一种新的k方程转捩湍流模型

本文在分析了针对充分发展湍流模型建立的k方程湍流模型模拟转捩流动的能力之后，构筑了一种新的Fμ函数及相应的k方程湍流模型．将该模型应用于数值求解NS方程，模拟了中等来流湍流度下零压力梯度平板捩报流动，并将部分计算结果与实验结果及经验关系进行了比较．     

高负荷低压涡轮边界层转捩预测及其机理分析

本文利用数值模拟方法在不同雷诺数、自由来流湍流度(FSTI)下对某高负荷低压涡轮叶型边界层转捩流动进行了数值模拟,并与实验测试结果进行了对比。结果表明:该转捩模型在不同的雷诺数和FSTI情况下均可以得到满意的数值计算结果,而仪仪利用湍流模型得不到合理的计算结果;当进口特征雷诺数较低时,叶型表面长分离泡的出现在很大范围内改变了壁面处的静压分布;随着自由来流湍流度的提高,叶型吸力面分离点的位置靠后且其对应的再附点位置靠前,即分离泡长度较短,高来流湍流度可以减小叶型吸力面的分离区域,减小叶型损失。而较低的自由流湍流度则在叶型尾缘对应着较长的分离泡,增大了流动分离再附的预测难度。     

B-C转捩模型的DDES方法模拟转捩大分离流动

根据零压力梯度平板的实验数据对B-C转捩模型中的经验关联式进行标定.标定后的B-C转捩模型在进口湍流度较低的平板算例上可以提供更合理的转捩预测结果.但受限于RANS方法自身特性，B-C转捩模型对转捩后出现的大分离流动计算可靠性较差.结合延迟分离涡模拟SA-DDES方法和B-C转捩模型，发展了转捩-延迟分离涡模拟BC-DDES方法.三维S-K平板的数值模拟表明，BC-DDES方法能得到与B-C转捩模型一致的转捩结果.三维圆柱绕流的数值模拟表明，BC-DDES方法得到与实验符合的平均阻力系数和表面压力分布，并且计算花费比tHRLES方法少.     

前缘曲率对三维边界层内被激发出非定常横流模态的影响研究

三维边界层感受性问题是三维边界层层流向湍流转捩的初始阶段,是实现三维边界层转捩预测与控制的关键环节.在高湍流度的环境下,非定常横流模态的失稳是导致三维边界层流动转捩的主要原因;但是,前缘曲率对三维边界层感受性机制作用的研究也是十分重要的课题之一.因此,本文采用直接数值模拟方法研究在自由来流湍流作用下具有不同椭圆形前缘三维（后掠翼平板）边界层内被激发出非定常横流模态的感受性机制;揭示不同椭圆形前缘曲率对三维边界层内被激发出非定常横流模态的扰动波波包传播速度、传播方向、分布规律、感受性系数以及分别提取获得一组扰动波的幅值、色散关系和增长率等关键因素的影响;建立在不同椭圆形前缘曲率情况下,三维边界层内被激发出非定常横流模态的感受性问题与自由来流湍流的强度和运动方向变化之间的内在联系;详细分析了不同强度各向异性的自由来流湍流在激发三维边界层感受性机制的物理过程中起着何种作用等.通过上述研究将有益于拓展和完善流动稳定性理论,为三维边界层内层流向湍流转捩的预测与控制提供依据.     

层流叶片在压气机中的应用研究

压气机叶片表面层流流动及转捩现象的捕捉是研究压气机层流叶型的重点和关键。通过基于SST转捩模型的数值方法对某压气机叶型进行数值模拟分析,以精确捕捉普通湍流模型无法捕捉的叶片表面的层流流动及转捩现象,并给定叶片表面转捩的判定依据。在此基础上深入研究低雷诺数环境和高湍流度环境对压气机叶片表面层流流动的影响,验证了在实际压气机环境下,叶片表面的层流流动是可能存在的。为后续压气机层流叶型设计提供数值验证手段和可行性验证基础。     

