分层剪切湍流大涡模拟的一种动力学亚格子尺度模型

基于Yoshizawa涡粘性模型提出了一种适用于热分层剪切湍流大涡模拟的动力学亚格子尺度 (SGS)模型 ,包括SGS湍流应力和湍流热通量模型 ,计算验证了该模型的正确性 .进一步采用大涡模拟方法和该动力学SGS模型研究了稳定分层和不稳定分层槽道湍流的湍流特性 ,以及湍流主要变量关联量的变化规律 .同时 ,根据计算结果 ,预测了热分层槽道湍流的临界Richardson数 ,与理论分析结果基本相符 .     

确定湍流的涡输运系数的新方法

本文发展了一种从基本运动方程确定湍流的涡粘度、涡扩散率和湍流Prandtl数的理论方法,区别于唯象方法,不需要借助经验参数;应用于均匀湍流,得到与实验结果一致的湍流Prandtl数;并且能计算Boussinesq模型的误差,评估各种方法的优劣.     

大涡模拟的代数模型及其应用

大涡模拟是近十多年来发展起来的湍流研究的重要手段。本文介绍了大涡模拟的基本思想,提出了大涡模拟的代数模型,并详细地讨论了模型的建立。并将它应用于平直槽道和弯曲槽道中湍流的数值模拟,计算的初步结果表明本模型是可行的,并有望在进一步改善后可用于较复杂湍流的数值模拟。     

反映强流动曲率效应的非线性湍流模型

首先定性地分析了流线曲率效应对流场湍流结构的影响,然后以U型槽道流为典型算例,对多种湍流模型进行了评估．评估的模型包括:线性涡粘性模型,二阶和三阶非线性涡粘性模型,二阶显式代数应力模型和Reynolds应力模型．评估结果表明,性能良好的三阶非线性涡粘性模型,如黄于宁等人发展的HM模型以及CLS模型,可以较好地描述流线的曲率效应对湍流结构的影响,如凸曲率作用下内壁附近湍流强度的衰减和凹曲率作用下外壁附近湍流的增强,并且较好地确定了管道下游的分离点位置和分离泡长度,其预测的结果和实验符合较好,与Reynolds力模型的结果十分接近,因此可以较好地应用于具有曲率效应的工程湍流的计算．     

壁湍流多尺度湍涡结构推广的自相似标度律

在水槽中测量了中等雷诺数下平板湍流边界层中的瞬时流向速度的时间序列,验证了Benzi提出的推广的自相似标度律,用子波变换将壁湍流脉动速度分解为多尺度湍涡结构的速度,研究了每一个尺度的湍涡速度结构函数的推广的自相似标度律。主要结论如下:湍流的统计性质是自相似的,这不仅适用于充分发展湍流,而且适用于中等雷诺数和低雷诺数湍流,而且具有相同的标度指数;推广的自相似标度律的适用的尺度范围远远大于惯性子区的范围,可以一直延伸至耗散区的尺度范围;推广的自相似标度律不仅适用于均匀各向同性湍流,也适用于剪切湍流如边界层湍流。     

颗粒的有限尺寸对颗粒在均匀各向同性湍流中扩散的影响

本文指出固体颗粒对流体湍流运动的响应有不同的机理,颗粒受大涡的粘性拖动,但受小涡的随机碰撞.基于这种原理,本文计算了有限尺寸的固体颗粒在均匀各向同性湍流中的扩散.结果显示存在着二种相互抵消的效应:颗粒的惯性使颗粒长期扩散系数上升,而颗粒尺寸使颗粒的长期扩散系数下降.     

用子波谱分析壁湍流多尺度结构的能量传递

测量了壁湍流不同法向位置的流向速度.用子波变换研究湍流能谱,表明子波全局谱是Fourier谱按子波尺度加权平均的结果,高阶消失矩的子波变换能够表征湍谱的衰减特性;子波局部谱显示边界层内涡的变形、破碎等现象与边界层法向位置有关,含能涡结构呈多尺度分布,随着测点远离壁面,含能涡的尺度增大;在缓冲区出现更高频的小尺度含能涡,在外区能量集中在低频大尺度涡结构中,含能涡的频带变窄.     

