圆湍射流的轴对称大涡模拟

对空间发展的不可压缩圆湍射流进行了大涡模拟研究。在流动轴对称假定下,对Re数等于11300的圆浩射流流动进行数值模拟。大涡模拟很好地再现了圆湍射流中拟序结构非定常演化的前期过程,成功地捕获到了射流中Kelvin～Helmholtz不稳定性的触发与初级涡环的卷起及其第一次和第二次配对合并现象。但在流动轴对称假设下,大涡模拟不能模拟出湍流拟序涡环结构的破碎过程。对圆湍射流的轴对称大涡模拟结果进行长时间统计平均,能够预报出圆湍射流的核心区特征,但与圆湍射流的理论分析解和经典的实验数据对比发现,核心区后大涡模拟预报的流向速度降低缓慢。从控制方程的数学本质和拟序结构的物理机制上对圆湍射流在轴对称假设下产生上述大涡模拟结果的原因进行了分析与探讨。     

平面自由射流中燃料扩散的大涡模拟

对甲烷－空气预混气体的平面自由射流进行了大涡模拟,采用分步投影法求解动量方程,亚格子项采用标准Smagorinsky亚格子模式模拟,压力泊松方程采用修正的循环消去法快速求解,空间方向采用二阶精度的差分格式,在时间方向上采用二阶精度的显式差分格式。模拟结果给出了预混气体射流中拟序结构对燃料扩散的影响,表明促使燃料扩散的主要因素是射流中的拟序结构,由浓度梯度导致的组分扩散较弱。     

燃油喷雾的大涡模拟

采用大涡数值模拟方法对三种不同背压条件下柴油喷雾过程进行了数值模拟,重点研究预测的喷雾贯穿距离以及粒子索特平均半径与计算网格的相关性。计算模型采用单方程亚网格湍流模型、ETAB喷雾粒子破碎模型和基于粒子云的碰撞模型。贯穿距离和索特平均半径的预测值与实验值吻合较好,并实现了预测值与计算网格无关性。通过计算结果对湍流模型和碰撞模型敏感性分析,计算结果表明,采用亚网格湍流模型可以降低计算结果对计算网格分辨率的敏感性,引起网格相关性的主要原因在于碰撞模型的网格相关性。     

大涡模拟二维气固两相平面射流

首先用大涡模拟对二维平面射流进行了数值模拟，并就断面流向速度分布、速度脉动量分布以及雷诺切应力分布与实验值进行对比分析，得出大涡模拟方法可以较好地模拟二雏平面射流。在此基础上对二维气固两相平面射流中直径为30μm(St=2．5)的颗粒扩散特性进行数值模拟。发现由于大尺度涡团的作用，颗粒分布于大尺度涡团的外缘而不是集中于中线附近。这与过去基于时均雷诺方程的数值模拟结果得到的颗粒主要集中于中线的结论有所不同，但与直接模拟二维平面混合层中颗粒运动扩散情况相吻合。     

入流滑移条件对两相射流特性影响的大涡模拟研究

研究了入流滑移条件对空间发展的气粒两相平面湍射流的非定常流动特性的影响。以Re数13000的平面不可压缩湍射流流动为例,气相场用Euler方法求解,通过大涡模拟(large-eddy　simulation,LES),直接求解大尺度涡运动的Navier-Stokes方程,小尺度涡用标准Smagorinsky亚格子模式模拟。颗粒相的运动用Lagrangian方法直接求解。在不同入流滑移条件下(U     

二阶矩亚网格燃烧模型对射流火焰的大涡模拟

用二阶矩亚网格燃烧模型对美国Sandia国家实验室测量甲烷／空气射流火焰进行了大涡模拟(LES),与实验数据和用二阶矩输运方程湍流燃烧模型的雷诺平均(RANS)模拟结果进行了对比．LES得到时间平均的温度, 甲烷浓度以及温度脉动均方根值和实验值符合很好．LES时均值和RANS模拟结果接近,LES脉动均方根值优于 RANS模拟结果．LES瞬态结果显示了有燃烧时的拟序结构比无燃烧时的强,同时拟序结构强化了燃烧,湍流射流火焰呈皱折火焰面的状态．     

液体燃料横向射流雾化数值模拟研究

基于混合欧拉-拉格朗日框架,采用流体体积(VOF)耦合拉格朗日算法对液气密度比为311,不同射流动量通量比q(分别为10和40)和不同气体韦伯数Weg(分别为33、470和800)下航空煤油(Jet A)射入横向气流中的雾化特性和流场结构进行了大涡模拟(LES)研究.模拟结果表明:不同工况下的射流穿透深度均与经验关系式...     

