可压缩尖锥边界层湍流的直接数值模拟

采用高精度差分方法对来流马赫数0．7,来流Reynolds数250000／Inch,锥角为20°的尖锥边界层的整个空间转捩过程进行了直接数值模拟．对流项采用了7阶迎风格式离散,黏性项采用6阶中心格式离散,时间推进为3阶Runge—Kutta方法．对转捩形成的充分发展湍流进行了统计分析,包括平均速度分布,近壁湍流强度和雷诺应力等统计数据与平板边界层理论及实验吻合很好,验证了结果的正确性．显示了近壁湍流的典型拟序结构——高、低速条带结构并根据流向速度的周向相关量确定了条带的间距,以当地壁面尺度度量的条带间距沿流向并没有显著变化．给出了柱坐标下的可压湍动能发展方程,并据此对近壁湍动能的生成、耗散和输运机制进行了分析．     

不同半径比Taylor-Couette湍流的直接数值模拟研究

采用谱方法求解柱坐标系下三维不可压缩流Navier-Stokes方程,直接数值模拟了不同半径比下的同心旋转圆筒间的Taylor-Couette(TC)湍流问题.由于TC湍流是由大尺度Taylor涡和湍流随机脉动的叠加而成,采用周向平均成功识别了TC湍流中的大尺度Taylor涡,并将其诱导的脉动流动与湍流随机脉动分离开来,对比分析了不同半径比下大尺度Taylor涡对脉动强度和湍动能的贡献;同时,通过计算雷诺应力输运方程,研究了半径比对湍动能生成、耗散和再分配等动力学特性的影响.计算结果表明,在小半径比的宽槽TC湍流中,Taylor涡诱导的脉动流相对较弱,湍流随机脉动更为强烈,其对湍流统计特性的影响占优;在大半径比的窄槽TC湍流中,流体脉动特性主要源于Taylor涡的贡献;另外,随着半径比的增大,近外壁面附近流体沿周向剪切作用增强,流场表现出类似于平板Couette流的流动特性.     

球形汇聚-反射激波作用下湍动能方程的模化

球形激波与湍流间的相互作用在惯性约束聚变(ICF)、超新星爆发、冲击波碎石等许多工程问题中有重要意义.本文通过直接数值模拟,研究了球形激波的汇聚与反射诱导的湍流及其相互作用问题,分析了这一流动的特点和湍流的产生机制.重点讨论了该流动的湍动能系综平均方程中各项的作用和起主导作用的物理机制,发现传统的剪切湍流的产生机制和黏性项量级普遍偏小,激波才是诱发湍流的主要因素,因而在湍动能方程中起主导作用.由于激波的主导作用,压力脉动对湍动能方程有重要影响,与压力脉动有关的各个项在湍动能方程中均起重要作用.一些在一般湍流中可以忽略的项,例如质量流量项、压力体胀项等,在球形汇聚-反射激波与湍流相互作用问题中起重要作用.本文还探讨了涡黏性模式的有效性,发现满足可实现性原理的涡黏性模式可以较好地模拟雷诺应力.同时,本文揭示了现有湍动能方程封闭模式在本问题的应用中存在很大误差,并尝试对这些项提出新的封闭模式.     

旋转矩形通道内湍流雷诺应力分析

采用直接数值模拟方法对旋转矩形通道内的湍流流动和换热进行了研究.非稳态N-S方程的空间离散采用二阶中心差分法,时间推进采用二阶显式Adams-Bashforth格式.通过分析近壁湍流雷诺应力输运方程各项的分布以及比较壁面附近湍流生成和耗散强度,讨论了科氏力对湍流脉动的影响.结果表明:系统旋转效应增强了压力面附近的湍流生成、黏性耗散、黏性扩散、湍流扩散及压力应变相关项和压力速度扩散项,而在吸力面附近,雷诺应力输运方程中各项因旋转而受到强烈抑制.     

风环境数值模拟中模拟植被的数学模型与应用

在建筑风环境数值模拟中,植被的影响通常不可忽略,而且流经植被覆盖区的湍流流动非常复杂.为此,采用在动量和湍流输运方程中附加源/汇项的方法,结合粗糙壁面率修正,模拟植被绕流效应.首先基于剪切应力输运(shear-stress transport,SST)k(湍动能)-ω(耗散频率)模型,从理论上推导了湍动能耗散频率ω方程的新的附加源项模型;其次,采用数值模拟方法,以一植被挡风墙试验为例,对该模型进行了验证;最后,将模型应用到一高层建筑群风环境的数值模拟优化设计中.结果表明,该模型可以较准确有效地模拟建筑风环境中的植被效应,因而具有一定的理论和实用参考价值.     

