不同半径比Taylor-Couette湍流的直接数值模拟研究

采用谱方法求解柱坐标系下三维不可压缩流Navier-Stokes方程,直接数值模拟了不同半径比下的同心旋转圆筒间的Taylor-Couette(TC)湍流问题.由于TC湍流是由大尺度Taylor涡和湍流随机脉动的叠加而成,采用周向平均成功识别了TC湍流中的大尺度Taylor涡,并将其诱导的脉动流动与湍流随机脉动分离开来,对比分析了不同半径比下大尺度Taylor涡对脉动强度和湍动能的贡献;同时,通过计算雷诺应力输运方程,研究了半径比对湍动能生成、耗散和再分配等动力学特性的影响.计算结果表明,在小半径比的宽槽TC湍流中,Taylor涡诱导的脉动流相对较弱,湍流随机脉动更为强烈,其对湍流统计特性的影响占优;在大半径比的窄槽TC湍流中,流体脉动特性主要源于Taylor涡的贡献;另外,随着半径比的增大,近外壁面附近流体沿周向剪切作用增强,流场表现出类似于平板Couette流的流动特性.     

连铸结晶器内钢液涡流现象的大涡模拟

为了研究结晶器内钢液涡流现象的形成机理,采用大涡模拟方法对此涡流现象进行模拟。采用相关文献报道的实验结果,对模型进行验证,对水口偏离中心位置和窄面放置挡板两种情况进行非稳态模拟和分析,分析了"湍动涡"和"偏心涡"的形成机理。数值模拟结果表明:"湍动涡"是由于流体本身的脉动所形成的,与水口是否对中没有直接的关系,但钢液在宽面方向的流动影响"湍动涡"的强度;"偏心涡"是由于水口不对中形成的,可以通过调整水口位置来消除。     

三角翼前缘周期性质量引射双前缘脱体涡的影响

本论述了采用周期性质量引射作为激振的手段，在三角翼的前缘施以较弱的次谐波扰动，从而延缓旋涡破碎，研究结果表明：在很小的引射动量系数及低频引射条件下，沿前缘的周期性质量引射会显地推迟体涡的破裂。     

三角翼前缘周期性质量引射对前缘脱体涡的影响

本文论述了采用周期性质量引射作为激振的手段，在三角翼的前缘施以较弱的次谐波扰动，从而延缓旋涡破碎．研究结果表明：在很小的引射动量系数（Ｃμ＝０．００２）及低频引射（ｆｊ＜２Ｈｚ）条件下，沿前缘的周期性质量引射会显著地推迟脱体涡的破裂．在本文条件下最佳激励频率为未受激励的前缘离散脱落涡频率的四分之一．在最佳激励频率下，破裂点后移的幅度可达２０％弦长．     

起旋器产生的涡量场的环量分布特性

在起旋器速度场研究的基础上,论述了平面涡流和柱面涡流的环量分布特性和影响因素,分析了环量分布和涡量分布的关系,得出结论:涡强在靠近管轴线的中心区域变化缓慢,在靠近圆管边壁环量急剧变化;其柱面环量随着离导流叶片距离的变化而变化;导叶片结构参数和布置对涡旋的变化起着主要的作用。研究成果可作为起旋器的设计、旋流输送的研究和计算的参考。     

大方县观音洞波状流痕发育特征及形成机理研究

为探讨岩溶洞穴波状流痕(舌状流痕)的分布特征及形成原因,对观音洞内的波状流痕的形态特征参数进行测量,统计它在纵、横方向上的展布特征,分析洞道形态结构与波状流痕的展布关系;同时,根据地下河水运移规律,探讨波状流痕的形成原因.结果显示:(1)洞底波状流痕较均一,形态差异小于洞壁;(2)洞壁波状流痕在距洞底高1.0～1.2m范围内的流痕深度,较1.2～1.4m和1.4～1.7m这2个高度范围内的深度变化大;(3)洞壁波状流痕的形态特征变化与洞道形态结构有密切联系;(4)岩溶洞穴波状流痕是地下径流过程产生的内波(VI)与梯度流(VT)共同作用的结果.认为地下径流是岩溶洞穴波状流痕的直接动力,洞道结构形态对径流过程产生的内波(VI)与梯度流(VT)的叠加作用的影响,导致波状流痕在洞内的展布特征.     

基于大涡模拟的平屋盖锥形涡数值分析研究

采用大涡模拟(LES)对平屋盖建筑受45°风向角作用下的表面风荷载问题进行了非稳态数值模拟分析.通过与风洞试验结果的对比得出,大涡模拟能较好地捕捉到建筑物顶面出现的锥形涡及其特性.在此基础上,研究了锥形涡作用下建筑物顶面平均风压与脉动风压的分布,以及加设分隔挡板和不同高度的女儿墙对屋面风压分布和旋涡强度的影响.研究结果表明,基于Q准则的旋涡判别法可以较好地识别斜风向下屋面形成的锥形旋涡;在背风区锥形涡与侧面脱体涡相互作用并脱落,其影响将反馈至屋面旋涡上导致屋盖两个锥形涡强度以屋面对角线为轴交替波动,此消彼长;屋面女儿墙的存在使得两个锥形涡之间的间隙变窄,旋涡足迹变阔,且屋面峰值吸力随女儿墙高度的增加而迅速减小.     

