四阶精度显式滤波大涡模拟方法研究

在传统大涡模拟方法的基础上引入显式滤波技术,有效地控制了最小解析尺度区域的各种数值误差.对有限差分格式的守恒特性进行了研究,发展了适用于三维平板通道大涡模拟的四阶精度守恒格式.分别利用二阶和四阶精度的传统与显式滤波大涡模拟程序模拟平板通道内的湍流流动,将计算结果与DNS数据进行了对比,得到了合理结果.     

近壁湍流的降阶模型及应用

由条带和流向涡的循环再生构成的近壁自维持过程(self-sustaining process, SSP)是壁湍流产生和维持的重要机制. 文章通过对最小槽道的直接数值模拟(direct numerical simulation, DNS)获得近壁自维持过程的流场数据, 采用正规正交分解法(proper orthogonal decomposition, POD)对该数据进行分析, 获得了不同流向和展向尺度的特征模态, 通过将Navier-Stokes方程在这些模态上进行投影, 得到近壁自维持过程的降阶模型, 并采用DNS数据对降阶模型的预测能力进行了评价. 该模型被初步应用于大涡模拟近壁模型的构造.      

气膜冷却计算中湍流黏性系数的修正

燃气轮机高温叶片气膜冷却中的复杂涡系结构使得流动传热很难被准确预测.本文基于平板气膜冷却数值和实验研究结果,指出雷诺平均算法中常用的湍流模型在射流侧向输运和二次涡的捕捉上具有相当的局限性.文中对湍流黏性系数提出了各向异性对数率涡黏模型(ALEV模型)修正,基于ALEV模型修正后的湍流模型增强了射流的侧向输运,减弱了二次...     

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。     

不同亚格子模型在亚声速槽道流大涡模拟中的应用对比

湍流边界层流动是一种广泛存在于飞行器内部和外部的流动现象，是基础理论和模型验证的重要研究对象.能够捕捉大部分流动细节且计算量适中的大涡模拟（large-eddy simulation，LES）方法在湍流数值模拟中得到了越来越广泛的应用.文章基于格心有限差分方法，使用4阶紧致中心格式离散N-S方程无黏项，分别应用5种不同的亚格子（subgrid-scale，SGS）模型，即隐式，SM（Smagorinsky model），DSM（dynamic Smagorinsky model），WALE（wall-adapting local eddy-viscosity model）和CSM（coherent structures model），对Re = 3 000，Ma = 0.5的等温壁面槽道流动进行了大涡模拟研究.与实验值和直接数值模拟（direct numerical simulation，DNS）结果对比后发现，流场平均温度、平均密度等热力学量以及平均流向速度对亚格子模型不敏感，不适宜作为判断模型优劣的判据.亚格子模型在壁面附近的耗散越大，壁面摩擦速度以及阻力系数就越小.对于与速度相关的脉动量来说，不同模型得到的结果在壁面和脉动峰值附近误差比较大，中心线附近较小；显式模型结果在流向速度峰值处均高于参考值，而在展向和壁面法向速度脉动峰值处则均偏低.考虑显式的4种模型在壁面附近的涡黏系数分布，DSM和CSM曲线满足涡黏系数与无量纲壁面距离3次方成正比的分布规律，SM曲线斜率偏小而WALE曲线斜率偏大.      

双大涡模拟方法模拟提升管内气固两相流动

基于Smagorinsky涡黏模型以及颗粒动理学理论,建立了气固两相流双大涡模拟模型。考虑大涡模拟中过滤尺度的影响,给出颗粒相亚格子压力和热传导系数计算模型。考虑颗粒聚团对两相作用的影响,给出了考虑颗粒聚团作用的气固两相多尺度曳力系数模型。数值模拟了提升管内气固两相流动特性,合理地预测出了提升管内气固两相环-核流动结构。模拟结果与Knowlton等实测结果相吻合。     

圆形射流湍流场的大涡模拟研究

使用发展的大涡模拟并行程序,数值模拟了圆形射流湍流场,与实验值进行详细比较,对大涡模拟程序进行检验,并分析网格尺度对计算结果的影响。结果表明,大涡模拟计算的平均速度场和雷诺应力场与实验值符合得非常好,验证了该大涡模拟计算程序的可靠性和精确度。同时发现一阶统计矩受网格尺度影响不大,二阶及高阶矩与网格尺度有较大的关系,因此使用大涡模拟方法计算湍流及湍流燃烧问题应对网格依赖性进行必要分析,至少保证二阶统计矩具有较好的精度。     

稳态燃烧室进气过程的大涡模拟

为精确描述燃烧室进气过程中的流场动态特性,本文应用大涡模拟模型对燃烧室稳态进气过程进行三维瞬态数值模拟研究,着重考察了三种不同亚网格模型(SGS)的性能,这三种SGS模型是:代数Smagorinsky模型、动态Smagorinsky模型和单方程动态动能输运模型(LDKEM)。计算结果表明LEDKEM模型和动态Smagorinsky模型均能较好地反映流场的瞬变性和随机性,前者性能最佳;而代数Smagorinsky模型精度较差,且不能模拟流场的微结构。     

