一种改进的旋转湍流亚格子尺度模型及其应用

基于数学物理分析, 发展了一种新型的满足旋转湍流建模规则(即模型的渐近物性坐标不变性条件)的动力学亚格子尺度应力模型, 并针对展向旋转槽道湍流问题, 计算验证了该模型的正确性. 文中采用大涡模拟方法和该动力学亚格子尺度模型, 进一步研究了展向旋转槽道湍流的统计量和大涡Reynolds应力输运方程主要项的变化特性, 分析了旋转槽道近壁区的湍流拟序结构.     

基于格子玻尔兹曼方法的多型绕流数值模拟

格子玻尔兹曼方法作为一种新颖的计算流体动力学方法,能够模拟多种复杂的流体问题.本文简要介绍了格子玻尔兹曼方法基本理论与它最重要的LBGK模型及其边界条件.应用格子玻尔兹曼方法对6种不同形状的障碍物以及同一障碍物分别在3种不同雷诺数下的绕流进行了数值模拟计算,得到了多种形状障碍物绕流在同一时刻的速率分布和涡量分布;对圆柱绕流在一个脱落周期内的变化进行了分析;对棱柱在不同雷诺数下的绕流速率与涡量分布进行了对比.结果表明,格子玻尔兹曼方法计算稳定可靠,效率高,是计算流体动力学强大的数值模拟方法之一.     

湍流大涡模拟的时空关联方法

本文介绍了湍流大涡模拟的时空关联方法,它用于检验和发展大涡模拟的亚格子尺度模型,其目的是提高大涡模拟方法对于欧拉和拉格朗日时空关联的预测准确度.现在广泛使用的湍流涡黏亚格子模型的理论基础是能量平衡方程,它们能够正确预测湍流的空间能量谱,但不能正确预测湍流的时间能量谱.本文针对大涡模拟的时间尺度问题,从时空耦合的观点出发,综述了作者近年来在时空关联方法方面的研究工作.理论分析和数值模拟结果表明,大涡模拟总是高估湍流的时间尺度,其物理机制是涡黏亚格子模型仅能耗散小尺度能量,但不能反映亚格子涡对大尺度涡的随机反馈作用.小尺度湍流会影响颗粒的聚集程度和相对扩散.建立亚格子湍流的拉格朗日时间尺度模型,为携带颗粒湍流大涡模拟中基于随机微分方程的颗粒相亚格子模型提供封闭参数,并用于颗粒湍流扩散的大涡模拟.     

大涡模拟预报可靠性分析

针对明渠道湍流流动,研究了计算网格、计算域大小、亚格子（SGS）模型和雷诺数等因素对大涡模拟（LES）预报精度的影响。研究表明,即使简单外形的湍流流动,网格尺寸大小及匹配仍较大地影响大涡模拟计算结果,因此具体使用中应予以充分重视。     

基于格子Boltzmann方程的大涡模拟对湍流时空关联性的研究

将格子Boltzmann方程和大涡模拟(LBE-LES)相结合,提出适应于格子Boltzmann方法(LBM)的涡黏性亚格子尺度模型,开展均匀各向同性湍流时空关联性的研究.采用D3Q19格式计算湍流的三维能谱、湍动能耗散率和其它高阶统计量,与实验和直接数值模拟结果的比较表明,该模型比传统涡黏模型有明显改进.考察了不同亚格子模型预测湍流频率波数能量谱的能力,结果表明,尺度涡产生的横扫作用是造成小尺度涡时间去关联的主要因素,不同波数的频率能量谱之间有一定的相似性,横扫速度是描述湍流频率波数能量谱的特征量.     

群体互扰下的风场绕流特性和风压分布分析

研究群体互扰下的风场绕流和风压分布问题.改进了流场模拟大涡模型的亚格子应力的湍动黏度,以改善大涡模型对壁面湍流的描述,在壁面处得到与直接数值模拟(DNS)相近的结果.基于此种改进的大涡湍流模型,在单物体和3个物体绕流情形下,分别选择结构刚性模型和弹性模型开展了流场和风压的数值模拟,得出相应的绕流特性和风压分布并与运用其他湍流模型的计算结果进行对比分析,以验证本文提出的改进技术.同时,计算表明,单物体和3个物体情形下的流场特性和风压分布显著不同.     

基于涡旋强度亚格子应力模型的湍流有旋流动大涡模拟

为了改进大涡模拟方法预测湍流有旋流动的能力,将一种基于涡旋强度构建的亚格子涡粘模型应用于悉尼旋流燃烧器的冷态场大涡模拟中.选取高雷诺数低旋流数和低雷诺数高旋流数两种工况,验证该模型在强剪切且有旋流场大涡模拟中的表现,并与动态Smagorinsky(DSM)模型模拟结果以及实验结果进行比较.模拟结果表明,基于涡旋强度模型(SSM)的大涡模拟结果能够合理预测钝体回流区、二次回流区以及中心射流进动等重要特征,同时速度统计矩结果总体好于DSM模型结果.但在旋流剪切层处二阶矩预测较高,说明SSM模型在剪切层处可能耗散较大,需要改进.     

