低雷诺数非线性k—ε湍流模型及其应用

本文发展了一人低雷诺数非线性ｋ－ε湍流模型，其特点是考虑了湍动能及湍动能耗散速度的非线性扩散过程，采用了一个非线性雷诺应力表达式，引入了壁面修正函数以考虑湍流的近壁低雷诺数效应。应用该模型计算了湍流槽流和湍流库埃特流。与实验结果的比较表明，所建模型对包括近壁区在内的整个计算域的各湍流量都能给出非常满意的预测结果。     

基于转捩SST模型的钝尾缘水翼绕流数值计算与分析

边界层转捩是影响水翼绕流水动力学特性的关键因素之一。为了探究γ-Reθt转捩模型在低湍流度来流下水翼边界层转捩及尾涡脱落预测中的适用性,本文基于耦合γ-Reθt转捩模型和SST k-ω模型的转换SST模型,对0°攻角的NACA0009钝尾缘水翼绕流进行了数值计算。分析了转捩SST模型对网格尺度的敏感性,预测了边界层和尾迹区流场及不同雷诺数下水翼尾涡脱落特征,并与实验数据和SST k-ω模型计算结果进行了对比。结果表明:随近壁面第一层网格尺度y+的增大,水翼边界层转捩位置沿流向后移,最大y+值小于1时,预测的转捩位置趋于一致;与SST k-ω模型相比,转捩SST模型可以求解层流边界层,避免了在边界层和尾迹区对涡黏系数的过高预测,得到的边界层厚度和水翼尾迹区流动参数与实验结果更为接近;转捩SST模型可以较准确预测水翼尾涡脱落频率随雷诺数增大而增加的变化趋势,水翼尾涡脱落频率预测值与实验结果的最大相对误差为6.2%。     

孤立波作用下边界层的模拟与分析

孤立波作用下的边界层内的剪切力以及涡量变化对海啸传播和海底地形塑造十分重要。本文基于多区域谱方法,利用直接模拟(DNS)数值模型,对在具有矩形断面的U形水洞内的孤立波下的边界层流动进行了模拟。将数值模拟结果与解析解以及试验结果进行了对比,发现数值结果与后两者吻合得较好。模拟结果显示,在低雷诺数下,扰动不会改变流态,而随着雷诺数的增大,流态会变得十分复杂。中等雷诺数情况下,边界层内会产生正向的涡,并进行稳定的传播。在较高雷诺数情况下,流动进入层流向紊流发展的过渡期,此时边界层内会产生正涡以及负涡,并会在水深方向进行不规则运动。     

湍流平板边界层近壁区对称与非对称单个相干结构演化机理的比较

本文利用流动稳定性理论中的共振三波概念，构造湍流平板边界层近壁区对称与非对称单个相干结构的理论模式，采用紧致有限差分及Fourier谱展开相结合的方法，数值计算湍流平板边界层近壁区对称与非对称单个相干结构的演化规律，详细分析了对称与非对称单个相干结构的演化结果，得到了一些有意义的结果。     

沟槽张角对流体减阻机理的数值模拟研究

为了研究边界层涡结构对沟槽壁面摩擦阻力的影响,该文利用FLUENT软件对湍流状态下沟槽壁面进行数值模拟计算,分析了90°、120°和150°三种不同张角下沟槽壁面的减阻效果,获得了不同张角的沟槽结构对减阻效果的影响规律。结果表明:沟槽内形成的旋涡结构可以有效减小沟槽布置区域法向速度梯度,减弱流层间剪切作用,增加条带结构稳定性,湍流猝发频率降低,从而使壁面摩擦阻力降低。当来流速度v=25 m/s,沟槽张角β=90°时,可取得最佳减阻效果。在沟槽结构布置区域,流向涡的涡头上扬角度变大,上扬和下扫强度减弱,有效减小了摩擦阻力;同时,沟槽结构改变近壁区速度分布,使流向涡密度减小,从而减小壁面摩擦阻力。     

湍流边界层流向-展向平面中发卡涡的涡迹特征

研究湍流边界层精细流动结构特征,有助于建立流动结构特征与壁面摩阻、流噪声之间的关联,从而为湍流边界层减阻降噪机理的深层次研究奠定基础。该文应用PIV(粒子图像测速)技术,对平板湍流边界层中发卡涡在流向-展向平面的涡迹特征进行研究。利用PIV瞬时速度场,捕捉到明显的低速条带,通过统计分析获得对数层范围低速条带间距随壁面法向距离的变化以及雷诺数的影响规律。同时,通过涡识别准则,提取在流向-展向平面内长低速条带两侧的反向漩涡带,揭示了发卡涡包与长低速条带的内在关系。此外,还研究了流向-展向平面发卡涡涡腿间距随壁面法向距离的变化规律以及雷诺数的影响。     