超声速后台阶流动/射流相互作用的数值模拟

采用高精度格式求解二维Navier-Stokes方程研究超声速射流与同向超声速后台阶流动相互作用的流场基本结构及规律,分别应用5阶WENO格式、6阶中心差分格式离散对流项和黏性项,时间推进采用3阶Runge-Kutta格式,并应用消息传递接口（message passing interface,MPI）非阻塞式通信实现并行化.分别研究了超声速后台阶流动、超声速射流的基本结构特征,以此讨论和分析超声速后台阶流动/射流相互作用的特征,以及不同来流条件对波系结构、涡结构、剪切层、膨胀扇等的影响,尤其是来流剪切层和射流剪切层的相互作用,形成复杂的波系结构及相互干扰的流动现象.      

过渡区微尺度流动的有效黏性多松弛系数格子Boltzmann模拟

为提高采用二维九速离散速度模型的格子Boltzmann方法 (LBM)模拟微尺度流动中非线性现象的精度和效率,引入Dongari等提出的有效平均分子自由程对黏性进行修正(Dongari N,Zhang Y H,Reese J M2011 J.Fluids Eng.133 071101);并针对以往研究微尺度流动时采用边界处理格式含有离散误差的问题,采用多松弛系数格子Boltzmann方法结合二阶滑移边界条件,对微尺度Couette流动和周期性Poiseuille流动进行模拟,并将速度分布以及质量流量等模拟结果与直接模拟蒙特卡罗方法模拟数据、线性Boltzmann方程的数值解以及现有的LBM模型模拟结果进行对比.结果表明,相对于现有的LBM模型,引入新的修正函数所建立的有效黏性多松弛系数LBM模型有效提高了LBM模拟过渡区的微尺度流动中的非线性现象的能力.     

求解Navier-Stokes方程组的组合紧致迎风格式

给出一种新的至少有四阶精度的组合紧致迎风(CCU)格式,该格式有较高的逼近解率,利用该组合迎风格式,提出一种新的适合于在交错网格系统下求解Navier-Stokes方程组的高精度紧致差分投影算法.用组合紧致迎风格式离散对流项,粘性项、压力梯度项以及压力Poisson方程均采用四阶对称型紧致差分格式逼近,算法的整体精度不低于四阶.通过对Taylor涡列、对流占优扩散问题和双周期双剪切层流动问题的计算表明,该算法适合于对复杂流体流动问题的数值模拟.     

基于大涡模拟的移动粒子半隐式算法

移动粒子半隐式方法(MPS)是一种粒子方法,多用于模拟带有自由表面的不可压缩流动。工程实际中的自由表面流动往往是复杂的湍流流动,本文借鉴网格类方法的亚格子应力模型发展了基于Smagorinsky模型的亚粒子应力模型,并将其耦合到MPS方法中,实现了基于大涡模拟的MPS方法并用于研究自由表面湍流问题。为了提高计算的准确性和稳定性,SPS模型中出现的一阶导数项采用最小二乘法拟合得到,SPS项采用显式算法进行计算。使用这一算法模拟了溃坝问题,结果表明,采用亚粒子应力模型的模拟结果与实验的吻合程度明显提高。     

鼓泡流化床埋管磨损量及其分布的数值研究

本文采用离散颗粒单元法对流化床内颗粒运动及其与固定埋管受热面的相互作用进行颗粒直接数值模拟,其中颗粒之间的碰撞采用Tsuji等提出的软球碰撞模型处理,而流场的计算采用大涡模拟,其亚网格应力为Smagorinsky涡黏性模型,流动工况为两维鼓泡流化床.磨损量的估计是基于祝京旭等人的埋管磨损试验研究的结论,并结合本文数值模拟的结果,揭示了流化床埋管磨损量及其分布的若干规律.     

H_2/N_2/O_2射流扩散火焰的直接数值模拟

直接数值模拟(DNS),大涡模拟(LES)与雷诺时均模拟(RANS)是数值模拟燃烧流动的三大主要方法,而射流扩散火焰在燃烧理论,实验研究与数值模拟中都扮演着十分重要的角色,本文采用完全可压缩的Naive-Stokes方程,对喷口直径为D=1 mm,Re=2000的射流扩散火焰进行了直接数值模拟.本文首先分析了冷态时H_2,O_2的混合,发现燃料与氧气在流向长度大于6D后的区域混合得十分充分.随后本文分析了燃烧后的统计特性,主要包括速度场,密度,温度以及主要组分与混合分数的分布,并将DNS结果与实验结果进行对比分析.     

一种改进后的亚格子特征尺度表达式

针对大涡模拟涡粘性亚格子模式中使用网格尺度为特征尺度存在的不足,提出一种改进的亚格子特征尺度表达式,利用结合Sagaut混合尺度模式获得的改进模式与Smagorinsky模式、Germano模式和Sagaut模式等进行对比研究.时间发展混合层和中性大气边界层的大涡模拟结果表明,改进的有效亚格子特征尺度能合理反映亚格子脉动的时空分布特性,同时扩展了适用范围.在对耗散程度、流动演化过程、可解湍流强度和可解雷诺应力等方面的模拟,改进模式优于基准模式,表明亚格子脉动有效特征尺度在大涡模拟中具有一定的理论基础和广泛的应用价值.     

