基于改进LRNk-ε模型的汽车气动特性研究

针对由Jones和Launder提出的LRN(低雷诺数)k-ε湍流模型对转捩预测不足等问题,引入全应力限制(TSL)方法及流线曲率因子以改进湍动能耗散率及湍流黏性系数,最终获得了一种改进的低雷诺数湍流模型,并将其应用于汽车外部流场计算仿真中,利用ISIS-CFD求解器实现计算。将计算结果与其他常用于汽车外部流场仿真的湍流模型以及风洞试验得到的结果进行了对比分析,结果表明,在同等计算条件下改进LRNk-ε湍流模型能更加准确且高效地模拟车身表面的气流分离以及尾部流场。     

湍流模型对高压比离心压缩机气动性能及流场结构影响的数值研究

为研究不同湍流模型对压缩机总体性能及内部流场数值模拟结果的影响,本文采用3个高雷诺数湍流模型和1个低雷诺数湍流模型对Krain实验研究的离心叶轮和等面积无叶扩压器进行三维定常流场计算,并与相应的实验结果进行对比。研究结果表明,4种湍流模型的数值模拟结果与实验结果均存在差异,这一差异与流量和转速有关。在高转速、小流量工况下,湍流模型对数值模拟结果的影响更为显著。数值模拟预测到的失速流量均与实验值差别较大。而从流场和总体性能两方面来看,与高雷诺数湍流模型相比,低雷诺数湍流模型的模拟精度更高,在设计工况附近区域,数值模拟的效率与实验符合良好。     

基于改进的低雷诺数湍流模型的软性磨粒流加工仿真与实验

针对模具结构化表面软性磨粒流精密加工中壁面特性求解困难的问题,基于改进的低雷诺数湍流模型提出了一种对软性磨粒流壁面特性进行分析的方法。该模型仿真的湍流可以从充分发展的高雷诺数湍流到低雷诺数湍流,所以,对于壁面区域的求解精度更高。以机械加工中常见的U形沟槽为仿真对象,数值模拟了其内部流场,尤其是壁面区的流场特征参数。分析结果表明:当初始压力p0在2.5～4.5MPa之间时,流道的内部流动是不完全发展的湍流,详细分析了p0为4.5MPa时渐变截面流道的内部流动,压力与速度分布均是中心高、两侧低,而且越靠近U形底部,压力值和速度值越高;磨粒流速度一直增大,磨粒受到的驱动力增大,使得单位时间内颗粒与壁面的碰撞增加。通过碰撞观测实验发现磨粒对壁面的碰撞速度与仿真结果相符,加工实验进一步验证了仿真结果。     

基于准k-ε-v~2/LES模型的汽车外流场数值模拟

采用RANS/LES混合模式对汽车外部的平均流场进行计算分析。采用三方程的k-ε-v～2湍流模型作为RANS/LES混合模式中的RANS部分。针对k-ε-v～2湍流模型中的正应力(v 2)输送方程以及用于构造松弛函数f22的椭圆方程引起数值计算不稳定等问题,根据Boussinesq假设和量纲一分析对微分形式的v 2方程进行合理的简化,推导出代数形式的正应力v 2方程以及新的湍动粘度方程。最终获得新的准k-ε-v～2/LES混合模型,并将其应用于汽车外部流场计算仿真中。准2k-ε-v～2/LES模型的控制方程借用商业软件Fluent中的Realizable k-ε/LES模型中的k方程和方程,并采用Fluent UDF将代数形式的v 2方程以及新的湍动粘度方程写入计算程序中。计算结果与其他RANS/LES混合模型、完全大涡模拟以及风洞试验进行对比分析,结果表明,在同等的计算条件下该混合模型能更加准确且高效地模拟车身表面的气流分离以及尾部流场。     

