应用于激波/边界层相互作用的非线性与多尺度湍流模式

论文选择近年来有代表性的两个非线性湍流模式和两个双尺度湍流模式，研究二维管道突起跨声速激波/边界层相互作用问题。通过数值计算与实验结果的比较，对有关的非线性湍流模式和双尺度湍流模式进行评估和分析。计算结果表明，非线性模式较好地反映了湍流的各向异性，结果明显优于线性模式；双尺度模式在一定程度上反映了湍流能谱输运的非平衡特征，相对于单尺度线性模式有所改善，但不能反映湍流的各向异性。     

用颗粒相双尺度二阶矩湍流模型模拟突扩两相流动

基于将颗粒脉动分成湍流引起的大尺度脉动和颗粒间碰撞产生的小尺度脉动的概念，应用单相流动多尺度湍流模型方法，从双流体模型出发，推导和封闭了颗粒的双尺度脉动雷诺应力方程、大尺度脉动能量传递率方程、小尺度脉动耗散率方程和两相脉动关联方程，用统一的湍流模型方法构造了包含颗粒两类脉动的新的颗粒双尺度二阶矩两相湍流模型．用该模型对突扩管内的两相流动进行了数值模拟，并和单尺度的二阶矩两相湍流模型进行了比较，计算结果和实验数据吻合较好，比单尺度的二阶矩两相湍流模型的计算结果有所改进．     

基于网格数值耗散修正的圆湍射流模型

基于民用机舱内个性通风口,以圆湍射流作为研究对象,以标准κ-ε湍流模型较精细数值模拟与实验对比结果为出发点,通过对粗网格下数值结果的分析,针对网格尺度增大导致计算中数值耗散相应增大、射流速度沿轴向和径向衰减过快问题,从湍流耗散率方程出发,对影响湍流耗散的生成项和耗散项进行修正,平衡因网格尺度产生流动衰减过快的因素,进而提出了耗散率修正的κ-ε湍流模型.采用该修正模型验证了不同雷诺数和非等温条件下射流的适用性.应用修正的湍流模型可以避免机舱内大尺度空间流动对网格的苛刻要求,明显减少网格总数,同时达到对舱内复杂结构和边界条件下流场特征的正确模拟.     

滤波器湍流模型在空化流动计算中的应用

以绕栅中水翼流动为例,对滤波器湍流模型(FBM)在空化流动计算中的应用方法进行研究.以水翼附近加密区的最大网格尺度为基准,采用了4种不同的滤波器尺寸,结合水洞实验和标准κ-ε模型结果,从空泡形态和阻力预测两方面对滤波器尺寸的影响及其选用方法进行分析.结果表明,滤波函数对翼形尾部空泡脱落区的湍流黏度起到了修正作用,且滤波尺寸越小,修正的幅度越大.考虑到网格对湍流尺度的分辨能力,建议滤波器尺寸取比加密区最大网格尺度稍大的值.     

基于雷诺平均方法的高超音速边界层转捩模拟

基于雷诺平均方法,建立了一种合理反映扰动模态和可压缩性影响的新型k-ω-γ湍流／转捩模式,它由关于间歇因子γ、脉动动能k及其单位耗散率ω的3个输运方程组成．其主要特点为：（i）k包含湍流脉动部分和非湍流脉动部分,且对后者的模化应用了稳定性分析的结果;（ii）γ方程的源项中构造了具有“自动判断转捩起始位置”功能的函数;（iii）构造的新型物面法向长度尺度使该模式的所有表达式均由当地变量构成,可以方便地应用于现代CFD程序之中;（iv）该模式在完全湍流区还原为标准的SST湍流模式．模式在亚音速、超音速和高超音速条件下的边界层流动中进行了验证．计算结果表明,该模式可应用于较宽马赫数范围,所具有的捕捉流动转捩的性能优于国际上的现有模式．     

轴流泵内部流动数值模拟中湍流模式可用性的研究

轴流泵内部流动是复杂的湍流流动.基于RANS方程,采用Standard k ε、RNGk ε和Realizable k ε 3种湍流模型,对ns=1000的模型轴流泵在不同工况下的内部流动进行了三维湍流数值模拟.计算了水泵的扬程和效率,并与试验值进行了对比和分析.计算结果表明,在水泵运行的高效段,3种湍流模型计算扬程的相对误差不大于4%,偏离最优工况时不同湍流模式表现出不同的特性.     

