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.     

三维不可压缩均匀各向同性湍流一维能谱

基于三维不可压缩均匀各向同性湍流的Karman—Howarth方程的精确解,详细讨论了对应一维能谱的动力学行为．特别关注的是在何种自变量函数的标度下,可以得到理论与实验相接近的对比结果．给出的理论预测结论与实验数据（Comte—Bellot和Corrsin,1971）,至少在低湍流Reynolds数下具有较好的一致性．     

均匀各向同性湍流中标量耗散的动力学特性

采用直接数值模拟方法,对具有平均标量梯度的被动标量场在稳定均匀各向同性湍流中耗散的动力学特性进行了研究(计算Reλ为25和48,Pr数从0.3-4.0).结果表明,标量耗散的形成主要是由于标量梯度同流场的应变张量压缩主轴耦合的结果,而涡量对标量梯度的形成只有较弱的影响,然而它可以产生与平均标量梯度方向相反的标量梯度,来抵消在大尺度上施加的平均标量梯度的影响,同时通过破坏标量梯度与应变张量之间的耦合来抑制大强度标量耗散的产生.借助于不变量理论发现,高强度的标量耗散主要产生在拓扑结构为unstable node/saddle/saddle流形区域,其对应的应变张量的特征值两个为正,一个为负;由于涡管的感生作用,也有少许中等强度的标量耗散位于流形为stable focus/stretching的区域.     

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.     

均匀各向同性湍流中标量耗散的动力学特性

采用直接数值模拟方法，对具有平均标量梯度的被动标量场在稳定均匀各向同性湍流中耗散的动力学特性进行了研究(计算Reλ 为25和48, Pr数从0.3—4.0).结果表明，标量耗散的形成主要是由于标量梯度同流场的应变张量压缩主轴耦合的结果，而涡量对标量梯度的形成只有较弱的影响，然而它可以产生与平均标量梯度方向相反的标量梯度，来抵消在大尺度上施加的平均标量梯度的影响，同时通过破坏标量梯度与应变张量之间的耦合来抑制大强度标量耗散的产生. 借助于不变量理论发现，高强度的标量耗散主要产生在拓扑结构为unstable nodesaddlesaddle流形区域，其对应的应变张量的特征值两个为正,一个为负；由于涡管的感生作用,也有少许中等强度的标量耗散位于流形为stable focusstretching的区域.     

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。     

离心泵内部湍流的大涡模拟研究

应用不可压缩流体N-s控制方程和大涡模拟动态亚格子湍流模型,基于非结构网格和滑移网格技术,采用SIMPLEC算法实现速度、压力变量的分离求解,得到了某新型离心泵从进口到出口的全流道各过流部件的速度场和压力场分布.数值模拟结果与试验数据结果吻合较好,可为泵的优化设计提供有益的参考.     

Multiscales and cascading in isotropic turbulence

The explicit mapping method is used to analyze the nonlinear dynamical behavior for cascade in isotropic turbulence. This deductive scale analysis is shown to provide the first visual evidence of the celebrated Richardson-Kolmogorv cascade, and reveals in particular its multiscale character based on the statistical solutions of Navier-Stokes equations. The results also indicate that the energy cascading process has remarkable similarities with the deterministic construction rules of the logistic map. Cascade of period-doubling bifurcations have been seen in this isotropic turbulent system that exhibit chaotic behavior. The cascade appears as an infinite sequence of period-doubling bifurcations.     

颗粒对各向同性湍流中温度场的影响

为考察各颗粒参数对颗粒与气相温度场间相互作用的影响,对非等温气固两相各向同性湍流进行直接数值模拟.结果表明,在具有温度梯度的各向同性湍流中,加大颗粒质量载荷可使气相温度脉动强度和温度耗散率单调递减,加大颗粒质量载荷和颗粒比热均可使温度场的概率密度函数明显偏离高斯分布.     

城市雨水口流场及紊动特性试验研究

基于具有上下两层结构的城市洪水综合试验平台,使用三维超声多普勒流速仪(ADV)测量较大水深条件下雨水口周边流速与紊动强度的三维分布.试验结果表明:当来流水深较大时雨水口中心会出现一地漏漩涡,来流与漩涡共同作用引起雨水口周边流速显著增加.漩涡中心处流速相对较大且流速纵向分量与来流方向相同侧平均流速大于相反侧,各试验工况条件下最大流速均位于雨水口下游边缘附近.雨水口引起的漩涡增大了水体的紊动强度,紊动强度的平面分布与流速平面分布较为类似,工况2条件下平均湍流动能由水槽进口处0.004m2/s2增加至雨水口下游边缘处0.145m2/s2.水体剧烈的紊动效应使底床摩阻的影响相对减弱,流速沿垂线呈常数型和线性型分布,不符合明渠水流对数型的分布特征.     