无人机多光谱影像的小麦倒伏信息多特征融合检测研究

为探究多特征融合方法在作物倒伏领域快速精准识别中的适用性,利用无人机获取多田块冠层尺度的不同倒伏率麦田多光谱数据,对原始倒伏图像进行图像拼接、辐射校正、几何校正等预处理,并利用重归一化差值植被指数和阴影指数分别剔除土壤和阴影背景,提取小麦倒伏DSM模型和植被指数分别与多光谱图像进行多特征图像主成分变换融合,筛选差异性较大的纹理特征,采用支持向量机(SVM)、人工神经网络(ANN)和最大似然法(MLC)监督分类模型对多光谱和DSM融合图像、多光谱和归一化植被指数(NDVI)融合图像、多光谱图像和纹理特征图像进行监督分类,并采用总体精度(OA)、 Kappa系数和提取误差综合评价各监督模型的分类性能和倒伏提取精度。分类结果表明：各监督分类方法在不同倒伏区域提取结果建模效果趋势一致,SVM和ANN整体提取精度高于MLC,在高倒伏区域,多光谱与NDVI融合图像的SVM监督模型(OA:92.63%, Kappa系数：0.85,提取误差：1.11%)提取效果最好;在中倒伏区域,多光谱与DSM融合图像的SVM监督模型(OA:90.35%, Kappa系数：0.79,提取误差：9.34%)提取效果最好...     

插值小波尺度法探地雷达数值模拟及四阶Runge Kutta辅助微分方程吸收边界条件

应用迭代插值方法构造了插值小波尺度函数,并将该尺度函数的导数用于离散Maxwell方程组的空间微分,使用四阶Runge Kutta(four order Runge Kutta,RK4)算法计算时间导数,导出了插值小波尺度法的探地雷达(ground penetrating radar,GPR)正演公式,与常规的基于中心差分的时域有限差分算法(finite difference time domain,FDTD)相比,插值小波尺度算法提高了GPR波动方程的空间与时间离散精度.首先,采用具有解析解的层状模型,分别将FDTD算法及插值小波尺度法应用于层状模型正演,单道雷达数据与解析解拟合表明:相同的网格剖分方式,插值小波尺度法比FDTD具有更高的精度.然后,将辅助微分方程完全匹配层(auxiliary differential equation perfecting matched layer,ADE-PML)边界条件应用到插值小波尺度法GPR正演中,在均匀介质模型中对比了FDTD-CPML(坐标伸缩完全匹配层),FDTD-RK4ADE-PML、插值小波尺度RK4ADE-PML的反射误差,结果表明:插值小波尺度RK4ADE-PML吸收效果优于另外两种条件下的吸收边界.最后,应用加载UPML(各向异性完全匹配层)的FDTD和RK4ADE-PML的插值小波尺度法开展了二维GPR模型的正演,展示了RK4ADE-PML对倏逝波的良好吸收效果.     

基于FGM的湍流射流扩散火焰超大涡模拟

为了研究超大涡模拟(VLES)预测湍流燃烧问题的能力,本文采用VLES结合基于假定概率密度函数的火焰面生成流型(FGM)建表湍流燃烧模型对值班甲烷/空气湍流射流扩散火焰(Sandia Flame D)开展了高精度数值研究,并与实验结果进行了详细比较。结果表明本文发展的VLES-FGM方法可以较准确地预测出湍流射流扩散火焰中的非稳态燃烧过程,且VLES湍流模拟方法对于湍流燃烧问题具有较大的应用潜力。     

新型大涡数值模拟亚格子模型及应用

基于湍流大小尺度间动量输运的结构函数方程，提出了一种新的湍流大涡模型(LES)亚格子涡粘模式．新亚格子涡粘系数正比于纵向速度增量的扭率，它表征大小尺度湍流间的能量输运和耗散之比．新模式通过各向同性湍流直接数值模拟数据库的检验，并用于槽道湍流的大涡模拟计算，将所得结果与DNS结果进行了比较．     

有限差分格式的一个通用色散-耗散条件

通过分析显式有限差分格式的数值色散和数值耗散,导出一个适于有限差分格式的通用色散-耗散条件.根据群速度和耗散率之间的物理关系,确定了用以抑制数值解中伪高波数波所需要的适度耗散.在以往发展的低耗散加权基本无振荡格式WENO-CU6-M2上的应用表明,该条件可用作优化线性或非线性有限差分格式的色散和耗散的通用指导准则.此外,满足色散-耗散条件的改进WENO-CU6-M2格式还可选作低分辨率数值模拟,以三维Taylor-Green涡向湍流转捩和自相似能量衰减问题展现了它的这种能力.与经典的动态Smagorinsky亚网格尺度模型相比,在Reynolds数Re=400~3000条件下,无黏和黏性Taylor-Green涡的数值模拟结果均得到明显改善.在保持激波捕捉特性同时,与最新的隐式大涡模拟模型的计算效果相当.