可压缩各向同性衰减湍流直接数值模拟研究

采用五阶有限差分WENO格式直接模拟了高初始湍流Mach数的可压缩均匀各向同性湍流,主要分析了湍流的统计特性 和压缩性的影响,包括能谱特征、激波串、耗散率、标度律等. 研究表明,湍动能主要来自于速度场螺旋分量的贡献;各向同性湍流的小尺度脉动对压缩性更为敏感,并且压缩性的增强加快了湍流大 尺度脉动向小尺度脉动的湍动能输运;随着湍流Mach数的升高,胀量(压缩)耗散率所占比率也显著增长. 标度律分析表明,强可压缩湍流的横向速度结构函数仍然具有扩展自相似性;当阶数较高(p ≥ 5)时,纵向速度结构函数的扩展自相似性则不再成立. 对于压缩性较弱的湍流,与不可压缩湍流一致,横向湍流脉动的间歇性要强于纵向湍流脉动;而对于强可压缩湍流,纵向湍流脉动的 间歇性要强于横向湍流脉动.     

圆管湍流减阻电磁力控制的直接数值模拟

利用直接数值模拟研究了圆管湍流减阻的电磁力控制问题. 在圆管表面布置一层交替排 列的条形电极和磁极,施加电压后在导电的流体介质中产生周向随时间变化的电磁力,通过 改变电磁力的大小和变化周期等参数可以使阻力大幅减少. 研究减阻率和控制参数的 关系,并研究了电磁力减阻的机理. 电磁力控制存在最优周期,阻力最大降 低24.2{\%}; 电磁力控制抑制了流向和法向速度的脉动,而周向脉动速度随振荡周 期的增大而增大.     

高超声速激波湍流边界层干扰直接数值模拟研究

高超声速激波与湍流边界层干扰会导致飞行器表面出现局部热流峰值,严重影响飞行器气动性能和飞行安全.针对高马赫数激波干扰问题,以往数值研究多采用雷诺平均方法,而在直接数值模拟方面的相关工作较为少见.开展高超声速激波与湍流边界层干扰的直接数值模拟研究,有助于进一步提升对其复杂流动机理认识和理解,同时也将为现有湍流模型和亚格子应力模型的改进提供理论依据.采用直接数值模拟方法对来流马赫数6.0,34?压缩拐角内激波与湍流边界层的干扰问题进行了研究.基于雷诺应力各向异性张量,分析了高超声速湍流边界层在压缩拐角内的演化特性.通过对湍动能输运方程的逐项分析,系统地研究了可压缩效应对湍动能及其输运的影响机制.采用动态模态分解方法,探讨了干扰流场的非定常运动历程.研究结果表明,随着湍流边界层往下游发展,近壁湍流的雷诺应力状态由两组元轴对称状态逐渐演化为两组元状态,外层区域则由轴对称膨胀趋近于各向同性.干扰流场内存在强内在压缩性效应(声效应),其对湍动能输运的影响主要体现在压力-膨胀项,而对膨胀-耗散项影响较小.高超声速下压缩拐角内的非定常运动仍存在以分离泡膨胀/收缩为特征的低频振荡特性,其物理机制与分离泡剪切层密切相关.     

高超声速激波湍流边界层干扰直接数值模拟研究

高超声速激波与湍流边界层干扰会导致飞行器表面出现局部热流峰值,严重影响飞行器气动性能和飞行安全. 针对高马赫数激波干扰问题,以往数值研究多采用雷诺平均方法,而在直接数值模拟方面的相关工作较为少见. 开展高超声速激波与湍流边界层干扰的直接数值模拟研究,有助于进一步提升对其复杂流动机理认识和理解,同时也将为现有湍流模型和亚格子应力模型的改进提供理论依据. 采用直接数值模拟方法对来流马赫数6.0,34°压缩拐角内激波与湍流边界层的干扰问题进行了研究. 基于雷诺应力各向异性张量,分析了高超声速湍流边界层在压缩拐角内的演化特性. 通过对湍动能输运方程的逐项分析,系统地研究了可压缩效应对湍动能及其输运的影响机制. 采用动态模态分解方法,探讨了干扰流场的非定常运动历程. 研究结果表明,随着湍流边界层往下游发展,近壁湍流的雷诺应力状态由两组元轴对称状态逐渐演化为两组元状态,外层区域则由轴对称膨胀趋近于各向同性. 干扰流场内存在强内在压缩性效应(声效应),其对湍动能输运的影响主要体现在压力--膨胀项,而对膨胀--耗散项影响较小. 高超声速下压缩拐角内的非定常运动仍存在以分离泡膨胀/收缩为特征的低频振荡特性,其物理机制与分离泡剪切层密切相关.      

