平面混合层相干结构的三维演化

应用拟谱方法对N-S方程组进行直接求解,通过模拟时间模式的混合层流动,分析流场二次失稳后涡的配对、合并及撕裂过程,研究三维混合层相干结构的演变特征.     

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。     

喷射器内流场数值分析

为了增加对喷射器内部流场的系统认识,同时为喷射器数学模型的建立和设计提供参考,采用数值分析的方法,研究了喷射器的运行特性及内部流场。研究结果表明,当混合流场中涡的卷吸作用主导混合时,混合层边界可用于表征相的分布范围;可以通过分析湍动能和涡耗散率定性描述喷射器内流场混合层内涡的特性;当压力不匹配度小于1时,高速蒸汽的可压缩性对涡卷起的抑制作用,需要较长的混合区均衡流场,但可压缩性对混合层发展的影响有上限;当压力不匹配度大于1时,喷管出口处的激波可使混合层增长速度变大,使流场在较短的距离内便达到均衡状态,有效缩短喷射器长度。     

湍流分离流中颗粒的扩散机制

后台阶流动包含分离流重要的流动特性, 采取欧拉-拉格朗日耦合算法对后台阶分离流动中颗粒扩散运动进行数值研究. 气相场采取大涡模拟方法, 亚格子模式基于标准的Smagorinsky 模式, 颗粒相运动采取轨道法模拟. 计算所得气相的流向平均速度和平均脉动速度与实验结果吻合较好, 验证了模型和方法的正确性. 基于此, 数值分析后台阶两相流动的特性以及流场涡结构的发展和演化过程. 结果表明: 两相流中颗粒的扩散特性既受到颗粒粒径的影响, 又与颗粒和涡结构的相互作用时间有关. 后台阶流场中增加结构物时, 流场涡结构发生变化, 即与扰动源保持一定距离后, 涡数量增多, 流场中颗粒分布不均匀, 较多颗粒聚集在涡的外缘.     

声激励对圆射流流场结构控制的大涡模拟

为研究声激励对圆射流流场结构的控制作用,采用大涡模拟方法计算相锁定全局声激励下的圆射流(Re=2 020)流场.计算得出的未加激励时射流的优势频率与实验符合得很好.从多角度描述声激励对射流速度场和涡量场的影响,分析流场对声激励响应的频率选择特性.通过速度场的平均值、均方根值,概率密度函数,偏度,峰度,以及动量厚度的分布,显示声激励引起速度场和混合特性的改变.涡量和Q准则揭示流场拟序结构的演化,发现激励控制流场的主导涡结构是希尔球涡.研究表明,声激励是流场控制非常准确和有效的手段,当激励频率在优势频率附近时影响尤其明显,很小的能量输入便可以引起流场结构的显著改变.     

两相流动直接模拟双向速度耦合模型的研究

提出了固粒对流场计算格点扰动速度变化率与流场的特性及固粒所在的位置有关的观点,并对双向耦合模型中的速度耦合模型作了修正,然后将此模型应用于气固两相混合层涡配对的研究中.结果说明,固粒抑制混合层流场的发展,减小了流场的Reynolds应力,小Stokes数的固粒随流体运动,较大Stokes数的固粒离开涡核,向涡边缘聚集,但与单向耦合模型比较,离心的趋势减慢.     

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。     

圆柱尾迹中颗粒运动的直接数值模拟研究

文中首先对圆柱尾迹拟序结构进行直接数值模拟,得到高精度流场后对圆柱尾迹中的运动颗粒进行研究.通过研究不同颗粒St数,流场Reynolds数对颗粒扩散运动的影响来刻画圆柱尾迹中颗粒运动的物理机理.研究表明,由于圆柱尾流独特的涡结构特征,颗粒在圆柱尾迹中的扩散机理主要是决定于吸力作用.     