考虑磁场影响的k-ε湍流模型推导及感度分析

针对电磁精炼及电磁连铸过程金属熔液流动现象,确定了磁场作用下导电流体湍流场中脉动电磁力的计算方法·结合Navier Stokes流体运动方程,推导了考虑磁场影响的k ε湍流模型·将修正后的k ε湍流模型应用到流动控制结晶器的流场计算中·结果表明,使用修正的k ε湍流模型计算的湍流动能分布区域缩小,平均流动动量略微变大·使用修正前与修正后的k ε湍流模型计算的速度分布差别较小,但更倾向于抑制湍流的产生·     

幂律流体流流动指数对其湍流流动的影响

考虑到幂律流体的本构关系,结合流动指数的影响,建立了适用幂律流体的Ｎ－Ｓ动量方程和湍流模型方程。采用压力耦合半隐式ＳＩＭＰＬＥ算法,对不同流动指数的幂律流体湍流流动进行了数值计算,计算结果与实验数据比较吻合,对计算结果进行分析后发现,对于不同流体指数的幂律流体,其湍流流动的变分趋势不同,从而揭示了幂律流体的流动指数对其湍流流动有重要的影响。     

管式反应器中交混流场的数值模拟

对管式反应器中的交叉混合流场进行了三维数值模拟,采用分块结构化网格技术以及网络拼接技术实现了适用于复杂形体的分块结构化网格的计算程序,采用修正的ｋ－ε双方程湍流模型描述反应器的湍流流动,用类似ＳＩＭＰＬＥ法对控制方程进行求解,经冷态模拟试验检验,结果令人满意     

修正的PANS模型在云状空化流动计算中的应用评价

将考虑空化流动密度变化的密度函数引入PANS模型,基于实验结果评价了这种修正的PANS模型在云状空化流动计算中的应用.分别采用不同的模型控制参数f_k值,计算了绕Clark-Y型水翼云状空化流动,获得了空穴形态的发展历程、升力系数曲线波动情况,并与实验结果进行了对比.结果表明,修正PANS模型继承了标准PANS模型的特点,即随着f_k值的减小,可以获得流场中越来越丰富的多相湍流流动细节,很好地预测绕翼型云状空化流动的非定常特性;修正PANS模型考虑了空化区域气液混合介质对湍流黏性的影响,可以更全面地描述反向射流作用下空穴的断裂及多尺度空泡团的脱落细节,所得翼型升力系数曲线的波动情况更接近于实验值.      

The experimental study of interaction between shock wave and turbulence

The interaction between shock wave and turbulence has been studied in supersonic turbulent mix layer wind tunnel. The interaction between oblique shock wave and turbulent boundary layer and the influence of large vortex in mix layer on oblique shock wave have been observed by NPLS technique. From NPLS image, not only complex flow structure is observed but also time-dependent supersonic flow visualization is realized. The mechanism of interaction between shock wave and turbulence is discussed based on high quality NPLS image.     

Parametric effects on the combustion flow field of a typical strut-based scramjet combustor

The flame-holding mechanism in hypersonic propulsion technology is the most important factor in prolonging the duration time of hypersonic vehicles.The two-dimensional coupled implicit Reynolds-averaged Navier-Stokes equations,the shear-stress transport k-ω turbulence model and the finite-rate/eddy-dissipation reaction models were used to simulate the combustion flow field of a typical strut-based scramjet combustor.We investigated the effects of the hydrogen-air reaction mechanism and fuel injection temperature and pressure on the parametric distributions in the combustor.The numerical results show qualitative agreement with the experimental data.The hydrogen-air reaction mechanism makes only a slight difference in parametric distributions along the walls of the combustor,and the expansion waves and shock waves exist in the combustor simultaneously.Furthermore,the expansion wave is formed ahead of the shock wave.A transition occurs from the shock wave to the normal shock wave when the injection pressure or temperature increases,and the reaction zone becomes broader.When the injection pressure and temperature both increase,the waves are pushed out of the combustor with subsonic flows.When the waves are generated ahead of the strut,the separation zone is formed in double near the walls of the combustor because of the interaction of the shock wave and the boundary layer.The separation zone becomes smaller and disappears with the disappearance of the shock wave.Because of the horizontal fuel injection,the vorticity is generated near the base face of the strut,and this region is the main origin for turbulent combustion.     

使用PAFV湍流模型对叶栅流动的数值研究

为进一步发展更有效的湍流模型,提高对高负荷跨声速压气机流动的数值计算精度,以侧偏平均脉动速度和应变率张量为基础构造了新的侧偏平均脉动速度(partial average fluctuation velocity, PAFV)湍流模型。在使用Python计算机语言进行编程计算过程中,将流动控制方程在一般曲线坐标系下变换后,采用有限差分方法进行空间离散。方程对流项采用Steger-Warming通量向量分裂法,扩散项采用中心差分格式离散,时间导数项采用具有TVD(total variation diminishing)性质的二阶Runge-Kutta法离散。使用该湍流模型对德国航空航天研究试验院的L030-4叶栅亚声速和超声速流动进行了计算,在进行网格无关性研究基础上,获得了流场压力等值线云图、马赫数等值线云图,压力系数分布等结果。计算显示侧偏平均脉动速度在激波附近区域受到明显抑制,避免了激波附近区域出现过大的湍流黏性。数值计算结果与实验符合比较好,初步验证了PAFV湍流模型可以有效地模拟该类型的叶栅流动。     

