非结构网格上大涡模拟数值方法研究

随着计算能力的飞速发展,在非结构网格上进行大涡模拟是研究叶轮机械真实几何结构下复杂流动问题的有效途径。本文针对非结构网格上数值格式人工黏性过大的缺点,利用湍流中动能级联特性,发展了适用于大涡模拟的低耗散数值格式,并结合亚格子模型,考察了其在基础湍流算例中的有效性。通过与传统迎风格式的对比,说明本文发展的低耗散格式可以显著提高非结构网格上大涡模拟的精度和可靠性。     

非结构网格上大涡模拟数值方法研究EI北大核心CSCD

随着计算能力的飞速发展,在非结构网格上进行大涡模拟是研究叶轮机械真实几何结构下复杂流动问题的有效途径。本文针对非结构网格上数值格式人工黏性过大的缺点,利用湍流中动能级联特性,发展了适用于大涡模拟的低耗散数值格式,并结合亚格子模型,考察了其在基础湍流算例中的有效性。通过与传统迎风格式的对比,说明本文发展的低耗散格式可以显著提高非结构网格上大涡模拟的精度和可靠性。     

R-T界面不稳定性及湍流混合的大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法研究R-T(Rayleigh Taylor)不稳定性,显示了不稳定发展的小扰动阶段、变形阶段、规则非线性阶段、不规则非线性阶段和湍流混合阶段界面演化与特征,分析了湍流混合层厚度增长的规律,同时还研究了湍流二阶相关量如动量、质量和能量通量在大尺度和亚格子尺度所占分量,验证了LES方法是处理R-T界面不稳定性和湍流混合的一种有效方法.     

ADS无窗靶件自由界面流动非稳态特性研究

加速器驱动次临界系统(ADS)无窗靶件设计的重点之一,是研究冷却剂自由界面形成和控制机理。本文使用水作为模拟工质,对无窗靶件模型的自由界面非稳态特征进行了实验研究并进行了数值模拟。采用激光诱导荧光方法对自由界面流场进行了可视化研究,得到了高雷诺数下的自由界面和可视化流场信息。可在高雷诺工况流场中可观察到大尺度非稳态涡结构,随着自由界面的波动,涡结构表现出几种典型的瞬态特征。采用大涡模型(LES)湍流模型结合自由界面追踪方法(VOF)对无窗靶件实验工况进行了数值模拟,计算能较好地模拟实验中所得的流场现象和界面特征。     

基于SBES方法的压气机叶片动态载荷研究

针对RANS湍流模型对流场中分离涡的模拟精度不足,导致无法准确计算出分离涡引起的叶片动态载荷问题,本文采用混合RANS-LES湍流模型中的SBES方法,对带进口导叶的NASA Stage67压气机进行了流固耦合数值模拟,研究上游叶片尾迹脱落涡、叶尖泄漏涡引起的压气机叶片动态载荷及气弹响应特征,并将SBES方法和SST湍流模型的计算结果进行了对比分析。结果表明,SBES方法相比SST湍流模型能更准确地模拟出叶片尾迹脱落涡、叶尖泄漏涡的详细结构,计算的叶片表面动态载荷波动特征更加复杂,频谱中频率成分更加丰富。两种湍流模型计算的导叶尾迹扫掠引起的转子叶片高频气弹响应幅值相近,而在计算流场中大尺度分离涡引起的叶片低频气弹响应幅值上存在很大差异。     

基于大涡模拟的小型转子发动机缸内湍流研究

本文应用大涡模拟的方法对小型转子发动机的缸内流场进行了三维数值分析,分别从拟序结构、湍流脉动和湍动能三个方面研究小型转子发动机缸内的瞬态湍流特征。计算结果表明,大涡模拟结合Q准则可以有效的识别小型转子发动机缸内流场的大尺度拟序结构。进气过程中高强度的涡团主要分布于燃烧室的前部和后部,压缩过程中高强度的涡团分布从燃烧室中部向后部转移。湍流在垂直于转子截面上的法向脉动最为剧烈,其中中部区域的剧烈程度远高于两侧。湍流在平行于前后端面的截面上的法向脉动最弱,没有明显的波动。从进气口打开到压缩上止点期间,缸内亚网格湍动能和平均气流速度出现两次明显的峰值,这分别与进气能量和大尺度涡团的破碎有直接的关系。     

气固两相平面混合层的直接数值模拟

本文采用直接数值模拟(DNS)方法研究了气固两相混合层的涡量场和颗粒扩散,分析了湍流混合层中涡结构的卷起和配对过程,并讨论了大尺度涡结构的配对过程对平均速度、雷诺应力的影响。同时分析了混合层中不同Stokes数的颗粒在涡结构的作用下的混合和扩散。结果显示Stokes数为1的颗粒主要分布在流场大尺度涡结构的外边界,而Stokes数为0.01在涡结构的作用下,在流场中充分混合。     

湍流边界层内流向涡的数值模拟研究

采用准二维共振三波作为湍流边界层近壁区相干结构初值,用直接数值模拟方法计算了流动从二维结构发展到三维结构并且伴随流向涡生成的整个过程,分析结果显示流向涡对湍流动能和质量传输有着重要作用,是湍流边界层相干结构的重要特征和运动形式.     