气粒两相平面湍射流拟序结构的大涡模拟

采用Eulerian/Lagrangian方法,对空间发展的气粒两相平面湍射流的非定常流动过程进行了数值模拟。以Re数为13000的平面不可压缩湍射流流动为例,气相场采用大涡模拟（large-eddy simulaiton,LES）技术,直接求解大尺度涡运动的Navier-Stokes方程,小尺度涡采用标准Smagorinsky亚格子模式模拟。为了示踪两相射流中气相的运动,同时球 解了标志物的浓度输运方程。颗粒相的运动用Lagrangian方法直接求解。大涡模拟结果表明,在平面射流的过渡区及充分发展区存在丰富的拟序结构及其相互作用。对于稀疏两相射流,不同Stokes数的颗粒运动规律和浓度分布取决于颗粒惯性和气相拟序结构的共同作用。对于Stokes数小于10的两相射流,颗粒相的瞬时浓度场分布与拟序结构密切相关,研究颗粒相的扩散应当考虑拟序结构的影响。     

不同亚网格尺度应力模型在燃油喷雾大涡模拟中的应用

亚网格尺度应力模型是影响大涡模拟结果的一个关键因素.在K-方程亚网格湍动能模型的基础上,对其它比较常用的3种代数模型(Smagoringsky模型、动态Smagoringsky模型和WALE模型)在燃油喷雾中的适用性作了探讨.在定容弹中采用3个不同的燃油喷雾试验作为数值模拟的验证对象,分析了喷雾的演变过程.并将其应用于...     

几何对称性处理对自由平面湍射流大涡模拟的影响

研究了几何对称性处理自由平面湍射流大涡模拟的影响,以Re数为113000的平面不可压缩湍射流流动为例,采用Chorin的分步投影法求解大尺度涡运动的Navier-Stokes方程,小尺度涡采用标准Smagorinsky亚格子模式模拟。初始条件采用平面射流无粘流动解,出流速度边界使用Sommerfeld辐射开边界条件处理,计算域的横向外边界使用自由裹入边界条件,对计算域的横向对称中心平面分别采用对称性条件和直接求解两种方法。模拟结果显示,采用对称性条件处理,会抑制自由平面湍射流中拟序结构的生长,阻碍大尺度涡从中心平面的穿透、长时间的统计平均不能给出合理的湍流低阶矩的时均结果。相反,对中心平面进行直接求解的做法能真实再现自由平面射流中涡的合并与破碎过程,得到合理的模拟结果。     

不同雾化角燃油超低NOx燃烧器的大涡模拟全文替换

采用大涡模拟方法分析不同雾化角对旋流非预混燃油低NOx燃烧器燃烧性能的影响。在充分燃尽的基础上,进行收敛性研究,对比分析两工况的温度场、速度场以及污染物排放情况,结果表明：大雾化角压力频谱低频段信息增加,燃烧室压力振荡强度增强,更易发生燃烧不稳定现象;雾化角的增大使得火焰集中分布在射流锥内侧,角回流区极少有火焰分布;大雾化角使得燃油径向雾化效果增强,轴向刺透深度减小,导致着火点提前,燃烧反应速率增大,使得炉膛最高温度升高,导致污染物排放水平升高。     

燃油喷雾过程的大涡模拟研究

将大涡模拟湍流模型应用于定容弹中的柴油喷雾过程的数值研究,同时以试验结果作为参照,与RANS(RNG κ-ε)模型进行了对比分析,考察r网格密度对计算结果的影响.结果表明:使用RANS模型,网格疏密对喷雾贯穿距影响很小;而大涡模拟计算的贯穿距随着网格的加密而减小,且更接近于试验值.另一方面,液滴索特直径对湍流模型以及网格的密度均不敏感.大涡模拟预测的燃油喷雾的各项特性均优于RANS模型,而且大涡模拟可以捕捉到湍涡的小尺度随机结构,从而更精确地预测湍流特性.     

燃油喷雾初始破碎及二次雾化机理的研究

基于大涡模拟LES(large eddy simulation)理论和VOF(Volume of Fluid)方法,考察了燃油喷雾初始时刻即时间尺度为微秒级的液柱破碎过程,分析了初始破碎的机理,给出了该时间尺度下液柱初始破碎过程的模型;通过对一特定条件下的柴油机喷油器的建模和喷雾过程的大涡数值模拟,获得了液柱初始时刻"伞状头部"的喷雾形态,所得计算结果与相应的试验数据符合较好;数值模拟还直观地展现了液滴背风RT破碎、哑铃型破碎以及液滴的聚集融合等液滴的二次雾化过程.同时,也说明了大涡模拟这种准直接数值方法较之DDM(discrete droplets model)方法所具有的优势和潜力.     