三维动波浪壁流动的数值研究

本文用ＡＬＥ方法对二、三维动波浪壁边界层流体运动进行数值模拟，并由流动的速度场，涡量场和压力分布了波涡相互作用的机理，动波浪壁边界层的流动特征和明显的减阻效应。数值结果表明了ＡＬＥ方法和动网格系统对劝波浪壁边界层流体运动是一种有效的数值方法。     

水涡轮机械中的湍流固—液两相流动及磨损研究

导出了固体颗粒在任意流场中运动的Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ方程对此方程进行线性化，并求出了其颗粒运动方程的解析通解。使用颗粒运动方程数值求解和分析稀疏颗粒湍流场中固体颗粒的运动。建立了湍流固－液两相液的Ｋ－ε双方湍流模型，体积分数流模型，Ｅｕｎｌｅｒｉａｎ－Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ混合湍流模型以及颗粒磨损模型，利用这些模型对一些水涡轮机械过流通道内的流动及固壁磨损进行了模拟，其预测结果与实验结果较为一致。     

对流项离散方案和湍流封闭模型对高雷诺数方柱绕流拖曳系数计算的影响

使用不同的对流项离散方案和二阶湍流封闭模型对于高雷诺数下(106)方柱绕流的拖曳系数进行了计算,对于数值计算结果通过相互比较和经典的实验室结果进行了比较来分析不同离散方案和湍流封闭模型对于计算结果的影响,同时对于形状阻力和摩擦阻力对于拖曳系数分别的贡献进行了分析比较。本文的计算结果可以作为高雷诺数下类似问题的数值计算中对流项离散方案和湍流封闭模型的选择提供一个参考。     

任意平面流场中的湍流临界准则数

作者应用涡量对流及扩散(传输)的概念和理论建立了对任意平面流场中发生湍流流动的湍流临界准则数。这个准则数不同于熟知的雷诺数。如果应用此准则数在接近直管壁和平板边界层固壁处表明流动会诱发“猝发”现象;对毛细管内的流动而言它也会指出无论管中平均流速多大、它总不会发生湍流;而对多孔介质中的流动,湍流会出现。所有这些预示颇令人感兴趣和关注。     

通气空泡重力效应研究

该文基于VOF方法和有限体积法,求解气水多相流动的RANS方程及标准湍流模式,研究了通气空泡的重力效应.结果表明模拟得到的绕圆盘通气空泡的重力效应与Buyvol的分类准则吻合,通过数值模拟复演了通气空泡的双涡管泄气模式;证实由于与尾空泡的相互作用,重力作用下绕航行体通气空泡在尾部附近出现下沉,航行体上的空泡截面呈现出"月牙"形;阻力随空化数而减小,并在空泡完全包裹住航行体前部锥段时出现突降.     

IMPROVEMENT OF BUBBLE MODEL FOR CAVITATING FLOW SIMULATIONS

In the present research,a bubble dynamics based model for cavitating flow simulations is extended to higher void fraction region for wider range of applications.The present bubble model is based on the so-called Rayleigh-Plesset equation that calculates a temporal bubble radius with the surrounding liquid pressure and is considered to be valid in an area below a certain void fraction.The solution algorithm is modified so that the Rayleigh-Plesset equation is no more solved once the bubble radius(or void fraction)reaches at a certain value till the liquid pressure recovers above the vapor pressure in order to overcome this problem.This procedure is expected to stabilize the numerical calculation.The results of simple two-dimensional flow field are presented compared with the existing bubble model.     

叶片式泵内气液两相泡状流的三维数值计算

为研究旋转叶片式泵中的气液两相流动规律及泵性能，本文根据气泡泡状流模型提出了一个两相流三维数值分析方法。该数值计算由两部分的计算迭代完成，第一部分是已知含气率分布的连续相(液相)流场的计算。液相流动方程的三维数值求解采用了流面坐标迭代法。第二部分是已知液相流场后的分散相(气泡)轨迹的计算。气泡运动方程中考虑了流场压力梯度差产生的力、气泡周围液体产生的阻力及由于液相质量产生的惯性力等影响气泡运动的因素。通过对气泡运动方程进行数值求解，可得到泵内的含气率分布。再将两部分的计算进行反复迭代，最终得到收敛解。本文将该三维两相流数值计算方法用于多级螺旋轴流式增压泵叶轮的计算、设计。计算结果表明：从叶轮回转面上看，气泡运动转轨并不明显地偏离液相流线。然而从叶轮子午面上看，几乎所有的气泡，不论其初始位置如何，它们最终都移向轮毂表面。该三维两相流数值计算以其简单实用的特点，有望成为工程中气液两相增压泵的一种有效设计工具。     