方柱绕流的大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法对雷诺数为2.2×104的方柱绕流流场进行了数值模拟.使用非交错网格的有限差分法,分别对准三维物理模型和真实三维物理模型求解不可压N-S方程,将沿流向方向方柱水平中心线上的时均速度的计算结果与实验数据进行了比较,结果表明,三维模型的模拟结果优于准三维模型的模拟结果.比较升力系数和阻力系数发现,与二维模拟(RNG)方法相比, 三维模拟的结果更加接近实验测试数据.     

圆柱体涡激运动的模型试验与数值模拟研究

为研究Spar等圆柱体海洋结构物涡激运动响应,进行圆柱体静水拖曳模型试验与数值模拟研究,测试不同来流速度下六自由度运动,分析圆柱体运动幅值、频率、斯特劳哈尔数和阻力系数等变化特性.研究结果表明:圆柱体运动均方根幅值随着约化速度增加至峰值,然后保持相对稳定;在锁定区域内,横向运动频率锁定在1.1倍固有频率,在锁定区域外,横向运动频率没有跳回固定圆柱泄涡频率而是保持持续增加;圆柱艏摇振幅随约化速度呈波动增加,艏摇频率近似等于同约化速度下的横向振动频率;圆柱阻力系数先缓慢增加,当约化速度大于6.2时,阻力系数保持在2.2左右;初始分支尾涡呈现2S模式,上端分支呈现出2P模式;大涡数值模拟对圆柱体涡激运动的幅值、频率和阻力系数等均有较好的模拟结果.     

轴向磁场作用下平均Taylor涡对湍流脉动的影响

采用基于高精度电流守恒格式的直接数值模拟方法,对轴向磁场作用下导电流体的湍流Taylor-Couette流动进行计算.在等电势边界条件的同心圆筒中,磁场与感生电流引起的反向周向速度分布、以及其对平均流动的影响被揭示出来.采用两种不同的湍流流场平均方法,将湍流中的全部脉动划分为平均流动(Taylor涡)的贡献和湍流的贡献.通过计算不同磁场强度下的湍动能的分布,对比分析轴向磁场对平均Taylor涡流和湍流两种贡献方式的影响.     

并排方柱绕流的大涡数值模拟及显示

采用大涡模拟的方法对雷诺数为7.5×105并排双方柱绕流流场进行了数值模拟,并对所采用的模拟方法进行了实验验证.利用有限体积法和SIMPLE算法计算程式,对双方柱三维物理模型求解不可压缩的N-S方程.计算得到了方柱绕流的速度场和涡量场以及不同时刻的速度分量分布情况.对方柱后速度场、涡旋形成、脱落以及波动性等问题进行了分析,结果符合物理学规律.     

城市大气微环境大涡模拟研究

良好的空气质量是居民生活环境的重要条件之一,大气微环境研究与居民区的空气质量密切相关．大气环境由多尺度的空气运动主宰,而城市居民区空气流动属于微尺度大气流动．介绍城市居民区微尺度大气环境的现代数值方法——大涡数值模拟方法．针对居民小区复杂流动的特点,讨论如何正确应用大涡数值模拟方法,比较不同数值方法对预测城市微环境流动的影响,如：下垫面阻力元法与浸没边界法,亚格子模式的影响等．以模型小区和实际小区为例计算了风场（包括湍流统计特性）,污染物浓度等物理量分布,数值计算结果和模型小区及实际小区的实验测量数据符合良好．     

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.     

深圳大运体育中心行人风环境的大涡模拟

建筑群附近风环境的品质,直接影响地面行人的舒适与安全。以深圳大运体育中心主要建筑为工程对象,采用一种新的湍流脉动流场生成方法(discretizing and synthesizing random flow generation,DSRFG)模拟风场的实际湍流边界条件,基于数值模拟计算软件Fluent,对深圳大运会体育场馆为中心10 km范围内的山体和主要建筑物进行全尺寸大涡模拟计算,得到各风向角下体育中心速度场分布。结合当地气象资料,采用超越阈值概率法对体育场馆周围场地行人风环境进行预测与评估,并对风环境较差地区的成因进行分析并提供改良建议。结果表明:该研究方法可以较准确地预测出建筑群周围风环境分布,并为类似体育场馆设计的合理性以及行人风环境的研究与优化提供有价值的参考。     

基于大涡模拟的螺旋桨梢涡数值分析

为研究螺旋桨的梢涡脱落规律,基于STAR-CCM+软件平台,采用重叠网格技术和大涡模拟方法,通过求解纳维-斯托克斯方程,对螺旋桨的速度场和涡量场进行了详细的研究,并且比较了不同进速系数下螺旋桨梢涡形态的差别.数值研究结果表明:基于正交网格的大涡模拟能够较好地模拟螺旋桨的梢涡形态,低进速系数下螺旋桨的梢涡强度增大并且显得比较紊乱;高进速系数下螺旋桨梢涡则呈现出比较规则的螺旋涡管形状.     