湍流边界层内准流向发卡涡生成的数值模拟

采用根据共振三波理论模型建立的初始准二维流场和直接数值模拟方法,对湍流边界层近壁区流向涡的生成进行了研究．计算得到了准流向发卡涡和次生准流向涡结构的生成过程及其主要特征,讨论了它们的产生机理．作为相干结构的主要特征,利用共振三波理论模型对流向涡结构生成与演化过程的研究为湍流边界层内相干结构的研究与流动控制提供了新的途径和思路．     

湍流不同尺度间的近程和共振作用规律及应用

从Navier-Stokes方程出发,研究了湍流不同尺度间的相互作用规律,给出相近尺度间近程粘性应力的积分和微分表达式．引入极相近尺度之间共振相互作用的概念,得到共振粘性应力的微分表达式．利用共振粘性应力张量获得不含经验关系和常数、近似封闭的大涡模拟（LES）方程组．利用近程和共振粘性应力张量获得不含经验关系和常数、近似封闭的湍流多尺度方程组．讨论了湍流多尺度方程的性质及用于湍流计算的优点,尺度间相互作用的近程特性说明:多尺度模拟是湍流计算很有价值的方法,并列举了算例．     

粘性底层内横向速度强脉冲现象的机制探索 *

通过对直接数值模拟的槽道湍流数据库的研究,发现了粘性底层内横向速度的强脉冲现象.分析并研究了这种强脉冲现象的一般特征和对湍流的贡献以及与涡结构的关系.     

泄爆诱导的湍流、旋涡和外部爆炸

基于k-ε湍流模型和Eddy-dissipation燃烧模型,采用同位网格SIMPLE算法,对充满甲烷-氧气预混气的带导管柱形泄爆容器向空气中泄爆的情形进行了数值模拟．根据计算结果,分析了泄爆后外流场中可燃云团、火焰和压力的变化过程．结果表明,外部爆炸是因射流火焰点燃高压区中的可燃云团,从而引起的剧烈湍流燃烧所致．同时还讨论了外流场湍流和涡量的分布特征．射流火焰进入外部可燃云团后,湍流主要分布在平均动能梯度较大的区域,而不在火焰阵面上．涡量分布主要受斜压效应的影响,在压力和密度梯度斜交区域,其值较大．     

湍动尺度的模糊聚类分析

湍流运动可看成是大小不同尺度的涡体运动的叠加.定量地确定湍动尺度的分类,对于更好地描述不同尺度的涡体运动,探讨不同尺度涡体之间的相互作用,建立较好的湍流模式都具有重要的意义. 对事物按一定要求进行分类的数学方法,叫做聚类分析.由于湍动尺度的分类具有一定程度的模糊性,因而本文采用模糊聚类的方法,对壁面光滑及租糙两种边界条件下的湍动尺度进行了分类,并对各类结构的特性及其相互作用进行了探讨.     

一种改进的分层剪切湍流亚格子尺度模型及其应用

提出了一种新型的分层剪切湍流应力和湍流热通量的动力学亚格子尺度(SGS)模型,并就热分层槽道湍流问题,计算验证了该模型的正确性.采用大涡模拟方法和该动力学亚格子尺度模型,数值研究了在浮力和剪切双重作用下的稳定分层和不稳定分层槽道热剪切湍流,探讨了某些湍流特性随Richardson数的变化规律,并分析了相关的流动物理机制.     