湍流预混射流火焰直接模拟中入口条件的确定

该文对甲烷-空气湍流平面射流预混火焰进行了直接数值模拟。射流入口的扰动速度数据依据给定的湍流能谱生成,利用入口处的湍流积分长度尺度和湍动能确定了能谱的峰值波数。计算结果给出了气体温度、质量分数和涡量模的瞬态分布,表明在剪切层内随着旋涡尺度的增大出现了拟序结构。化学反应受到湍流的作用,瞬时反应面出现了明显的皱折,反应面积增大。沿射流中心线,湍动能逐渐衰减,温度脉动和甲烷质量分数脉动均方根值则逐渐增大。     

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。     

可压缩自由混合层中的输运平衡

为研究可压缩混合层中的输运特性 ,该文采用气动BGK格式模拟了超音速来流条件下的二维平面可压缩混合层的空间发展 ,给出了湍能、雷诺应力和动量输运方程中各项的分布情况。各平衡方程中粘性耗散项和粘性扩散项都很小。湍能主要是通过对流、湍流扩散和压力扩散进行输运 ;切应力输运方程中主要是生成项与压力扩散项和压力 -应变关联项的平衡 ;雷诺应力 (1,1)分量输运方程中以生成项和压力 -应变关联项为主 ;雷诺应力 (2 ,2 )分量输运方程中主要是压力 -应变关联项与湍流扩散项和压力扩散项之间的平衡。     

压缩折角激波-湍流边界层干扰直接数值模拟

进行了来流Mach数2．9,24°压缩折角激波．湍流边界层干扰的直接数值模拟,在上游的平板添加扰动以激发边界层转捩到湍流．计算得到的统计结果与实验吻合,验证了结果的可靠性．分析了角部分离区附近湍能的生成、耗散及分配机制．结果显示角部区域激波与湍流边界层相互作用造成大量湍动能产生,而湍动能的主要耗散区仍在近壁．湍流输运项起到了主要的平衡机制,把湍动能由外层输运到近壁区．通过对激波后及壁面瞬时压力的分析,认为激波低频振荡并非上游扰动弓』起,而是由于分离泡本身不稳定振荡产生的．     

低磁雷诺数不可压缩磁流体湍流的非线性涡黏性k-ω封闭模型

在低磁雷诺数近似下,通过逐项模化湍动能输运方程的磁流体源项,提出一个适于任意的磁场布置形式的非线性涡黏性的磁流体湍流k-ω模型.在该模型中,使用Kenjeres-Hanjalic模型和Song的非线性涡黏性模型分别模化脉动电场-速度相关量及各向异性的雷诺正应力,并采用Wilcox低雷诺数k-ω模型对层流化进行估计.通过与直接数值模拟结果和实验结果比较,表明本文模型给出的速度型误差小于5%,摩擦阻力系数误差小于10%,能够满足工程需要.     

喷射泵湍流场及外特性数值模拟

对于喷射泵湍流场,采用k-ε湍流模型,在不同喷嘴入口流速条件下进行了数值模拟,给出了流场的速度分布、压力分布以及湍动能分布曲线。对流场特性分析表明,湍动能在喷嘴出口处和扩散管初段出现峰值,喷嘴出口处无量纲湍动能峰值位于不同的的径向位置,而扩散管初段的无量纲湍动能峰值则处于同一径向位置上。分析外特性结果表明,湍流场数值模拟结果与理论值吻合较好。最后分析了影响喷射泵的效率的因素,提出了在低流量比范围内的主要因素为流体混合损失,而在高流量比范围内的主要因素为喉管和扩散管摩擦损失。研究结果对进一步数值模拟以及工程应用有指导意义。     

Reynolds应力模型在热分层流场中的应用及优化

对Reynolds应力模型(RSM)在数值模拟热分层流场方面进行了优化,即在Reynolds应力方程和湍动能耗散方程的基础上加入标量通量方程和温度扰动方程,使原来的7方程成为了11方程。优化后的模型可以通过精确计算湍流通量输运方程来求解加热湍流中重要的热浮力项。采用7方程RSM、11方程RSM,并用k-ε湍流模型作为参考,对平板间非稳定热分层流动和模拟池式快堆堆心上方的腔室内受迫对流和热分层之间的混合流动进行数值模拟和比较分析,并将计算结果与现有实验数据相比较。结论是:优化后的11方程RSM比其他的湍流模型更适合于计算各向异性的热分层流动。     

低磁雷诺数不可压缩磁流体槽道湍流电场相关特性的直接数值模拟

对低磁雷诺数近似下不可压缩磁流体槽道湍流进行了直接数值模拟（DNS）,给出了速度-电场、电场-电场相关特性,并与Kenjere-Hanjalic提出的模型（K-H模型）进行了逐项对比.通过K-H模型与DNS所得到的数据对给定外部驱动力、不同磁场布置形式下磁场对湍流抑制作用的机理进行了对比分析.结果表明,K-H模型可以对速度-电场相关项的大部分分量进行合理的预估.通过数值模拟还发现,磁场沿流向及展向布置下湍动能降低的主要机理是耗散性的磁流体源项;而当磁场沿法向布置时,湍动能降低的主要机理是洛仑兹力对底层流动的加速,从而降低雷诺应力,令湍动能方程中生成项减小,导致湍动能减小.     