板坯连铸结晶器流场的格子法模拟

给出一种与现有传统数值方法不同的计算流体动力学介观模型。在该模型中,建立描述流体微团运动及碰撞规律的格子Boltzmann方程以及平衡分布函数,并依此求解出流体微团的分布函数,而流场的速度、压力等物理量可直接根据流体微团的分布函数统计求和而得。在此基础上计算了板坯连铸结晶器中心面内的二维流动,模拟出流场在高雷诺数条件下流动模态随时间的变化过程,得到与试验结果一致的流场结构,较真实地反映高雷诺数条件下结晶器内湍流的有漩性、非对称性及非定常性。结果表明随着流场雷诺数的提高,流动中物理量脉动成分的显著增强,打乱了原有对称性的大涡结构,使得流动呈现非对称性及非定常性。     

基于数值计算方法的水下合成射流推力特性

研究了水下合成射流的数值计算方法,对比了不同网格尺度、不同边界层尺度以及不同湍流模型对合成射流流场以及推力的影响,结果发现,推力计算结果对网格尺度、边界层尺度及湍流模型并不敏感。将推力数值计算结果与已有的试验结果进行了对比,两者具有很好的一致性,验证了数值计算方法的正确性。研究了不同L/D（L为活塞直径,D为出口直径）条件下合成射流激励器的推进效率,结果显示,当L/D值在4附近时,合成射流推进效率最高;当L/D值偏离4时,推进效率降低,这与已有的试验结论一致,进一步证实了数值方法的正确性。建立了水下合成射流的推力模型,该模型将合成射流的推力分为以下3个部分：质量变化引起的动量变化、加速度引起的动量变化以及外部流体的阻滞作用。结合该模型,对一种出口可偏转合成射流激励器不同偏角下的推力进行了对比分析,证明合成射流的高效率源自于外部流体的阻滞作用。     

微型涡轮的旋转盘腔内流场二维与三维数值模拟的比较

用FLUENT软件对带有微型涡轮的旋转盘腔内部流场进行了二维和三维的数值模拟。在数值计算中应用标准K—epsilon双方程湍流模型，通过计算研究发现：二维和三维数值计算在低旋转雷诺数时趋于一致，随着旋转雷诺数增加三维效应增强计算结果差距增大。研究结果显示：涡轮内部螺栓和微型涡轮的不同处理方式是导致二者数值模拟差异的主要原因。     

中等及大迎角下的翼型气动弹性性质研究

采用不同湍流模型的雷诺平均Navier-Stokes方程计算中等及大迎角条件下的非定常气动力,在全湍流流场假设情况下,耦合翼型振动方程,在时间域内数值模拟了中等雷诺数下翼型在不同迎角、尤其是失速迎角附近的气动弹性动态过程。通过算例分析,得出了研究结果。     

地面效应对汽车外部流动的影响

地面效应是汽车空气动力学研究的主要难点之一。在考虑汽车与地面相对运动的基础上,利用壁面函数法计及移动地面对湍流流动的近壁效应影响,初步建立地面效应模型,然后通过求解采用K-ε紊流模型的Navier-Stokes方程组,对某沙漠车模型外部流场进行了数值模拟。结果表明,风阻系数随离地间隙增加而变大,气动升力系数随离地间隙的变化而非单调变化。若不考虑汽车与地面的相对运动将使计算结果误差较大,导致所得风阻系数偏小,升力系数偏大。计算结果与移动模型法的精确试验结果一致,说明地面效应模型能够正确反映地面对汽车外部流动的影响。     

三方程在汽车外流场仿真计算中的应用

汽车外流场仿真计算有多种模型,通过仿真和试验研究找到计算精度和效率高的模型对汽车外流场的仿真计算具有十分重要的意义.在使用三方程模型进行汽车外流场的计算中,由于涡粘系数μt考虑了湍流空间尺度和湍流时间尺度对湍流输运的影响,k-ε-ν2湍流模型更多地反映了湍流输运的物理机理,有着比切应力传输、k-ε湍流模型更高的计算精度,是汽车外流场较为理想的数值仿真模型.运用涡粘型k-ε-ν2湍流模型、切应力传输(Shear stress transport,SST)模型、k-ε湍流模型对汽车绕流进行数值仿真,将计算的阻力系数和试验数据进行对比,结果证实k-ε-ν2湍流模型的优越性.给出汽车纵对称面上的压力系数与试验值的对比曲线,使用湍流k-ε-ν2模型所计算的距车尾0.1 m处的湍动能分布、速度矢量线及外部流线图.     

