大涡模拟理论及其应用综述

对大涡模拟(Large Eddy Simulation-LES)理论的发展过程、基本理论及其应用现状和前景进行了系统的论述,并概要地介绍了运用LES理论,数值模拟方柱绕流的流动分离现象和动量射流与线性波相互作用的数值模拟成果,表明了LES理论对紊流细部结构具有较强的数值模拟能力。可望用以解决大量的工程实际问题。     

方柱绕流的大涡模拟

采用物理分步法对方柱绕流的流动分离现象进行了大涡模拟(LES).物理分步法将N-S方程剖分为对流、扩散及波动过程,对不同的物理过程分别采用适宜的方法进行求解.对流过程采用逆风——中心差分格式求解;扩散过程采用中心差分格式求解;压力方程采用SOR迭代法求解.计算的方柱四周的平均压力系数的分布与物理模型试验结果吻合良好;模拟的流动现象也得到了物理模型试验的证实.     

矩形射流流动的大涡模拟

为探讨矩形射流中的拟序运动特征,用大涡模拟方法(LES)对三维矩形射流流动过程进行了数值模拟。统计平均的流向速度横向分布曲线在发展区某些位置上呈现"马鞍型"分布,速度峰值偏离中心轴线,与圆射流显著不同,这与已有的实验和直接数值模拟(DNS)结果吻合良好。计算结果表明,在发展区湍流脉动最强,且应力的横向分布不均匀。随着流向距离的增大,速度功率谱(PSD)曲线呈现峰值向低频移动的现象。速度的PSD分布表明:矩形射流中拟序运动主要位于射流的核心区末端和发展区,射流发展区中的拟序运动具有明显的时间准周期性。     

湍流横向射流的大涡模拟及其涡结构特性

采用大涡模拟方法数值模拟了流向和展向椭圆喷嘴的湍流横向射流, 重点研究了其中旋涡结构的产生、发展等动力学演化过程. 结果表明文献中所报道的横向射流基本涡结构, 如反向旋转涡对、前缘涡、后缘涡、悬涡、肾涡、反肾涡等等是分别对应于新发现的横向射流中的基本涡结构——起始于喷嘴的三维拉伸涡环的局部结构, 因此, 在湍流横向射流中真正占主导作用的是拉伸、扭曲、沿展向摆动和沿流向扭动的三维涡环. 研究还发现: 涡环的脱落频率比流场信号分析得到的脉动频率小得多.     

结合大涡模型的等离子射流Lattice Boltzmann模拟

基于一种结合大涡模型的Lattice Boltzmann方法对等离子体射流湍流流动状态进行模拟，并将模拟结果与实验结果和其他文献的计算结果进行对比。结果表明，与传统的差分法相比，这种混合Lattice Boltzmann方法收敛速度快，且能获得比较满意的结果。     

不同密度气体射流混合过程的大涡模拟

对不同密度气体在圆管射流情况下的湍流混合过程进行了大涡模拟计算,研究气体密度比对下游气体混合过程的影响.考虑了氦气和二氧化碳分别射入空气中的两种情况,其雷诺数分别为7 000和32 000.计算得到的速度、质量分数等各项参数均与试验结果吻合良好,研究表明在相同的射流动量通量下,低密度射流比高密度射流混合发展得更快.同时验证了变密度射流的准相似性,并分析了其中的相干涡结构.计算研究了CO_2射流在不同射流速度下的湍流场,发现低速射流相比于高速射流具有更高的混合速率.     

湍流横向射流大涡模拟及大尺度结构的涡环模型

采用大涡模拟方法数值模拟了流向椭圆喷嘴的湍流横向射流,重点研究其旋涡结构的产生、发展等动力学演化过程．结果表明：文献中所报道的横向射流基本涡结构,如反向旋转涡对、前缘涡、后缘涡、悬涡、肾涡、反肾涡等并非独立的物理实体,而是分别对应于新发现的横向射流基本涡结构——起始于喷嘴的三维拉伸涡环的局部结构．     