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.     

深锥型浓密机内部流场特性模拟

应用雷诺应力湍流模型,在网格质量无关性验证基础上对有效容积为4 L的实验室深锥型浓密机内部单相流场特性进行了数值模拟研究,考察了给料流率对速度、剪切强度、湍流强度等特性分布的影响.研究结果表明:浓密机内部速度场基本沿主轴呈对称式分布,并在轴向和径向方向上分别形成上、下分界循环流和交错流;给料流率每增加1.8L/min,轴向速度大约增加0.02m·s^-1;给料井内部流体剪切强度高于其他外部区域,剪切强度与给料流率呈正相关性;给料井内部湍流强度峰值区域位于挡板内环边缘和给料井筒体变径处;1.8L/min的给料流率有助于提高湍动能的耗散;给料流率对配置导流锥的给料井回流率影响较小.     

封冻河道中单排与双排桥墩周围流场的数值模拟

基于计算流体力学软件Fluent,运用多相流理论,建立封冻条件下单排桥墩和双排桥墩对桥墩周围流场影响的三维标准湍流数值模型,研究在封冻条件下不同桥墩直径与不同进口水流流速对桥墩附近水流湍动能的影响。结果表明:水流速度对桥墩周围流场的影响较大,水流速度越大,水流的势能转换为动能越多,桥墩周围的湍动能越大;桥墩直径越大,对河道过流断面的挤压就越大,但是桥墩周围湍动能却越小。相对于双排圆形桥墩条件,单排圆形桥墩条件下桥墩附近的流场紊动更剧烈,因而双排桥墩能有效地保护桥墩。     

可压缩k-ξ湍流模式理论研究

基于Boussinesq涡黏性假设,选取新的第二输运变量,推导出k-ξ湍流模式的可压缩形式。针对可压缩流动的特点以及分离流动的复杂性,在可压缩k-ξ湍流模式的基础上添加应力限制器,通过限制涡黏系数的方式来达到限制湍流剪切应力以及减小湍能增幅的效果。将添加剪切应力限制器的k-ξ可压缩湍流模式用于RAE2822翼型流场数值模拟,结果表明:压力系数及不同截面速度与实验值符合较好,且在分离与掺混的复杂流动区域,修正后的k-ξ湍流模式数值模拟结果优于k-ε模式及k-ω模式。     

大曲率结构化表面湍流流场特性对比研究

湍流模型选择对于小尺寸大曲率圆管内软性磨粒流湍流流场模拟计算具有重要影响.针对此问题,提出使用标准k-ε模型与考虑两相磨粒流平均流动中的旋转及旋流流动情况的重整化群(RNG)k-ε模型进行仿真对比研究的方法.基于颗粒动力学理论的欧拉模型,对软性磨粒流的控制方程进行求解.通过使用两种湍流模型,对小尺寸大曲率圆管内湍流流动进行仿真计算,得到了两湍流模型下软性磨粒流流场的速度、压力、湍动能等数值模拟结果.仿真结果对比分析表明:标准k-ε模型模拟得到的速度值与实验值存在一定误差,而RNG k-ε模型仿真的速度值误差相对较小;标准k-ε模型对湍动能的估值计算比RNG k-ε湍流模型高,难以计算有滞止点的流动过程;RNG k-ε湍流模型能更有效地模拟有大曲率带分离的湍流流动,从而证明该模型更适合小尺寸大曲率圆管内软性磨粒流湍流流动的研究.     

二维垂向淹没射流冲刷粗砂砂床的数值模拟

采用泥沙冲刷模型对二维淹没射流冲刷无黏性砂床作了数值模拟,冲刷时间为10 s。湍流模型选用RNGk-ε模型,它对于低强度湍流和具有强烈剪切区域的流动应用更加广泛。数值计算结果和实验结果吻合比较良好。数值模拟结果和实验结果都表明:当冲刷时间相同时,射流速度越大,冲刷深度越大;当射流速度一定时,最大冲坑深度和冲刷时间呈对数关系。     

湍流局地平衡假设的新推论—齐次湍流动输运方程封闭模型与应用（Ⅱ）

在湍流局地平衡假设下,建立了齐次湍能输运方程封闭模型（HKE）,并在平板边界层的两种经典流动中加以检验,给出HKE封闭下的流速,湍流功能和湍流混合系数剖面的形式解,结果表明,HKE可以避免在流速剪切为零时的无湍流混合问题,其解与Laufer湍流实验吻合,因而KE模型比混合长理论有更合理的内涵,文中还给出HKE封闭的浅动力学模型,以湍应力和水位梯度力的平衡为运动的基本受力平衡,进行了模型的量阶分析和运动分析,当阻尼频率和运动频率同量阶时,惯性运动不可,在潮振荡占荡占优的浅海中,对流非线性相对于惯性运动为小量,当阻尼频率足够大时,科氏力项相对于湍应力也可能为小量。