矩形射流中的流向涡分布特性及作用

为研究矩形射流中的流向涡形态及其作用,对矩形射流流动过程进行了三维大涡模拟。计算结果表明在矩形射流的发展区中流向涡才开始逐渐增强,在射流中远场流向涡和展向涡在涡强度、前后涡间距等方面大致相当。与规则匀称的展向涡相比流向涡比较杂乱,在射流的横截面上分布很不均匀,旋向相反的流向涡比邻存在。分析结果表明通过流向涡的旋转运动中心射流和环境流体互相掺混,流体在横截面上不同流向涡之间的游走极大地强化了射流的混合过程。     

侧风影响下的飞机尾流强度消散与涡核运动

利用有利的侧风条件适度缩减尾流间隔以提升空域容量已成为国际空管研究的热点问题之一。在建立了A320机翼尾涡流场上,基于RANS方法采用RKE涡粘模型对雷诺应力项进行二方程封闭,提出利用UDF(用户自定义函数)编程技术分别施加静风、1 m/s、4 m/s、7 m/s 4个不同侧风风场,在"天河一号"超级计算机上开展数值模拟实验。基于试验数据,分析了不同侧风影响下的尾涡下沉运动、涡量衰减、尾涡横向运动、涡心速度等参数的变化规律。结果表明:受到侧风扰动后,尾涡涡量快速上升,其滚转力矩在短时间内迅速增加,尾涡涡心间距快速减小后又迅速反弹分离。在垂直方向上,尾涡反复上下跳跃,呈现出不稳定性,强侧风时的诱导湍流形成的剪切梯度会造成涡核脱落,涡体迸裂进而快速消散。在水平方向上,尾涡会被强侧风快速吹离主航路,有利于缩减所需的尾流间隔、提高机场运行效率。     

基于大涡模拟的航空器近场尾涡分布特性

为研究尾流特性,降低飞机运行风险,基于数值模拟的研究情况,采用大涡模拟的方法,借助ANSYS软件对尾流进行仿真模拟。首先详细介绍了实验方法、主要实验过程以及相关实验依据,随后对A320特定飞机翼型在无风情况下所产生的尾流进行仿真,得到了尾流刚产生阶段的尾涡,根据实验结果,得出了涡核的发展情况,以及尾涡的侧向、纵向、垂直速度分布情况,并得到相关结论:尾涡存在中心,涡核中心侧向速度、垂直速度大,纵向速度小,涡核边缘速度情况相反。结果表明:尾涡上侧侧向传播速度方向与下侧相反,造成尾涡在空间上的扭曲;尾涡左侧垂直速度方向与右侧相反,使得尾涡在空间上形成上洗区与下洗区;涡量越大,黏性越大,尾涡的纵向传播速度受限。为认识、避让尾涡,进一步降低运行风险,提升空域容量提供了科学依据。     

中尺度涡冷暖特征的理论推导

为了从理论上解释中尺度涡旋冷暖性质与涡旋旋转方向的关系,分析了涡旋的几何特征,并依据这些特征做了如下假设:中尺度涡具有对称的几何形态,涡旋中海洋要素沿径向具有线性变化的特征。从原始方程组出发,利用柱坐标系和上述假设条件,略去耗散力,不考虑涡旋切向的变化,并且忽略径向的速度,推导了中尺度涡的冷暖特征,解释了气旋式中尺度涡对应冷涡以及反气旋式中尺度涡对应暖涡等涡旋的运动特点。结果表明,中心对称形式可以作为对中尺度涡的几何特征的一个理想形态近似,在考虑上述假设条件的理想环境下,柱坐标系在研究中尺度涡的几何性质上具有一定的优势。     

可压缩混合层流动的三维大涡模拟

为了加深对复杂流动混合现象的认识,为化工设备设计提供理论基础,用大涡模拟方法对可压缩气体混合层进行了三维数值模拟.计算结果显示了混合层流动的三维瞬态发展过程以及流动过程中涡的产生、生长、破裂以及涡列的形成与各涡的合并过程,揭示了可压混合层三维演变过程中同样具有自相似性,计算结果与实验结果相符.通过对混合层初始状态条件下不同扰动和不同初始速度比的计算表明:随机扰动量对混合层的失稳演变过程影响最大,而大混合层速度比同样可使混合层失稳加剧并提前.