基于平板的气体润滑减阻数值计算研究

船舶行业的节能技术研究,是当今的一个热点,气体润滑减阻技术就是其中的一个分支。该文以平板模型为研究对象,以在空泡水筒完成的气体润滑减阻原理性验证试验为基础,展开数值计算中VOF模型和Mixture模型在此类问题中的适用性研究,分析喷气量对减阻率和气穴内空隙率分布的影响,建立了一种适用于气体润滑减阻问题的数值计算方法。     

Analysis of shear rate effects on drag reduction in turbulent channel flow with superhydrophobic wall

We examined the shear rate effect on drag reduction of superhydrophobic surfaces with different slip lengths. For this purpose, turbulent channel flow was considered at the friction Reynolds numbers of Reτ = 180, 395, 500. By using Navier＇s slip condition it is shown that increasing shear rate leads to the greater reduction in drag force and also more reduction occurs in larger slip length. Based on the results, more than 25% drag reduction happens at a friction Reynolds number of Reτ= 500 for slip length of 1 ×10 5 m. The simulation results suggest that reduction in drag force occurs because slip condition reduces the Reynolds stresses, also weakens vorticity filed and the near-wall coherent structures, and therefore turbulence production is decreased.     

近壁圆柱绕流的壁面积沙现象机理分析

针对近壁圆柱绕流过程中出现的在平板壁面积沙现象用数值模拟方法进行了机理分析。应用标准k-ε湍流模型和流函数-涡量法分析了不同间隙比（圆柱与壁面间的距离对圆柱直径之比）下的尾流特性，得到圆柱表面升阻力和平板壁面压强脉动。结合流动显示的染色粒子图方法，进行了详细的分析并提出近壁圆柱绕流过程中在圆柱下游平板壁面形成沙粒线的可能机理。     

耦合算法在幕墙式消浪结构性能研究中的应用

作者针对近岸波浪与结构物相互作用问题提出了一种耦合数值方法，即用时均化的二维雷诺平均的Navier stokes方程-流体体积法模型表达内域流动，用一维Boussinesq方程表达外域流动，通过速度、压力和波面匹配边界条件实现两种数值模型的同步求解。耦合模型中的二维子模型能够较好地表达结构物附近流动的细部特征，包括漩涡结构；一维子模型的计算效率很高，可通过延长其计算域以达到有效地避免二次反射波的影响。所建立的耦合数值模型被证实可应用于幕墙式消浪结构防波性能的研究。     

NUMERICAL SIMULATION OF ARTIFICIAL VENTILATED CAVITY

1. INTRODUCTION The cavitation phenomenon[1,2] has already been paid high attention as a primary characteristic in the process of underwater body’s manufacture and exploitation. For a long time, the purpose of cavitation research is to prevent the occurr…     

Numerical analyses of ventilated cavitation over a 2-D NACA0015 hydrofoil using two turbulence modeling methods

The present paper studies the ventilated cavitation over a NACA0015 hydrofoil by numerical methods. The corresponding cavity evolutions are obtained at three ventilation rates by using the level set method. To depict the complicated turbulent flow structure, the filter-based density corrected model(FBDCM) and the modified partially-averaged Navier-Stokes(MPANS) model are applied in the present numerical analyses. It is indicated that the predicted results of the cavitation shedding dynamics by both turbulence models agree fairly well with the experimental data. It is also noted that the shedding frequency and the super cavity length predicted by the MPANS method are closer to the experiment data as compared to that predicted by the FBDCM model. The simulation results show that in the ventilated cavitation, the vapor cavity and the air cavity have the same shedding frequency. As the ventilated rate increases, the vapor cavity is depressed rapidly. The cavitation-vortex interaction in the ventilated cavitation is studied based on the vorticity transport equation(VTE) and the Lagrangian coherent structure(LCS). Those results demonstrate that the vortex dilatation and baroclinic torque terms are highly dependent on the evolution of the cavitation. In addition, from the LCSs and the tracer particles in the flow field, one may see the process from the attached cavity to the cloud cavity.     

DRAG REDUCTION IN A TURBULENT CHANNEL FLOW WITH HYDRO- PHOBIC WALL

This paper investigates a theoretical prediction of friction drag reduction in turbulent channel flow which is achieved by using superhydrophobic surfaces. The effect of the hydrophobic surface is considered to be a slip boundary condition on the wall, and this new boundary condition is added to Large Eddy Simulation (LES) equations. The predicted drag reduction at Reτ=180 is approximately 30%, which concurs with results obtained from Direct Numerical Simulation (DNS). An important implication of the present finding is that the near-wall turbulence structures are modified with streamwise slip velocity. In addition, a noticeable effect on the turbulence structure occurs when the slip length is greater than a certain value.