尾流的双尺度简化模型及其大涡模拟建模

叶轮机中存在着复杂的湍流流动结构,如何准确地模拟湍流流动一直是工程界关注的核心问题。由于湍流在大部分区域都处于强非均衡态,根据均衡能量传输假设建立起来的RANS湍流模型和大涡模拟亚格子模型都不再适用。非均衡湍流的一个经典的模型流动是尾流,但通常意义上的尾流往往是无数不同尺度相互作用的结果,难以进行简化分析。本文构造了一个极度简化的双尺度尾流模型进行了直接数值模拟(DNS),结果显示在转捩前期就存在反向的非均衡能量传输。分别采用各种传统的RANS湍流模型和大涡模拟亚格子模型进行了数值模拟,发现各种模型都无法准确预测尾流转捩。在考虑非均衡能量传输机制后,通过流向速度梯度扭率构造的理性亚格子应力模型可以使大涡模拟模拟的转捩位置相对于标准Smagorinsky模型有所改善;不采用涡粘假设的改进速度增量(IVI)模型可以得到更加接近DNS的结果。这些结果为湍流模型进一步的改进提供了思路。     

应用GAO-YONG可压缩湍流模式数值模拟RAE2822翼型绕流

应用Gao-Yong可压缩湍流模式,数值模拟RAE2822二维翼型在两种不同来流情况下的跨音速粘性绕流问题.湍流模式的对流项用ROE格式离散,扩散项用中心差分格式离散,空间离散后的控制方程用多步Runge-Kutta显式时间推进格式求解.计算结果预测了翼型表面的压力系数的分布、平均速度剖面、激波的位置、马赫数等值线等情况.同时,对翼型表面激波与边界层相互干扰以及转捩问题进行分析计算,结果表明,Gao-Yong可压缩湍流模式结合适当的数值方法能够成功地模拟翼型跨音速粘性流动.最后,基于Gao-Yong可压缩湍流模式各项异性湍流粘性的机理,初步提出一种预测转捩起始位置的方法.     

无限薄平板边界层前缘感受性过程的数值研究

在边界层流中层流向湍流转捩机理的研究一直是人们所关注的重要理论课题之一.感受性阶段是边界层内整个转捩过程中的初始阶段,它在层流向湍流转捩过程中起着关键性的作用.但是,在过去的边界层前缘感受性研究中大多数都是针对外部声波小扰动,很少见到考虑在自由流中普遍存在的自由来流湍流作用下边界层内诱导前缘感受性问题的相关报道.本文采用直接数值模拟的方法,研究自由来流湍流与无限薄平板前缘驻点扰动作用下边界层流中前缘感受性过程的内在机理.数值结果发现,在自由来流湍流与无限薄平板前缘驻点扰动作用下边界层流中能被感受出一组小扰动波,且它们的色散关系、增长率、中性曲线等结果都与流动稳定性中的线性理论获得的理论解相一致,由此可知在边界层内被激发产生的一组小扰动波就是Tollmien-Schlichting波,这也证明自由来流湍流与无限薄平板前缘驻点扰动相互作用是激发边界层流中前缘感受性过程的另一种物理机理;另外,还探讨了自由来流湍流度以及自由来流湍流的运动方向对无限薄平板边界层前缘感受性过程有何影响等.总之,开展边界层前缘感受性过程的深入研究,有益于完善流动稳定性理论,将为层流向湍流转捩过程的预测提供合理的理论依据.     