液固两相平板混合层中涡结构对颗粒沉降的影响

为研究液固两相平面混合层中液相大涡结构对固相颗粒运动与沉降的影响 ,分别用粒径小于 40 μm,粒径 98～ 10 4μm以及粒径 15 4～ 160 μm的玻璃微珠作为固相 ,在上下层流体速度比为 1∶ 2的液相平板混合层中 ,用激光片光源显示了在不同高度释放的固相颗粒通过混合层中大涡结构时的沉降扩散过程 ,并与数值模拟结果相对照。随粒径的不同 ,由于液相大涡的作用使颗粒的运动与沉降表现为明显的 3个特征 :在大涡作用下 ,粒径≤ 40 μm的玻璃微珠基本追随大涡运动 ,在实验区不发生沉降 ;粒径 15 4～ 160 μm的玻璃微珠一边随大涡运动 ,一边沉降 ,在实验区域内最终沉降到槽底 ;而粒径 98～ 10 4μm的玻璃微珠既显示出追随大涡运动又显示出穿透大涡的趋势 ,处于不稳定状态     

单颗粒尾涡特性的大涡模拟

稠密气固两相流中颗粒尾涡的存在对其他颗粒的运动及两相流场结构的影响不可忽略. 本文采用大涡数值模拟的方法研究了气体流过一个100?m颗粒的尾涡特性, 对比计算了在不同颗粒雷诺数Rep下颗粒尾涡的存在对局部气流速度、压力的影响. 结果表明,Rep=100时尾涡影响区域的长度达颗粒粒径的5倍,颗粒前后最大压差达373.48Pa.     

基于旋涡强度方法的冲击射流涡结构研究

该文采用旋涡强度方法对冲击射流涡结构进行了深入研究。首先将粒子成像测速技术(P IV)测量得到的原始流场图片进行相应处理得到原始速度场,再利用b ior5.5双正交小波分析得到消除高频噪声的流场结构;然后对此进行涡量和旋涡强度计算,得到相应的涡量场和旋涡强度场。与涡量方法相比,因旋涡强度方法排除了剪切作用的影响,故可以更有效地分析流场中的涡结构。进而得到了冲击射流中的旋涡强度随压比、冲击距离、喷嘴唇厚等参数的变化规律。     

超音速平面混合层的POD分析

应用本征正交分解（POD）技术对超音速平面混合层直接数值模拟流场进行了分析.比较了POD方法中不同内积形式的特点及其对结果的影响,发现所研究的流动中脉动流场所占的总能量比例非常小,其POD能谱收敛非常缓慢,能量分散在大量模态中.低阶POD模态的形态显示超音速混合层中也含有与低速混合层类似的展向涡系结构和斜结构,只是这些结构所占的能量比例比低速混合层要小得多,并且这些结构的形态相对独立于观察者的运动速度.随着流动维数和对流马赫数的增加,POD能谱进一步变宽,低阶模态的结构也更加复杂,流动更加紊乱。     

双拉格朗日模型模拟气固两相双圆柱绕流

以湍流剪切层中大尺度旋涡结构与颗粒群的相互作用及运动规律为研究对象,提出了一种基于离散涡方法与颗粒碰撞模型相耦合的双拉格朗日气固两相流模型.用次循环调整颗粒运动计算的时间步长,将两相计算耦合在一起,从而解决了离散涡方法求解单相流场与颗粒运动方程的时间相容性问题.首先用颗粒在兰金涡中的运动验证了所提的算法,随后将该方法应用于高雷诺数湍流旋涡结构中的颗粒水平输运过程研究,模拟了圆柱尾迹中颗粒的沉降过程及其被旋涡卷吸、扬起和团聚的过程,说明在有大尺度旋涡存在的流场中颗粒更容易被流体向下游榆运.当来流速度与重力方向一致时,颗粒分布特性受颗粒Stokes数(St)影响.当St小于1时,颗粒响应流场变化的时间短,随St增加颗粒对流场变化的响应变得迟钝,重力所起的作用更加明显;当St远远大于1时,颗粒的分布几乎不受旋涡的影响,而与自由沉降的分布十分接近.     

