组建了二维平面射流及平面射流燃烧实验系统的基础上 ,对二维平面湍射流流场及平面湍射流燃烧场进行了流场显示实验研究。实验采用烟雾作为示踪粒子 ,由 He- Ne气体激光器产生的激光束经柱面镜后形成片光源实现对流场的照明。实验给出了不同射流伴流速度比下二维平面湍射流的流场显示图像 ,不同的射流发展阶段流场中的大尺度湍流拟序结构的形态及其发展演变情况以及射流燃烧场中湍流拟序结构的形态。实验同时表明 ,在射流燃烧情况下 ,火焰的存在使喷嘴出口处的流动层流化 ,并显著降低初始剪切层的增长     

稳定分层湍流的大涡模拟

稳定分层湍流是大气和海洋流动中常见的自然现象, 是预测大气和海洋流动的重要物理机制. 我们用大涡模拟方法研究稳定分层流体湍流, 以期获得与实际大气和海洋中稳定分层湍流相符的性质. 我们在不同初始条件的流场和不同的流动特征参数（雷诺数Re和弗罗德数Fr）下用大涡模拟方法获得充分发展湍流场. 通过分析湍动能和湍流特征尺度随时间的演化考察稳定分层湍流演化过程; 并通过三维能谱、水平和垂直能谱来检验数值模拟是否和真实大气、海洋中实测结果一致. 研究结果表明, 大涡模拟可以用较少网格数获得和实测一致的稳定分层湍流性质. 不同的初始流场都能演化为湍流, 并且发现演化过程的后期总是内波能量占优势. 研究证实要获得和实测一致的稳定分层湍流的关键是特征参数必须满足一定条件： 特征雷诺数和弗罗德数不一定要和实际大气和海洋中的参数相等, 但是要求雷诺数足够大, 弗罗德数足够小（例如Re〉102, Fr〈0.1）; 特别重要的是组合参数ReFr2必须大于10.     

环球赤道Ω涡环拟序结构

根据地球边界层方程建立的环球赤道Ω涡环拟序结构是全球构造旋流理论的核心和关键太平洋的海底年龄、海底地形、地质构造和环球赤道地震波速剖面，无疑为环球赤道Ω涡环拟序结构的建立及其活动提供了有力的证据这些事实表明，地球自转变化及其激活的热过程和化学过程是全球构造运动的起源     

边界层湍流拟序结构与传热研究进展

本文综述了边界层湍流拟序结构的实验、数值和理论研究，给出了拟序结构研究主要结果，并指出了拟序结构研究中存在的未解决的一些问题及可进一步研究的方向．同时对拟序结构的传热机理研究也进行了总结．     

近壁空泡基于非拟序结构与拟序结构的运动规律

以小粒径的空泡为例，从MORRISON方程出发导出湍流边界层模式的非拟序结构下空泡的近壁区运动方程，且进一步从湍流近壁拟序结构的基本观点出发导出了基于该结构时空泡的近壁区运动方程；对空泡在两种结构下的运动进行了对比分析，结果表明近壁湍流的拟序结构可以认为是空泡对壁面产生剥蚀破坏的水流内部结构主要的因素之一。理论公式导出的空泡相对壁面的人射角度与试验观测到的数据较为吻合。     

二维大涡数值模拟方程及其解法

采用高斯型滤波函数对Navier Stokes方程进行滤波处理 ,并引入亚格子雷诺应力模型推导出了在水力机械内部流场计算中实用的二维大涡模拟方程及其在物理平面和计算平面上的离散形式 ,并介绍了方程的数值解法     

二维方柱绕流阻塞效应的大涡模拟

在均匀流条件下对阻塞比(R)分别为4.2%、10%、16.7%、20%和25%的二维方柱绕流进行了大涡模拟(LES)研究,对比了各工况下柱体的整体气动力和表面风压分布随阻塞比的变化规律,分析了阻塞比对柱体附近区域内流场特性和瞬时涡量的影响.研究表明,当阻塞比由4.2%增大到25%,柱体的平均阻力系数、脉动升力系数和Strouhal数分别增加了27.6%、43.6%和31%.随着阻塞比的增大,侧面及背风面负风压系数的均值绝对值以及脉动值均显著增加,柱体两侧附近流场特性也有明显的变化.在大阻塞比工况中,洞壁附近会生成二次旋涡,并与柱体脱落的旋涡相互掺混.     