脉冲防暴水炮出口段射流的大涡模拟

为优化装备设计,减少实验投入,采用大涡模拟方法耦合二维非稳态VOF模型对脉冲防暴水炮发射管内及出口段的气液两相射流进行了数值模拟研究.通过搭建实验台对脉冲防暴水炮出口段射流进行了高速摄影实验,并利用高速图像记录系统自带的判读软件对射流出口段的速度值进行了判读,实验所得的射流形状及速度与仿真结果吻合较好.利用仿真方案进行变运动参数的数值模拟,结果表明:初始压力对出口速度影响较大,而初始射角对出口速度大小没有影响,因改变了初始射流方向,导致最大射程有所变化.研究表明较大的初始压力和较小的水量能获得更大的射流出口速度和更少的水炮发射时间.     

气固两相圆湍射流流动的大涡模拟

针对气固圆湍射流流动采用基于双向耦合的大涡模拟方法进行了模拟,研究了直径为105μm的颗粒的存在对圆湍射流的影响。单相流动的预报结果在射流形态以及时均速度和湍流强度等统计结果方面均与实验结果符合良好。两相流动的时均速度和湍流强度等统计结果与实验结果符合较好,与单相流动的模拟结果相比,105μm的颗粒加入流场后,由于其较快的响应特征起到了阻尼作用,从而降低了气相场的湍流强度。     

入口扰动对圆湍射流流动大涡模拟预报的影响

运用大涡模拟方法分别对不加扰动和加扰动的圆湍射流流动进行了数值模拟,比较了两者在大尺度涡结构的演化过程以及时均速度和湍流强度等统计结果方面的预报差异,并与实验结果进行了对照。模拟结果表明,施加了入口扰动的模拟结果在物理真实性方面和统计结果的准确性方面均要明显优于未加扰动的模拟结果。分析了不加扰动和加扰动模拟的本质差异,指出准确预报实际圆湍射流流动应采用施加入口扰动的三维模拟。     

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.     

Large-eddy simulation of the compressible flow past a tabbed cylinder

The compressible flow past a tabbed cylinder has been studied numerically using large-eddy simulation for a free-stream Mach number M∞=0.75 and a Reynolds number based on the diameter Re=2×105. Because of the passive control of the flow past a tabbed cylinder, the mean drag coefficient of tabbed cylinder is less than that of a corresponding circular cylinder with a drag reduction up to 33%. The fluctuating lift coefficient is greatly suppressed to be nearly zero. Drag reduction due to the shearing process prevails over that due to the compressing process in this flow. Through investigating the mechanisms relevant to passive control of the tab, it is found that suppression of the shear layer instability can lead to a higher-base-pressure distribution, which can reasonably be associated with drag reduction and suppression of the lift fluctuations. The analysis of convective Mach number and self-sustained oscillations phenomenon inside the shear layers indicates that both the compressible effect and high-frequency forcing result in suppression of the shear layer instability of tabbed cylinder.     

平面自由湍射流拟序结构的大涡模拟研究

对空间发展的平面不可压缩湍射流拟序结构的非定常演化过程进行了大涡模拟。采用标志物浓度等值线分布示踪平面射流气相流动 ,Reynolds数为 1130 0 ,模拟结果再现了平面射流中 Kelvin- Helm holtz不稳定性的发生以及展向大尺度涡的卷起、合并、破碎过程。捕获到了射流拟序结构剧烈相互作用的“偶极子”和“三极子”现象。在拟序结构的配对过程中 ,大尺度旋涡的尾迹混合形成了流向“发卡”型拟序涡结构。平面射流拟序结构的时空演化过程所呈现出的卡门涡街特征主要集中于初始段的后部和过渡段的前端。数值流场显示结果和染线法的实验结果吻合得很好     

气固流动大涡模拟和两相湍流模型的评价

用基于气体Smagorinsky亚网格应力模型和颗粒动力论模型的双流体大涡模拟(LES)以及统一二阶矩两相湍流模型(USM-RANS),对轴对称突扩气固流动进行了数值模拟。结果表明:LES模拟的颗粒轴向平均速度和均方根脉动速度,以及USM-RANS计算得到的模拟结果都与实验结果吻合较好。LES得到的颗粒-气体轴向脉动速度关联值比USM-RANS模拟值更接近实验值,这表明USM-RANS模拟还有改进余地,并基本上得到了LES的验证。LES的瞬态模拟能显示气固湍流流动的各向异性两相湍流结构和颗粒弥散的发展过程,而USM-RANS无法实现。     