扫路车宽吸嘴流场仿真分析及其设计改进

一般来说,对扫路车宽吸嘴流场进行仿真分析,都是采用流体力学的相关理论。首先,本文从气象湍流模型、尘粒运动UI及追踪模型以及网络模型、边界条件及计算等方面,分析了宽吸嘴流场仿真模型的基本原理。其次,对原方案吸嘴及改进吸嘴的仿真结果进行了分析及讨论。最后,通过实验验证证明了改进吸嘴的吸尘性要强于传统吸嘴。     

高速列车头车气动噪声的控制方法研究

提出了高速列车头车远场气动噪声的改进方案,并进行了仿真研究。首先完成了9组不同车头形状的全尺寸头车模型和流场流域的创建,并通过k-ε湍流模型计算稳态流场;其次在稳态流场的基础上,采用宽频带噪声模型计算了头车表面的气动噪声源;利用大涡模拟(LES)方法计算瞬态流场,进而获取车身外表面的压力;再基于瞬态流场,采用Lighthill声比拟理论研究了头车的远场气动噪声的计算。最后,将不同形状头车的气动噪声的仿真分析结果相对比,验证改进方法的可行性。这里的研究,将对高速列车噪声的有效控制提供一定的技术支持,有着较重要的科学意义和实际研究价值。     

基于空气动力数值模拟的汽车外形设计与改进

为设计一款符合乘坐需求和空气动力学要求的汽车外形,综合运用汽车人机工程理论及工业设计领域知识对某乘用车车身外形进行方案设计。采用Rhino中的NURBS曲面建模技术建立了该乘用车外形A级曲面模型,以该模型为基础,根据阻塞比确定流场计算域,并通过局部加密网格策略对流场域进行网格划分。选取标准k-ε湍流模型,以速度入口和压力出口为边界条件,计算得到该乘用车行驶中的各项气动力、力矩及车身外表面与外流场的压强云图和流场图。最后对车身外形设计方案进行参数化改进,以满足空气动力学和美学风格等多重要求,该模拟分析结果将为汽车外形设计优化提供理论支撑。     

T型管流场混合多相流与欧拉多相流模型的数值研究

以计算流体动力学(CFD)的多相流数值计算理论及方法为基础,对处于复杂工况的T型管连接装置腔内流场进行了数值模拟分析,采用标准湍流模型和标准壁面函数对T型管接头内部流场进行了数值模拟;同时以混合模型求得的解作为用欧拉多相流模型的初始条件,采用欧拉多相湍流模型进行了对T型管接头内部流场数值计算.最后对两种模型计算得到的T型管接头内部流场的压力场、速度场及气相的体积分数(VOF)分布进行了对比分析.计算结果将指导的结构优化设计及失效分析.     

超车过程的车辆气动特性仿真研究

采用计算流体力学（CFD）方法,对两辆车超车过程的外部流场进行了数值仿真,以研究超车过程中车辆的空气动力特性。采用有限递增步法来处理超车过程,实现了车辆超车过程的三维流场数值仿真,揭示了两车外部流场相互干扰的流动特性,在以前研究超车过程中横向间距对车辆气动特性影响的基础上,进一步研究了两车纵向相对位置对车辆气动特性的影响规律以及气动力对汽车行驶稳定性的影响,为汽车自动驾驶系统和智能交通系统（ITS）的研究提供了理论依据。     

低比转速离心泵叶轮内部流场的CFD分析

基于N-S方程和标准k-ε湍流模型，利用CFD对低比转速离心泵叶轮内部流场进行了计算，分析了叶轮内部流场的速度分布和压力分布，并对预测结果进行比较，从而提出了利用CFD（Computational Fluid Dynamics）对离心泵叶轮进行性能分析的方法，为进一步完善泵设计理论、提高泵设计水平提供了有益的参考。     