旋转效应对近壁湍流特性和流场结构的影响

采用大涡模拟方法, 结合非线性动力学亚格子尺度应力模型, 数值计算了轴向旋转圆管湍流问题, 研究了旋转效应对近壁湍流特性和流场结构的影响. 文中基于脉动速度的联合概率密度函数和脉动螺旋度的概率密度函数的变化特性, 发现旋转效应显著地改变了近壁湍流的脉动螺旋度, 有助于流动在周向的进一步失稳, 从而使得周向湍流强度增强. 从大涡Reynolds应力输运方程的分析表明, 旋转效应增强了湍动能的再分配作用, 促进了周向湍流脉动的生成, 改变了近壁区湍流拟序结构, 揭示的物理现象为构造合理的湍流模型提供了必要的信息和物理基础.     

光滑和粗糙明槽湍流流动结构分析

采用大涡模拟方法和Ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ及Ｄｙｎａｍｉｃ亚格子（ＳＧＳ）模拟数值计算了光滑及粗糙明槽湍流运动。以槽高为参考长度和来流平均流速为参考速度的雷诺数分别为３０００、２２８００和１０＾５,数值离散方法为有限体积法,自由面处理使用了简单的刚盖假定,固壁面采用了壁函数。与低雷诺数直接模拟和物理实验结果相比,本文数模呈现了良好的预测结果,也揭示了自由面附近不同于固壁的湍流结构。     

k-ω DES与LES方法在光滑与凹坑球的绕流分析

采用基于剪切应力传输(SST)的k-ω两方程分离涡湍流模型(DES)方法和Smagorinsky-Lily亚格子大涡模拟湍流模型(LES)方法,对粘性不可压缩流体的光滑球与凹坑球体绕流问题进行数值模拟,计算了雷诺数为500,1 000,2 000,5 000四种情况。通过对所得的阻力系数Cd及速度云图等结果的分析及与实验数据的比较,发现两种方法当雷诺数较小时模拟光滑球的结果差异微小,对光滑圆球的模拟都是合理的;随着雷诺数的增大,LES方法与DES模拟光滑球和凹坑球的结果虽然总体特征一致,但是细节有明显差异,LES的结果优于DES的结果。     

亚临界雷诺数下圆柱体尾流结构的数值模拟

在典型亚临界雷诺数下,运用基于Smagorinsky亚格子模型的大涡模拟(LES)方法,对均匀来流作用下的圆柱体绕流问题进行三维数值模拟.通过比较基于时间积分的平均积分分量,验证了数值计算结果的准确性,然后分析了尾流区的流场结构,并给出了平均流场以及湍流流场的流场特征.此外,解释了数值结果与早期试验结果间存在微小差异的原因,同时指出回转长度是尾流结构特性中最重要的特征参数.     

制动工况下液力变矩器大涡模拟流场仿真及可视化试验验证

为了准确地揭示液力变矩器流场时空演化机理,基于计算流体动力学理论,采用5种不同的大涡模拟(LES)亚格子湍流模型(SL、WALE、WMLES、WMLES S-Omega、KET)精细仿真制动工况下液力变矩器三维流场,识别并提取涡轮内部非定常多尺度三维涡结构,籍此分析时空多尺度涡演化特征及其对流场结构演变的影响规律.基于...     

高雷诺数预混湍流火焰的数值模拟与结构表征

高雷诺数湍流预混燃烧是先进发动机高效清洁燃烧中的共性问题.为发展发动机燃烧室工况下的预混燃烧可预测模型,亟需开展高湍流度、宽压力范围内的湍流预混火焰基础研究.本文就近期相关进展进行综述,重点内容包括:(1)主要处于薄反应区预混燃烧模式下的自由传播与射流火焰的直接数值模拟;(2)湍流预混火焰结构演化中的几何与拓扑性质表征方法;(3)预混火焰锋面前后密度与黏度变化对临近流体局部各向异性与小尺度涡结构的影响机理;(4)高雷诺数湍流预混火焰中高拉伸率与差异扩散对燃烧速率和局部熄火的影响;(5)湍流预混燃烧大涡模拟中的亚格子模型.     

矩形通道内具有Rayleigh-Benard对流的湍流换热大涡模拟

基于动态Smagorinsky涡黏模型对矩形通道截面内具有Rayleigh-Benard对流的湍流充分流动和换热问题进行了大涡模拟研究,分析了浮升力对管道截面的平均速度、温度分布以及雷诺应力的影响.湍流雷诺数为400,格拉晓夫数从105变化到107.研究结果表明:随着格拉晓夫数的增大,浮升力增强,通道内平均速度减小;亚格子黏性系数明显增大,湍流强度增强,换热也明显增强;由于浮升力的存在,在高温壁面附近,主流湍动能减小,展向湍流强度大大增强;初始条件对平均速度及温度的分布有一定的影响,但对平均的阻力系数及换热系数没有影响.     