基于温敏漆技术的圆锥高超声速大攻角绕流背风面流动结构实验研究

高超声速流动中, 大攻角下圆锥背风面边界层会存在流动分离与再附、边界层转捩等多种流动现象, 进而对圆锥表面温度分布产生显著的影响。为了对这一复杂流动规律及其对表面温升分布的影响进行讨论, 研究基于温敏漆技术, 得到了在Mach数为6的低湍流度来流条件下, 攻角为10°的圆锥背风面温升分布结果。通过对不同位置、不同方位角处温升分布曲线的分析, 对大攻角下圆锥背风面边界层流动发展过程及不同发展阶段的流动特征进行了讨论。同时, 通过对来流总压的调节, 得到了不同Reynolds数下的圆锥背风面温升分布结果, 总结了Reynolds数对流动的影响规律。研究发现, 高超声速大攻角圆锥背风面边界层流动发展过程中会依次出现层流分离、定常横流涡影响、转捩以及湍流分离与再附等流动特征, 而在不同的Reynolds数下, 各个流动特征产生影响的范围不同, 随着Reynolds数的降低, 层流范围和定常横流涡影响范围均有所增加, 而从观察到横流影响到转捩开始发生的范围基本相同。      

展向凹槽及泄流孔对高超声速平板边界层转捩影响的试验研究

针对展向凹槽和泄流孔对高超声速钝平板边界层转捩的影响,在中国空气动力研究与发展中心F2 m激波风洞(FD-14A)开展了试验及初步的计算与理论研究.试验的来流马赫数为6、单位雷诺数为3.3×107/m,平板的前缘半径为1 mm,攻角为–4°.在距平板前缘110 mm处布置三组不同的二维展向凹槽,凹槽的宽度与深度分别为凹槽1(2.5 mm,1 mm)、凹槽2(3.75 mm,1.5 mm)、凹槽3(5 mm,2 mm),同时凹槽1的两端可以打开泄流孔,记为凹槽4,不含凹槽时的光滑平板情况记为凹槽5或平板.采用热流传感器测量了不同情况下平板中心线的热流分布,测量结果显示,光滑平板情况在x≈340 mm处开始转捩,在x≈425 mm处转捩接近完成.凹槽导致平板边界层的转捩位置提前,且随着凹槽宽度及深度的增加,对转捩的促进作用增强,转捩位置向上游移动.凹槽1增加泄流孔后(凹槽4)其热流分布及转捩位置与光滑平板情况基本一致.边界层流动完全转捩为湍流后,各情况下的热流差别较小,表明不同规格的凹槽只影响转捩过程中的热流分布,对转捩完成后的湍流壁面热流影响较小.数值计算(CFD)结果显示,泄流孔导致了被动抽吸,试验结果显示凹槽两端的泄流孔抽吸效应抵消了凹槽对平板中心线边界层转捩的促进作用.采用线性稳定性理论(LST)及最优扰动方法分析了光滑钝平板情况的流动失稳机制.LST结果显示,本文平板流动不存在Mack第一模态、第二模态失稳,因此传统的模态失稳机制无法解释试验中观测到的转捩现象.最优扰动计算显示,平板流动存在较强的非模态失稳,可以定性解释观测到的转捩现象.     

Computational study of the laminar to turbulent transition over the SD7003 airfoil in ground effect

In this work, we present a numerical study of the laminar-turbulence transition flow around a symmetrical air-foil at a low Reynolds number in free flow and near the ground surface at different angles of attack. Finite volume method is employed to solve the unsteady Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) equation. In this way, the Transition SST turbulence model is used for modeling the flow turbulence. Flow around the symmetrical airfoil SD7003 is numerically simulated in free stream and near the ground surface. Our numerical method can detect different aspects of flow such as adverse pressure gradient, laminar separation bubble and laminar to turbulent transition onset and the numerical results are in good agreement with the experimental data.     

轴流泵端壁区域流动三维粘性数值计算

本文采用通用流场分析软件FLUENT,基于N-S方程,选用RNG κ—ε湍流模型与SIMPLEC算法,对轴流泵叶轮内部(及端壁间隙)流动进行了三维粘性数值计算。通过实验验证,表明数值计算结果和实测数据吻合较好。详细分析了叶顶附近流场形态以及叶轮出口轴向、周向速度分布,进行了性能预估。并给出了实验装置图。     

新型可压缩尺度在跨声速流动中的应用

基于von Karman长度尺度和新型Reynolds应力本构关系对k-ε湍流模型重构,将k方程封闭,采用代数形式对湍流耗散项进行模化.在KDO（kinetic dependent only）模型的基础上,引入可压缩von Karman长度尺度,得到一种适用于复杂可压缩流动的新型湍流模型CKDO（compressible kinetic dependent only）,在CKDO模型中没有任何经验系数,仅有两个来自边界层精细化标定的可调参数.对RAE2822翼型、轴对称圆筒管道凸起流动、ONERA-M6机翼跨声速流动等算例进行数值计算,结果显示CKDO湍流模型对上述算例流场的压力系数模拟结果与实验值吻合较好,表明CKDO模型能够对跨声速流场进行较为准确的模拟.      