预混火焰面附近的湍流特性测量

为考察预混火焰面附近的湍流特性,以及湍流与化学反应相互作用的机理,采用激光多普勒技术(laser Doppleranem ometry,LDA)对本生火焰和V型火焰的流场进行了诊断。分别通过固体粉末和雾化硅油液滴进行无条件和条件示踪,研究了全场及反应物来流的流动特性。无条件示踪的测量结果表明,火焰区的流场存在湍流度迅速增大然后衰减的现象,而速度的测值呈现双峰分布。条件示踪测量结果表明,在火焰区内反应物来流的流动特性并没有发生明显的改变。在剪切流场中,火焰面的脉动和皱褶不显著影响上游反应物的流动特性。     

预混火焰面附近的湍流特性测量

为考察预混火焰面附近的湍流特性,以及湍流与化学反应相互作用的机理,采用激光多普勒技术(laser Doppler anemometry,LDA)对本生火焰和V型火焰的流场进行了诊断。分别通过固体粉末和雾化硅油液滴进行无条件和条件示踪,研究了全场及反应物来流的流动特性。无条件示踪的测量结果表明,火焰区的流场存在湍流度迅速增大然后衰减的现象,而速度的测值呈现双峰分布。条件示踪测量结果表明,在火焰区内反应物来流的流动特性并没有发生明显的改变。在剪切流场中,火焰面的脉动和皱褶不显著影响上游反应物的流动特性。     

气固两相圆湍射流中湍流调制的数值模拟

对空间发展的气固两相圆湍射流进行了双向耦合的大涡模拟,系统地给出了不同颗粒尺寸和不同气载比时颗粒相对气相圆湍射流的调制规律.结果表明: 在下游区域,所有尺寸的颗粒均使气相湍流削弱,而在上游区域,颗粒对气相的调制存在临界尺寸.该临界尺寸随颗粒材料密度的增加而减少,而气载比的增加会加剧颗粒对气相的调制程度.     

顺直微弯型分汊河道水流的紊动特性试验研究

对顺直微弯型分汊河道的水流紊动特性进行了试验研究,构建了分汊河道的物理模型试验系统,探究了在不同汊道宽度比和上游来流量条件下,水流在分汊河道沿程不同断面的紊动能分布特征.试验结果表明:在平面上,水流紊动最为剧烈的区域发生在支汊进口段凹岸的回流区与凸岸的高流速区之间的过渡地带,表、中、底3层的高紊动区的强度和范围以中层为...     

Flow patterns and dissipation of turbulent kinetic energy in near-wall turbulence

It is disclosed the flow patterns of turbulent flows in near wall region by means of topological analysis. It has found that there exists a close relationship between the topological characteristics and the spikes which are dominated by the strong normal velocity fluctuations near the wall. It is also shown that the dissipation of turbulent kinetic energy is closely related to the spike events.     

Elastic turbulence in a polymer solution flow

Turbulence is a ubiquitous phenomenon that is not fully understood. It is known that the flow of a simple, newtonian fluid is likely to be turbulent when the Reynolds number is large (typically when the velocity is high, the viscosity is low and the size of the tank is large). In contrast, viscoelastic fluids such as solutions of flexible long-chain polymers have nonlinear mechanical properties and therefore may be expected to behave differently. Here we observe experimentally that the flow of a sufficiently elastic polymer solution can become irregular even at low velocity, high viscosity and in a small tank. The fluid motion is excited in a broad range of spatial and temporal scales, and we observe an increase in the flow resistance by a factor of about twenty. Although the Reynolds number may be arbitrarily low, the observed flow has all the main features of developed turbulence. A comparable state of turbulent flow for a newtonian fluid in a pipe would have a Reynolds number as high as 10(5) (refs 1, 2). The low Reynolds number or 'elastic' turbulence that we observe is accompanied by significant stretching of the polymer molecules, resulting in an increase in the elastic stresses of up to two orders of magnitude.