格子玻尔兹曼模拟壁面剪切应力的精度

采用SRT和MRT格子玻尔兹曼模型在反弹和曲线边界条件下模拟了二维斜管中的Poiseuille流,比较了不同斜管倾角、计算网格大小和雷诺数情况下的速度和壁面剪切应力计算误差.结果表明,采用曲线边界条件时,壁面剪切应力值在紧邻壁面的流点处计算精度更高;而采用反弹边界条件,计算壁面剪切应力时考虑到边界楼梯状近似的影响,壁面剪切应力的计算不应该选在离壁面最近的流点上,而应选择离壁面很近但不紧邻边界的流点,同时,MRT模型相对于SRT模型来说模拟结果稍微更精确一些,但没有明显的改进.     

用LBM方法模拟壁面驱动粘性不可压半圆形空腔流

基于格子Boltzmann方法(LBM)数值模拟壁面驱动的粘性不可压半圆形空腔流. 采用具有二阶精度的曲线边界处理方法, 得到了不同雷诺数下的流线图、 涡线图及速度分量沿半圆形中心线的分布. 在小雷诺数的条件下, 流动状态仅由一个涡组成; 随着雷诺数的增加, 出现一个二级涡, 涡的大小与雷诺数有关. 数值结果表明, 格子Boltzmann方法简单有效, 适合处理该问题.     

分离涡模拟k-ε湍流模式及在火灾模拟中的应用

为了构造一种使用较少网格并能获得流动主要特性的湍流计算方法,根据分离涡模拟(detached-eddy simulation,DES)方法的一般性定义,发展了一种基于k-ε两方程湍流模式的DES方法.用该方法代替FDS软件中的亚格子应力模式构造的DES求解器被用来对湍流强迫对流问题和单室火灾问题进行数值模拟.计算结果与大涡模拟的结果和实验数据进行对比.强迫对流问题的计算结果与实验数据吻合得非常好,用较少的网格取得了比使用较多网格的大涡模拟方法更好的结果.用该方法预测的单室火灾问题的速度分布与实验结果非常接近,但是预测的温度分布则较差.这可能是由于该数值方法缺乏较好的湍流燃烧模型所致.     

三维水翼初始梢涡空泡数的尺度效应

针对梢涡流场和初始梢涡空泡数的尺度效应问题,利用大涡模拟(LES)湍流模型对三维水翼的梢涡流场流速进行模拟计算;为减少误差,对梢涡流域网格进行了局部加密处理,对未发生空化时梢涡内的轴向速度和切向速度进行计算.结果表明,LES湍流模型的流场流速计算结果与实验值吻合较好.同时,介绍了经典初始梢涡空泡数尺度效应公式的推导过程,并利用数值计算的速度环量和涡核半径修正尺度效应公式.     

基于大涡模拟方法的风力机气动性能和尾流干扰研究

利用致动线(Actuator Line Method,ALM)和大涡模拟(Large-Eddy Simulation,LES)结合的方法,采用4种亚格子模型,对低湍流度均匀来流中不同转速下两台串列风力机的气动性能和尾流干扰开展数值模拟研究,并探讨了亚格子模型对尾流场模拟的影响.两台风力机功率系数和推力系数,以及尾流场的轴向平均速度和雷诺应力分布的计算结果与实验值基本吻合,验证了ALM-LES方法对风力机尾流研究的可靠性.受上游风力机尾流的影响,下游风力机功率系数和推力系数大幅降低,最大功率系数仅为上游风力机最大功率系数的25%左右.与来流风况的低湍流度相比,风力机尾流场中湍流强度大幅提高.通过不同亚格子模型计算结果的对比分析,得出亚格子模型的选择对风力机气动性能和尾流场湍流特征参数的计算影响较小.     

边界层人工转捩的大涡模拟及壁面脉动压力研究

为了验证边界层人工转捩技术实现船模边界层壁面脉动压力载荷相似的可行性,采用大涡模拟以及功率谱估计获得平板湍流边界层壁面脉动压力功率谱,并与试验值、半经验模型值进行了对比,验证了数值模拟的可靠性。采用大涡模拟获得了绊线上下游壁面脉动压力的均方值、自功率谱和波数频率谱;以脉动压力均方值、自功率谱特征为判据,对比了方形、锯齿形绊线的转捩效果。结果表明:绊线高度雷诺数大于吉宾斯雷诺数;两种绊线均可实现边界层转捩,且壁面脉动压力的功率谱特征、谱级相近;与同流速平板湍流边界层相比,即使在当地雷诺数较低时,绊线下游边界层壁面脉动压力自功率谱平台区仍然高出10 dB左右。设计的绊线可用于减弱船模边界层壁面脉动压力的尺度效应,并有助于实现壁面脉动压力载荷相似。