越南东部海域一个气旋涡的特征分析

为探究越南东部海域中尺度涡的表层特征和垂向结构,基于卫星高度计资料,采用涡旋自动识别方法对该区域一个中尺度涡的演变和移动特征进行分析,同时结合走航调查资料对该涡旋的垂直结构进行了分析。结果表明:该涡旋总体向西北方向移动,其速度不具有一阶斜压罗斯贝波的传播特性;涡旋会造成其内部温度和盐度等值线的抬升,并引起涡内温盐异常,在25~75m深度分别存在温度负异常的"冷核"结构和盐度正异常的"高盐核"结构;与气候态相比,涡旋内部温跃层深度变浅,厚度变小,强度变大;涡旋对上混合层的影响很小,没有造成明显的温盐异常;基于实测流场与由温盐诊断的斜压流场的共同数据可知,涡旋内部流场呈明显气旋式环流,涡中心流速接近0,边缘附近流速最大。     

湍流场中涡线单元的结构分析

与描述湍流速度场的流线管单元[Wang L. On properties of fluid turbulence along streamlines. J Fluid Mech,2010, 648:183–203]的思想类似,为了描述湍流涡矢量场的结构,我们提出了一种新的结构分析方法,即涡线单元,可以用单元尺度和极值点涡量差值来表征.涡线单元与常用的涡管结构的不同可以概括为:涡线单元结构可以定量描述,并且是全空间填充的.在理论上这两个条件是保证我们可以将涡线单元的结构分析与全流场统计规律联系起来的必要前提,帮助理解和重构湍流涡量场.根据直接数值模拟数据,我们研究了涡线单元的统计与结构特性,包括尺度与手性等.根据涡线单元结构可以定量表征精细的条件统计,例如发现涡相关的动力学参数(例如拟涡能耗散率和涡拉伸率)强烈依赖于基于涡线单元结构的条件统计.这样一种结构分析方法为深入研究湍流场提供了新的手段.     

改进的格子涡方法及其在混合层模拟中的应用

在格子涡方法中 ,用网格节点处的流场速度通过插值确定离散涡元速度时 ,往往会导致很大误差 ,为此 ,给出了一种改进的格子涡方法。在该方法中 ,每个时间步开始时 ,离散涡元被置于网格节点上 ,它们以网格节点处的流场速度运动 ,而在该时间步结束时 ,将偏离网格节点位置的离散涡元用涡量再分配的方法重新置于网格节点上 ,这样离散涡元总是以网格节点处的流场速度运动 ,避免了插值及其所导致的误差。对混合层流动的模拟结果表明对格子涡方法的改进是成功的。     

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.     

超声速混合层（Mc=0．5）流动现象的实验观测和计算分析

实验和计算均能获得混合层流动失稳结构的参数,但以往两种研究方法所获结果缺乏对比验证．我们用NPLS（Nano-Based Planar Laser Scattering）流动显示技术和二维DNS方法研究了Mc=0．5（M1=3．5／M2=1．4）的超声速混合层流动．从实验照片测量了混合层流动在无附加扰动和施加谐波扰动下流动结构波长,与二维DNS计算结果差异均在1％以内．两种方法的结果得到了相互验证．实验测量了结构的对流输运速度,证实对于超／超混合层流动,满足Mc,2〈Mc,1关系．实验照片清晰记录了大涡拟序结构的演化过程,如混合层流动的对并和间歇现象．     

气粒湍流流动中考虑重力时颗粒的扩散

对气固两相后台阶流动,利用大涡模拟方法模拟气相场,轨道法模拟颗粒相运动。计算中气相亚格子模式(SGS)采用了标准的Smagorinsky模式。不考虑重力条件,研究了不同入口滑移条件下颗粒的扩散行为,表明颗粒扩散行为与连续相大涡运动行为存在差异。在此基础上深入研究了考虑重力条件时颗粒在流场中的扩散行为。该文工作为在细观框架下进一步研究气固两相相互作用奠定了基础。     

湍流分离流动中的颗粒弥散机制

为了揭示颗粒在湍流分离流动中的弥散机制,采用大涡模拟方法和颗粒轨道模型,对二维后台阶分离流动中颗粒弥散进行了数值模拟研究。研究给出了不同St数的颗粒在流场中的分布以及瞬时大涡与颗粒相互作用规律,表明大尺度涡对颗粒弥散的影响依赖于颗粒的尺寸等参数。不同St数下颗粒瞬时弥散机制不同,共有3种模式:随着颗粒St数的增大顺序表现为大涡作用模式;大涡与离心力作用模式;惯性力作用模式。进一步分析得到了颗粒进入回流区是大涡与颗粒的相互作用以及壁面的存在共同导致的结果。