基于气液两相流大涡模拟研究柴油喷射的雾化过程

采用气液两相流大涡模拟对燃油雾化过程进行数值模拟.通过建立不同的计算边界研究了喷油器结构对喷孔内流及近喷孔区域燃油雾化特性的影响.在对比分析射流结构和喷孔内外流计算结果的基础上,讨论了射流初始扰动的产生机理及燃油雾化机理.根据计算结果发现:喷油器结构对喷孔内流有重要影响,实际喷油器的复杂结构会使燃油在离开喷孔前发展为湍流,湍流是导致初始扰动具有复杂频率和振幅组成的原因.边界突变是产生喷孔出口区域轴对称初始扰动的原因,该类型初始扰动具有单一的频率和振幅.     

双射流等离子体反应器大涡模拟研究

采用LES方法模拟研究双炬射流形式强化混合的等离子体反应器炬内轴向偏转角与动量比对流场结构及流体混合的影响。从平均流场、瞬时流场、湍流统计分析和混合特征进行了详细的分析,研究结果表明：高温对撞射流会产生偏斜振荡现象,振荡的相互作用会产生涡旋运动,混合流体的流动模式由涡旋对决定。增大偏转角后,涡量强度提升,短距离内温度与速度脉动更加显著,扩散效果更强,热等离子体射流对冷空气的卷吸作用会增强,物料的混合效果更好。     

顺压梯度环境下成型孔气膜冷却射流的大涡模拟

为了研究燃气轮机透平内部流向压力梯度(Streamwise Pressure Gradient, SPG)对气膜冷却效果的影响。采用大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)方法研究了在密度比1.5,吹风比1.6,孔出口加速系数K=1×10~(-6)条件下成型孔的冷却特性。通过实验对LES结果进行验证,比较零压梯度(Zero Pressure Gradient, ZPG)和顺压梯度(Favorable Pressure Gradient, FPG)的雷诺时均模拟(Reynolds Average Navier-Stokes, RANS)结果,并分析LES得到的时均流场和瞬时流场。结果表明:FPG促进发卡涡生成,促进主流和射流的掺混,同时抑制发卡涡抬升,对冷却有利。     

超声速气流中液体横向脉冲射流一次破碎的大涡模拟

为改善超燃冲压发动机液体燃料的雾化和混合效果,提出一种液体横向脉冲喷入超声速气流的喷注方式,并进行数值计算以探究射流脉动对一次破碎的影响.使用两相流大涡模拟(LES)算法计算超声速气流中液体的雾化,使用CLSVOF方法追踪气液界面,可压缩流动求解器求解气相,不可压缩求解器求解液相.结果表明:脉冲射流的表面破碎和液柱破碎都得到了增强,射流破碎长度显著缩短,在所研究的脉冲频率方案下,脉冲引起的不稳定性会替代Rayleigh-Taylor不稳定性,主导射流一次破碎;由于射流速度的脉动,脉冲射流的穿透深度相比于稳态射流可以提高20%,尾迹区宽度可以扩大25%,展现了更好的雾化和混合效果.     

波瓣混合器的大涡模拟

基于开源软件OpenFOAM,对波瓣混合器中的三维复杂流场结构进行了大涡数值模拟(LES),研究了其主要涡结构的形成及其发展规律。研究表明大涡模拟能够较好地捕捉到波瓣混合器中的涡结构特征。由于波瓣混合器的特殊几何外形,使得流向涡产生于波瓣混合器的波瓣处,并在出口截面形成了反向旋转涡对,随着流向距离的增加,涡对破碎成更小尺度的涡结构。与之相对应的,由于射流剪切层中的K-H不稳定性产生的正交涡形成在波瓣混合器的出口截面,其发展过程与流向涡呈现相似的规律。     

弱剪切平面湍流射流的直接数值模拟

采用直接数值模拟方法研究了弱剪切平面湍流射流的涡量场。其中“弱剪切”是指射流出口速度与伴随流速度的大小在同一数量级(文中为2：1)。计算结果精确捕捉到了大涡卷起、两涡配对及特殊的三涡合并现象。纵向速度U的平均分布与实验值符合得很好。由于涡量场关于射流轴线的完全对称性，雷诺应力的分布较为特殊。图6参8     

启喷压力对柴油雾化质量的影响

使用马尔文激光粒度仪研究了喷嘴的启喷压力对柴油雾化质量的影响。结果表明,随启喷压力的增大,喷雾液滴的索特平均直径D32和德布鲁克平均直径D43均减小,累积体积分布曲线向左偏移,到达某一累积体积的液滴直径减小,液滴的相对尺寸范围和发散边界均呈减小的趋势。这说明随启喷压力的增大,大颗粒液滴有所减少,小颗粒的液滴增多,雾化质量有明显地改善。