A new compressibility modification <Emphasis Type="Italic">k</Emphasis>-ε turbulence model with shock unsteadiness effect

A new compressibility modification k-ε model, including shock unsteadiness effect and the previous compressibility modification of pressure dilatation and dilatational dissipation rate, was developed with a simple formulation for numerical simulation in supersonic complex turbulent flows. The shock unsteadiness effect was modeled by inhibiting turbulent kinetic energy production in the governing equations of turbulent kinetic energy and the turbulent kinetic energy dissipation rate. Sarkar＇s correction models were employed accounting for the dilatational compressibility effects in the new model. Two types of flows, the free supersonic mixing layers and complex supersonic flow with transverse injection were simulated with different flow conditions. Comparisons with experimental data of the free supersonic mixing layers showed that the new compressibility modification k-ε model significantly inhibited the excessive growth of turbulent kinetic energy and improved predictions. On the supersonic mixing layer flows, prediction results with the new model were in close agreement with experimental data, accurately predicting the decreasing trend of the mixing layer spreading rate with the increase of the convective Mach number. Due to the complicated flow field with flow separation, shock unsteadi- ness modification inhibited excessive growth of the turbulent kinetic energy in shock regions and wider shock regions are predicted, thereby significantly improving results of the flow with a strong separation forecast. The flow separation was stronger, which was the primary modification effect of the new model. Predictions accord with experimental results even in strong separation flows.     

超音速风洞扩压器激波串现象的数值模拟

超音速扩压器性能研究具有非常重要的工程实际应用价值。该文为加深对超音速风洞扩压器内流场结构的理解,采用Fluent软件对“收缩段等直段扩张段”型扩压器流场进行了数值计算,较好模拟了扩压器中由激波/边界层干扰诱导的复杂流场的流场特性,再现了流场中的“激波串”和“伪激波”现象,与文献结果吻合较好。并以比较精细的二维网格计算结果对激波串的形成机理和典型流动结构进行了分析,同时应用于实际工程,对某超音速风洞扩压器不同二喉道长度状态下的扩压效率进行了比较。     

Study of interaction between shock wave and unsteady boundary layer

This paper reports theoretical and experimental study of a new type of interaction of a moving shock wave with an unsteady boundary layer. This type of shock wave-boundary layer interaction describes a moving shock wave interaction with an unsteady boundary layer induced by another shock wave and a rarefaction wave. So it is different from the interaction of a stationary shock wave with steady boundary layer, also different from the interaction of a reflected moving shock wave at the end of a shock tube with unsteady boundary layer induced by an incident shock. Geometrical shock dynamics is used for the theoretical analysis of the shock wave-unsteady boundary layer interaction, and a double-driver shock tube with a rarefaction wave bursting diaphragm is used for the experimental investigation in this work.     

湍流相干结构对边界层中标量扩散的影响

在大气边界层风洞和玻璃水槽中进行湍流边界层流动中的标量扩散模拟试验和机理研究．通过流动显示、湍流测量和频谱分析，已表明湍流边界层中的间歇现象在标量扩散过程中起着重要作用．烟雾在大气中的扩散、悬浮污染物质在河流中的扩散都属于湍流边界层中的标量扩散问题．在近源区，标量扩散主要受到各向异性湍流相干结构的影响，结果往往在近源区会出现局部的较高浓度的污染物质．采用流动显示和频谱分析相结合的研究方法，得到了在某些流动条件下的湍流相干结构时间和空间尺度近似值     

一个含地形的二阶矩湍流闭合的大气中尺度数值模式

建立了一个包含地形作用的二阶矩湍流闭合的二维大气中尺度数值模式，该模式不仅具有描述大气边界层及其内湍流结构的能力，而且还能很好地模拟非线性地形波、波破碎观象以及波破碎区内的湍流结构．     

局部高剪切区中小尺度扰动的混沌行为

研究空间局部高剪切区中小尺度扰动随机的物理机制。方法对小尺度运动四波相互作用模型进行数据分析。结果在速度剪切增大到一定程度时,将会出现小尺度扰动的混沌行为,它导致局部高剪切区中湍斑的产生。     

激波卷扬附壁煤尘的湍流模型

本文建立了激波卷扬煤尘的气固湍流边界层方程,其中考虑了气固两相间的耦合效应和气固相湍流效应。模型认为颗粒上扬是激波后气固流动的剪切升力和湍流效应的结果。数值计算结果与文献实验结果较一致。