用大涡模拟检验湍流模型

用大涡模拟方法对直方管内充分发展湍流运动的数值模拟，所建立的数据库可以用来检验湍流模型，本文中数据库被用来检验Ｄｅｍｕｒｅｎ和Ｒｏｄｉ文中所讨论的代数模型，并进行了讨论。     

槽道湍流中拟涡能输运对反向控制的瞬时响应

利用直接数值模拟研究了槽道湍流中脉动拟涡能输运对反向控制的瞬时响应． 发现流向和展向拟涡能的衰减首先由拉伸产生项的抑制引起,而法向拟涡能的减小是因为控制阻碍了平均剪切的倾斜．在控制的初始阶段,流向拟涡能的演化远远落后于其它两个分量的变化．法向涡量快速单调减小,并对其它两个分量的减弱起到了重要作用．     

直接数值模拟／大涡模拟中数值误差影响的研究

通过比较湍流的能谱和总动能,对数值误差(包括混淆误差、离散截断误差)、亚格子模型以及它们之间相互作用对直接数值模拟和大涡模拟的影响进行了系统研究.算例采用了三维各向均匀同性湍流.为了研究复杂几何形状,数值格式采用了谱方法和Pade紧致格式.大涡模型采用了truncated Navior-Stokes(TNS)模型结合Pade离散滤波器.结果表明直接数值模拟中离散误差对结果有很大影响,低阶格式会导致计算发散.而大涡模拟中亚格子模型不仅能表征小尺度对大尺度的影响,而且还缓解了数值误差对计算结果的影响.因而低精度格式也可取得不错的结果.     

稳定分层流动中湍流统计特性和输运特性的数值研究

采用大涡模拟方法研究了上下两层温度不同的稳定分层湍流,主要对其中的湍流尺度特性、统计特性和湍流输运特性,以及标量场的时空演化进行了分析研究.研究结果表明:浮力尺度沿流动方向先增加然后趋于某个稳定值,剪切越强,浮力尺度越大;翻转尺度沿流向也是逐渐增大,剪切越强,翻转尺度越大;统计特性的分析发现,在较大的区域内温度脉动的平坦因子都偏离Gauss分布,强分层条件下温度脉动的统计特性与速度脉动的统计特性有较明显差别;湍流混合的过程开始于小尺度运动,最后扩展到大尺度运动.     

浅水横流中异重冲击射流的大尺度涡结构

采用RNG湍流模型对浅水横流中异重冲击射流的大尺度涡结构进行了详细的数值研究．分析了冲击区滞止点上游壁面涡结构和近区Scarf涡结构的尺度、形成机理和演化特征．计算得到了上游壁面涡的特征尺度,结果表明上游壁面涡具有高度的三维性,其特征尺度依赖于流速比和环境水深．近区Sarf涡结构对横流冲击射流的横向浓度分布具有重要的影响．当流速比相对较小时,在底层壁射流与环境横流的横向边界附近出现明显的高浓度聚集现象,计算结果表明Scarf涡结构对这一高浓度聚集区的形成起主导作用．     

应用于非惯性系湍流模拟的扩展内禀旋转张量

研究扩展内禀旋转张量在非惯性系湍流模拟中的作用,特别是对代数Reynolds应力湍流模式(如非线性K-ε模式)的重要性．为此,采用几个近年来发展的非线性K-ε湍流模式模拟旋转坐标系下均匀剪切湍流,并且和大涡模拟的结果进行比较．计算结果和分析表明,需要发展更先进的非线性K-ε模式从而更好地描述非惯性系下的复杂湍流．     

底部加热肥皂泡上准二维湍流的数值模拟北大核心CSCD

底部加热的肥皂泡是一种全新的二维热对流模型,在实验中已发现肥皂泡上的岛涡运动规律与飓风轨迹规律一致.然而,肥皂泡的曲面特征对其准二维流场的数值模拟以及数据分析造成了较多困难.针对肥皂泡球面几何特征,该文介绍了其直接数值模拟(DNS)方法,及其流场空间波数谱、湍流通量和结构函数的计算分析方法.开展了Ra=3×10^(7),3×10^(9),3×10^(11)的数值计算,并获得了相应的波数谱、通量和湍流结构函数.计算结果表明,肥皂泡上速度的小尺度脉动特征满足Bo59的理论标度律,通过湍动能与拟涡能通量特征,发现在该准二维湍流场中存在湍流能量双级串现象.且随着Rayleigh数的增加,大尺度结构湍能量减小,更小尺度湍流结构能量增加.