基于直接数值模拟的可压缩湍流模型评估和改进

对来流Mach数2.25和6的平板边界层湍流进行了直接数值模拟, 并通过与理论、实验及他人计算结果的对比对数值结果进行了验证. 基于直接数值模拟得到的湍流数据库, 对常用的湍流模型进行了先验评估. 评估的湍流模型有k-εvarepsilon模型(包括标准k-εvarepsilon 模型、可实现的k-εvarepsilon模型及低Reynolds数k-εvarepsilon模型)、SA模型及BL模型. 结果显示, 对于Mach2.25的平板边界层, 可实现的k-εvarepsilon 模型及低Reynolds 数k-εvarepsilon模型具有较好的预测能力, 而标准k-εvarepsilon模型预测的湍流黏性系数偏高; SA模型在边界层内层预测准确度较高, 而在外层预测值偏高. 而对于Mach6的平板边界层, k-εvarepsilon模型及SA模型预测的湍流黏性系数均偏高, 尤其是标准k-εvarepsilon模型. 对于Mach6的平板边界层, BL模型低估了内-外层交界位置, 造成湍流黏性系数预测值严重偏低. 作者通过修改模型系数及内-外层交界位置对BL模型进行了修改, 修改后模型预测的湍流黏性系数与DNS给出的值吻合较好.     

湍流横掠固定颗粒的全尺度直接数值模拟

气固两相流模拟中,当固相尺度接近或大于Kolmogorov尺度时,普通的点源模型将不再适用,固体相的体积效应和表面效应将对流体相产生显著的影响。通过采用直接数值模拟方法,结合内嵌边界方法对湍流中不同湍流强度流体横掠大于Kolmogorov尺度的固相颗粒进行了全尺度模拟,讨论分析了在两种湍流度下方形颗粒对湍流的调制影响以及颗粒的受力情况。     

三维气泡与自由表面相互作用的直接数值模拟

采用VOF中的PLIC界面重构方法数值模拟了三维气泡在液流中上升并与自由表面相互作用的运动.分别考察了不同初始高度,有无来流及有无再生气泡对气泡上升高度、上升速度、压力及与自由表面相互作用等的影响.结果表明:气泡初始位置越低,顶端上升的高度越大,自由面隆起的范围更广.越靠近自由表面,底部射流横向发展越窄,而向上的压力梯度,气泡上升速度,底部射流上升高度越大,反之则反;但如果底部射流均在接近自由表面以前已横向发展充分,则差别不大.气泡外形、上升高度、破裂时间以及上升速度与来流无关.产生再生气泡后,原生气泡与再生气泡相吸,相互加速对方的上升;自由表面抬升的高度增幅较大,范围拓宽,上升速度也大大增加,且再生气泡越多,自由表面隆起的范围越大.     

倾斜吹吸控制下湍流边界层减阻的直接数值模拟

雷诺切应力是壁湍流高摩擦阻力的重要来源, 有理论认为可以通过壁面生成负雷诺应力(数值上为正)的方式来削弱湍流流场中雷诺应力的分布, 以此获得流动减阻. 而通过对雷诺平均运动方程的法向二次积分, 可以发现壁面生成正雷诺应力(数值上为负)对壁面摩擦阻力系数才有负贡献. 文中在湍流边界层流动的控制区域下边界设置一系列倾斜狭缝, 利用该装置通过周期性吹吸的方法产生壁面生成正(负)雷诺应力, 并采用直接数值模拟方法考察和验证上文提到的减阻理论. 文中采用的湍流边界层流动模型, 其流动雷诺数(基于外流速度及动量损失厚度)从300 发展到860. 文中通过多组数值模拟算例, 考察了射流强度和频率对壁面摩擦阻力系数的影响, 并对比了壁面生成正或负雷诺应力对流动的影响. 研究表明, 壁面生成正雷诺应力控制的减阻率能达到3.26, 而壁面生成负雷诺应力控制的减阻效果较壁面生成正雷诺应力控制的要差; 壁面生成的正雷诺应力对壁面摩擦阻力有负贡献, 而壁面生成的负雷诺应力对壁面摩擦阻力有正贡献; 通过考察控制的收支比, 发现控制方案不能获得能量净收益.      

充分发展圆管湍流的实验研究

采用粒子数字图像测速（digital particle image velocimetry,DPIV)和定量流动显示技术（quantitative flow visualization,QFA)对充分发展的圆管湍流进行了研究。测量结果和直接数值模拟（direct numerical simulation,DNS)结果进行了比较，结果表明作者开发的DPIV技术取得了满意的精度。在此基础上对圆管湍流的动力学机理进行了研究，分析了上抛和下扫在湍流生成中的贡献以及流动显示结构内的脉动速度分布，测量结果显示在圆管湍流的近壁区存在横向强脉冲现象和流动显示所能观察到的结构为上抛占主导地位的结构。     

空间发展圆管转捩的直接数值模拟

利用直接数值模拟研究圆管流动中由局部壁面引入的周期性吹吸(PSB)扰动沿流向的空间发展,流动的雷诺数Re选定为3000.在临界幅值的PSB扰动下,在较短的圆管内,圆管中的扰动沿流向快速增长,在足够长的圆管内,扰动沿流向持续增长发生转捩,流动发展到湍流阶段.     