伺服阀前置级流场气穴现象的仿真及试验研究

针对液压阀中的气穴现象会引起液压阀的噪音、性能恶化,甚至导致液压阀失效等问题,对伺服阀前置级喷嘴和挡板之间流场中的气穴现象进行了研究.利用Pro/E软件对流场进行了三维建模,用前处理软件Gambit对三维模型进行了网格划分及边界条件设置,利用标准k-ε模型和混合气穴模型建立流场的数学模型,运用FLUENT软件对不同喷嘴入口流速下流场的分布特性及气穴特征进行了仿真分析;同时利用高速摄像机对喷嘴挡板之间的流场分布进行了观测和记录.研究结果表明,在低雷诺数流动条件下,气穴开始在喷嘴外壁和挡板前端的边缘形成;随着雷诺数的增大,在挡板弯曲的附体气穴逐渐长大并随着射流流速的增加出现云状的气穴.将不同流动条件下流场结构和气穴分布的数值计算结果与试验观测结果进行比较,两者基本吻合,说明伺服阀前置级流场气穴仿真模型和数值计算方法是可靠的.     

液压集成块湍流模型修正及内流特性分析

基于粒子图像测速技术（PIV）建立了带有刀尖角容腔的直角转弯流道流场的数值计算模型,并进行三维流场仿真。通过将数值计算得到的典型涡系结构与实验结果进行对比,考察了工程上常用的7种湍流模型对带有刀尖角容腔直角转弯流场的预测性能。通过定义权重误差K,筛选出S-A模型作为基础湍流模型并对其进行了参数修正。结果表明,当S-A模型Cb1取值从默认值0.1355修正为0.17时,出流方向正对刀尖角容腔模型权重误差值上升25.0％,入流方向正对刀尖角容腔模型权重误差值下降34.7％,修正后的S-A湍流模型对两种直角转弯流场的综合预测精度有所提高。运用筛选修正后的S-A湍流模型分析了4种典型直角转弯流道的内流特性,结果表明圆弧过渡直角转弯流道相比于带有刀尖角容腔的转弯流道具有更小的压力损失。     

低比转速离心泵叶轮内三维流场PIV试验及数值仿真

为研究低比转速离心泵内部流场分布情况，借助于PIV试验，结合数值仿真方法对一台叶轮直径为187 mm、比转速为70的离心泵叶轮通道流场进行了测量及数值模拟计算。为对比不同湍流模型计算结果的可信度，分别采用Standard k-ε模型、RNG k-ε模型、SST k-ω模型进行计算，并将流场计算结果与PIV试验结果进行了对比。研究结果表明：在小流量工况下，叶轮通道内速度分布较不均匀，在通道后半区域靠近叶片工作面存在明显的低速区，叶片背面的中前部区域附近出现高速区；随着流量增大，叶轮通道内部速度分布渐趋均匀，水流出口角增加。三个湍流模型计算结果与试验结果吻合较好，尤其是对低速区的模拟较好。对比三个不同的湍流模型，在小流量工况及设计流量工况下，RNG k-ε模型计算结果与试验值更为接近；在大流量工况下，Standard k-ε模型计算结果与试验值吻合更好。对比离心泵整体性能表现，扬程、效率计算结果均远高于试验测量值。     

超声波换能器测风阵列的优化设计

为了减弱风场在超声波换能器测风阵列中产生湍流,降低湍流对信号采集精度的影响,分析了换能器阵列影响流场的因素,采用6个收发一体的超声波换能器,设置独立的3条测风路径,根据不同来流方向,建立了风速计算模型,结合换能器晶片的工作特性,改进测风阵列的设计,降低了阴影效应的影响。利用FLUENT软件,通过设置不同的雷诺数、来流风速和风向参数,仿真了流场在阵列中分布特性,得到阵列速度云图和测风路径速度变化图,验证了改进后的测风阵列性能有效提升,说明了所设计阵列能满足测风精度提高的要求。