两种亚网格湍流模型的旋流扩散火焰大涡模拟

为研究旋流火焰结构,采用二阶矩亚网格(SOM-SGS)燃烧模型及Smagorinsky-Lilly和K方程亚网格湍流模型,对美国Sandia国家实验室测量的旋流火焰进行了大涡模拟,得到了与燃烧场速度、温度和温度脉动实测值相吻合的模拟结果。预报的瞬时温度分布云图与实际火焰的形状很相似。K方程亚网格湍流模型预报的瞬时温度分布比Smagorinsky-Lilly模型的预报结果更接近实际。燃烧火焰基本上位于回流区所在的位置,火焰在回流区被稳定。     

两种亚网格湍流模型的旋流扩散火焰大涡模拟

为研究旋流火焰结构,采用二阶矩亚网格(SOM-SGS)燃烧模型及Smagorinsky-Lilly和K方程亚网格湍流模型,对美国Sandia国家实验室测量的旋流火焰进行了大涡模拟,得到了与燃烧场速度、温度和温度脉动实测值相吻合的模拟结果。预报的瞬时温度分布云图与实际火焰的形状很相似。K方程亚网格湍流模型预报的瞬时温度分布比Smagorinsky-Lilly模型的预报结果更接近实际。燃烧火焰基本上位于回流区所在的位置,火焰在回流区被稳定。     

Gigantic jets between a thundercloud and the ionosphere

Transient luminous events in the atmosphere, such as lighting-induced sprites and upwardly discharging blue jets, were discovered recently in the region between thunderclouds and the ionosphere. In the conventional picture, the main components of Earth's global electric circuit include thunderstorms, the conducting ionosphere, the downward fair-weather currents and the conducting Earth. Thunderstorms serve as one of the generators that drive current upward from cloud tops to the ionosphere, where the electric potential is hundreds of kilovolts higher than Earth's surface. It has not been clear, however, whether all the important components of the global circuit have even been identified. Here we report observations of five gigantic jets that establish a direct link between a thundercloud (altitude approximately 16 km) and the ionosphere at 90 km elevation. Extremely-low-frequency radio waves in four events were detected, while no cloud-to-ground lightning was observed to trigger these events. Our result indicates that the extremely-low-frequency waves were generated by negative cloud-to-ionosphere discharges, which would reduce the electrical potential between ionosphere and ground. Therefore, the conventional picture of the global electric circuit needs to be modified to include the contributions of gigantic jets and possibly sprites.     

T型管道冷热流体混合过程中速度波动大涡模拟

T型管道中的冷热流体混合湍动效应,必将导致流体的速度波动,这是诱发管道热疲劳的流动本质原因.为了揭示这一原因,对T型管道中主管为热流体和支管为冷流体的混合过程进行了大涡模拟,对比分析了某一截面位置上的时均速度和均方根速度的实验值与模拟值.实验值与模拟值吻合良好,说明大涡模拟能够准确地预测混合过程的时均速度和速度波动.数值结果表明,x和z方向的时均速度和均方根速度沿z方向具有随着x/db的增大而趋于平稳、随y/db的增大而减小的总体趋势.     

波流环境中多孔射流三维数值模拟

建立了波流环境中多孔射流的三维大涡数学模型,探讨了波流共同作用下多孔射流的扩散和稀释机制,分析了孔间距对双孔射流、射流与环境水体相互作用的影响,并给出了最优相对孔间距。模拟结果表明：在波谷相位时刻,由于横流与波浪相互作用强烈,流场内的三维涡旋结构丰富、尺度较大、数目众多,有利于射流与环境水体、射流与射流之间的掺混,这是波流环境比单一横流环境中多孔射流运动扩散效果更佳的主要原因;随着孔间距的增大,双孔射流之间的相互作用慢慢削弱,而射流与环境水体之间的相互作用却在不断增强;双孔射流在孔间距为7.0倍管口直径时扩散效果最好。