Reversed rotation of limit cycle oscillation and dynamics of low-intermediate-high confinement transition

The dynamics of the confinement transition from L mode to H mode(LH) is investigated in detail theoretically via the extended three-wave coupling model describing the interaction of turbulence and zonal flow(ZF) for the first time.Thereinto, turbulence is divided into a positive-frequency(PF) wave and a negative-frequency(NF) one, and the gradient of pressure is added as the auxiliary energy for the system. The LH confinement transition is observed for a sufficiently high input energy. Moreover, it is found that the rotation direction of the limit cycle oscillation(LCO) of PF wave and pressure gradient is reversed during the transition. The mechanism is illustrated by exploring the wave phases. The results presented here provide a new insight into the analysis of the LH transition, which is helpful for the experiments on the fusion devices.     

垂直上升管泡状流压力波动的多尺度分析

从理想的单气泡运动物理模型和离散正交小波与统计相结合的信号处理技术研究了泡状流压力波动的机理与多尺度时频规律,得到以下结论:泡状流的压力波动主要来源于气泡的运动和诱导湍流及液相湍流,其中在低流速下前者产生的压力波动幅度大于后两者;存在一个临界频率,低于该频率压力信号均方根随频率的增加而增加,高于该频率压力信号均方根随频率的增加而减小;发生流型转变时压力信号的时频特征发生明显改变,最大均方根出现在更低的频率区。     

A Four-Equation Eddy-Viscosity Approach for Modeling Bypass Transition

It is very important to predict the bypass transition in the simulation of flows through turbomachinery. This paper presents a four-equation eddy-viscosity turbulence transition model for prediction of bypass transition. It is based on the SST turbulence model and the laminar kinetic energy concept. A transport equation for the non-turbulent viscosity is proposed to predict the development of the laminar kinetic energy in the pre-transitional boundary layer flow which has been observed in experiments. The turbulence breakdown process is then captured with an intermittency transport equation in the transitional region. The performance of this new transition model is validated through the experimental cases of T3AM, T3A and T3B. Results in this paper show that the new transition model can reach good agreement in predicting bypass transition, and is compatible with modern CFD software by using local variables.     

低压蒸汽透平排汽缸内三维粘性流动的数值模拟

采用三维粘性流场求解软件Fine／TURBO[1]对低压蒸汽透平下游排汽缸内的复杂流动进行数值模拟。计算中使用了Jameson的Runge-Kutta中心差分格式[2]和Baldwin-Lomax的代数湍流模型、计算结果同部分实验结果进行了对比,表明数值模拟揭示了排汽缸内复杂的旋涡结构,以及影响排气缸内压力恢复和总压损失的主要因素。     

Assessment of the shear-improved Smagorinsky model in laminar-turbulent transitional channel flow

In this paper, the shear-improved Smagorinsky model (SISM) is assessed in a K-type transitional channel flow. Our numerical simulation results show that the original SISM model is still too dissipative to predict the transitional channel flow. Two former reported empirical correction approaches, including a low-Reynolds-number correction and a shape-factor-based intermittency correction, are applied to further promote the capability of the SISM model in simulating the transition process. Numerical tests show that the shape-factor-based intermittency correction approach can correctly improve the transition-prediction capability of the SISM model, while the low-Reynolds-number correction approach fails. Furthermore, the shape-factor-based intermittency-corrected SISM model can capture the vortical structures during the transitional process very well and possesses the grid-insensitive characteristics.