近床面风沙流的颗粒拟流体大涡模拟分析

通过气相大涡模拟与基于颗粒动理学理论的颗粒相湍流拟流体模型进行耦合,对近床面风沙气固两相三维运动进行了数值计算。相同来流风速下,对跃移层内沙相速度、沙相浓度及沙粒脉动均方根速度沿近床面高度变化进行了统计分析,对比了模拟参数结果与相关实验值之间的差异。结果表明:所建计算模型能较好地揭示近床面风沙流特性,低沙相浓度运动模拟中2种曵力系数模型计算得到的各个宏观参数统计量趋于一致;跃移层内沙相平均流向速度随近床面高度的增加呈递增趋势,沙相浓度随近床面高度的增加呈递减趋势,沙相流向脉动均方根速度在跃移底层呈现单一峰值状。模拟结果获得了与相关实验结论相类似的变化规律,得出准确选取沙粒碰撞弹性恢复系数是准确揭示沙相速度脉动强弱的关键。     

180°方形弯管中湍流流动的大涡模拟

把大涡模拟应用于复杂几何形状的流域是一个重要研究课题。对１８０°方形弯管中的湍流流动作大涡模拟,以网格节点为中心的交错网格作为离散网格,用有限体积方法和中心差分进行空间离散,用Ａｄａｍｓ－Ｂａｓｈｆｏｒｔｈ格式进行时间离散,用简单的Ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ模型来作为次网格湍流模型。用多重网格方法求解压力方程以提高计算效率。数值模拟结果与实验结果取得了很好的一致。     

不同密度气体射流混合过程的大涡模拟

对不同密度气体在圆管射流情况下的湍流混合过程进行了大涡模拟计算,研究气体密度比对下游气体混合过程的影响.考虑了氦气和二氧化碳分别射入空气中的两种情况,其雷诺数分别为7 000和32 000.计算得到的速度、质量分数等各项参数均与试验结果吻合良好,研究表明在相同的射流动量通量下,低密度射流比高密度射流混合发展得更快.同时验证了变密度射流的准相似性,并分析了其中的相干涡结构.计算研究了CO_2射流在不同射流速度下的湍流场,发现低速射流相比于高速射流具有更高的混合速率.     

湍流强化传热反馈控制机理

对流换热与湍流结构密切相关,运用大涡模拟方法,在湍流流场中进行强化传热反馈控制,分别采用3种反馈控制速度,研究反馈控制对传热的影响机理和效果,并建立目标函数,研究平均强化传热效果．结果表明：在湍流流场中输入适当反馈控制,强化传热效果明显;当劝5．0、10．0和15．0时,努塞尔数最天增幅分别为8．78％、11．17％和14．08％,平均增幅分别为4．80％、6．88％和9．09％;当劝15．0时,y＋=5处流场温度比未输入反馈控制的流场高10℃左右．     

不稳定近地面层湍流的大涡模拟

采用加密网格的大涡模式获取边界层风、温场的高分辨率模拟结果,并据以分析近地面层大气的湍流特性。结果表明,较小的网格尺度使次网格湍流贡献率大为降低,模式计算结果对次网格参数的依赖性减小,边界层整体特征得到更好的反映。同时,模拟出的近地面层通量 廓线关系及湍流速度特征与实际观测结果吻合甚好,表明模式具有反映近地面层平均运动和湍流特性的能力。