湍流燃烧数值模拟研究的综述

对湍流燃烧数值模拟的研究进行了综合评述,其中涉及直接数值模拟（ＤＮＳ）、大涡模拟（ＬＥＳ）、随机涡模拟、概率密度函数输运方程模拟、条件矩模型、简化概率密度函数模型、关联矩模型以及基于简单物理概念的一些唯象模型等几个重要方面．对全面了解湍流燃烧数值模拟的研究现状及前景提出了看法．     

湍流加速火焰的三维数值模拟

火焰在设有障碍物的管内传播时会自身加速，并可能导致爆炸。本文基于湍流κ-ε模型和改进的EBU—Arrhenius反应模型，对该现象进行了三维空间的数值模拟。计算结果反映了障碍物、湍流和火焰之间相互作用的正反馈机理，描绘了火焰在管内加速传播的三维图像。     

激波和湍流相互作用的数值模拟

本文综述了关于激波和湍流相互作用数值模拟的近期研究进展, 主要包括激波和均匀各向同性湍流、激波和湍流边界层、激波和射流以及激波和尾迹的相互作用. 激波和湍流相互作用特性受到诸多因素的影响,如激波的强度、位置、形状和流动边界以及来流的湍流状态和可压缩性等. 激波和湍流的相互作用会引起流场结构、激波特性和湍流统计特性的显著变化. 最后简要讨论了激波和湍流相互作用数值研究需要关注的一些问题.      

管内充分发展流动与传热数值模拟的教学方法探讨

由于缺乏数值计算的基础理论知识,工科本科生在学习流体流动与传热过程的数值模拟方法并进行程序设计时,往往觉得难度较大。本文围绕圆管内不可压缩流体充分发展流动与传热,采用边界层积分法,推导出无量纲控制方程组;针对层流工况和湍流工况,开发出相应的数值方法。基于该方法的程序代码易于理解,且计算结果表明该方法具有预测精度高、收敛速度快的优点。本文的工作可以为计算流体力学、数值传热学及热工计算等系列课程的本科教学提供参考。

     

空间发展固管转捩的直接数值模拟

利用直接数值模拟研究圆管流动中由局部壁面引入的周期性吹吸(PSB)扰动沿流向的空间发展，流动的雷诺数Re选定为3000．在临界幅值的PSB扰动下，在较短的圆管内，圆管中的扰动沿流向快速增长，在足够长的圆管内，扰动沿流向持续增长发生转捩，流动发展到湍流阶段．     

含活塞的管内湍流的数值模拟

应用两方程模式和 SIMPLER 算法对含活塞的管内复杂湍流进行了数值模拟.活塞直径和外管内径之比为0.8,雷诺数为6.05×10~4.数值模拟得到了三个回流区.下游回流的分离-再附长度是活塞直径的1.5倍.间隙段存在流速超越现象,但不存在后台阶流动计算中的核心区现象.文中给出了数值模拟的详细成果.     

磁流体湍流及数值模拟研究综述

自从20世纪90年代初,AJAX计划的提出掀起了磁流体技术的研究热潮.本文总结了国内外关于磁流体湍流研究的成果,包括两方面:磁流体湍流的特点和数值模型.相比于普通湍流,磁流体湍流表现出电磁诱导的各向异性、线性焦耳耗散、湍流重层流化等特性,本文同时对磁流体湍流的结构和脉动抑制现象进行了描述;数值模型研究从雷诺平均方程和大涡模拟两方面作了介绍.当前研究集中在不可压缩磁流体湍流,距离能够应用于航空航天问题还有很长的路要走.     

内燃机气缸内湍流流动的数值模拟

本文基于快速压缩假设,对不可压流的标准κ-ε的双方程湍流模型进行了压缩性修正。8方程增添了两项,其系数C_3,C_4的取值根据压缩方式的空间维数确定。同时引入Richardcon来修正系数C_2,以考虑旋流影响。将此模型应用于内燃机气缸内压缩过程。计算结果表明,本模型能预测湍流参数,特别是湍流尺度的变化规律并与实验基本吻合。     

半封闭狭缝湍流冲击射流的数值模拟

将Yakhot和Orszag提出的RNGk-ε模型推广应用于半封闭狭缝冲击射流场的数值模拟，以评价该模型对这种复杂湍流的预测能力。将计算得到的流场平均速度分布、湍流强度分布和流函数分布与标准k—ε模型的预测结果以及相应的实验数据进行了比较，结果表明：RNGk—ε模型的预测结果总体上要好于标准k—ε模型，但与实验值相比，所有预测结果都还存在不同程度的误差，尤其是近壁区和滞止点较远下游处的湍流强度分布。说明RNG模型虽然已在某些湍流的预测中取得了一定的成功，但要定量准确地预测冲击射流场，还必须针对其流动特征对模型加以改进。     

湍流数值计算的最近发展

湍流是有大量自由度的非线性力学系统,看来是流体的复杂的宏观不规则运动。因此,就是对于最简单的理想湍流——均匀各向同性湍流进行严格的理论分析,也是很困难的。湍流数值计算长期停留在半经验理论阶段。最近十几年来,高速电子计算机的应用,使湍流数值计算发生了巨大变化,根本改变了湍流问题的可解性。现在求出误差在百分之几以内的湍流精确数值结果已变成了现实。相应于计算机的发