3维Mortar谱元法模拟Kelvin-Helmhtz不稳定性混合层

采用Mortar谱元法和多处理器并行计算技术模拟了Kelvin-Helmhtz界面不稳定性湍流的混合发展过程,通过对混合层动量厚度、能谱和总动能的计算,评估了Kelvin-Helmhtz混合层的演化机理。计算结果表明:3维Mortar谱元法具有高计算精度和光滑区域的指数收敛特性,可以有效模拟混合层流动的湍流混合和演化,能够捕捉到涡的合并现象和大涡到小涡的级联过程;初期的混合层层流运动发展成具有连续谱结构的湍流运动过程,实现了Kelvin-Helmhtz界面不稳定性混合层流动从2维发展到3维的转捩特征,总湍流统计动能的变化反映了粘性耗散过程的作用。通过对Kelvin-Helmhtz 3维界面不稳定性混合层流动和3维层流向湍流转捩过程的数值模拟,程序的有效性得到了验算,表明谱元法应用于湍流混合模拟是可行的。     

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。     

逆压梯度下层流分离泡转捩的大涡模拟

本文采用有限体积法,发展了适合复杂几何边界条件的可压缩流动大涡模拟程序,通过对槽道湍流的计算,验证了程序的可靠性。对低雷诺数、逆压梯度环境中的层流分离泡转捩现象进行了数值模拟,分析了其统计特性及大尺度相干结构的演化规律．初步的结果表明:大涡模拟可以很好地处理层流分离泡转捩问题,既能给出满意的统计平均结果,又可以通过相干结构的演化细致描述分离泡转捩的动力学过程。     

基于三角波瓣混合器的超声速流场精细结构和掺混特性

在超声速吸气式混合层风洞中,采用基于纳米粒子的平面激光散射(NPLS)技术对平板混合层和三角波瓣混合器诱导的混合层流场精细结构进行了对比实验研究.上下两层来流的实测马赫数分别为1.98和2.84,对流马赫数为0.2.NPLS图像清晰地展示了Kelvin-Helmholtz涡、流向涡、波系结构以及大尺度涡结构的配对合并过程.通过对比分析时间相关的NPLS流场图像,发现了大尺度拟序结构随时间发展演化的非定常特性.基于流动显示结果,采用分形维数和间歇因子指标对流场结构和混合特性进行了定量分析.实验研究表明,三角波瓣混合器诱导的流向涡结构显著提高了上下两层来流的掺混效率,其流动远场的分形维数突破了平板混合层中完全湍流区的分形维数值,达到了1.88,流场结构表现出明显的破碎性,有利于流动在标量层面的扩散和掺混.流动间歇性分析表明,流向涡与展向涡的相互剪切作用主导着混合层的掺混特性,同时由于流向涡的卷吸作用,三角波瓣混合器诱导的混合层混合区域更大,更多的流质被卷入混合区完成混合.     

多模态RM不稳定性对初始扰动条件的依赖性分析北大核心CSCD

利用可压缩多介质黏性流动和湍流大涡模拟程序MVFT,对多次冲击作用下的三维多模态Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性发展及其对初始扰动条件的依赖性进行了数值模拟分析。湍流混合区宽度在初始冲击后以幂次律增长,在反射冲击后和第一次反射稀疏波作用后,以具有不同增长因子的指数规律增长,在第一次反射压缩波作用后近似以线性规律增长;而湍流混合区统计量则以类似的规律衰减。多模态RM不稳定性发展对初始扰动条件有很强的依赖性,主要体现在初始冲击后至反射冲击前和反射冲击后至第一次反射稀疏波作用前这两个阶段,即在第一次反射稀疏波作用后,湍流混合区的发展逐渐失去对初始扰动条件的记忆。     

湍流模型在压气机转子尖区流动模拟中的对比研究

对比研究了六个常用的湍流模型预测压气机转子叶尖复杂旋涡流动的能力,选用的六个湍流模型分别为,混合长度模型,SA模型,标准κ-ε模型,SSTκ-ω模型,v2-f模型和雷诺应力模型.通过与压气机转子尖区典型的大尺度旋涡结构-泄漏涡和角区旋涡的SPIV详细测量结果的对比,分析了六个湍流模型预测转子尖区复杂流动的能力;在结合试验的基础上,根据数值模拟结果对转子尖区流动进行了更为深入的分析.     

不同亚格子模式在后台阶湍流流动大涡模拟中的应用

本文用大涡模拟方法研究了湍流后台阶流场中的大涡演变过程,并在此基础上研究了目前大涡模拟中比较常用的六种亚格子模式。在相同的流动几何参数以及计算条件下,给出了不同亚格子模式下湍流流动瞬时压力场以及流场中瞬时粘性大小的分布,尤其给出了流场瞬时演变的大尺度涡结构。将六种亚格子模式从回流区长度、计算时间、计算结果的准确性和流场稳定性等不同角度进行了比较。为选取合适的亚格子模式深入研究湍流耗散机理奠定了基础。     

圆柱近尾迹湍流涡结构的直接数值模拟

本文运用谱元方法对圆柱尾流进行直接数值模拟。通过对中等Re数（1000）时的圆柱近尾迹湍流涡结构的演变系统细致的研究,经过长时间流动计算,用速度矢量及相应涡结构示意图显示主涡,二次涡结构的相互作用,显示整个尾迹涡结构在一个周期内的演变过程,获得了在实验中难以清楚观察到的近壁流动特征。本文得到圆柱近壁处二次涡形成有两种不同的机理,并总结出涡的合并所需要的条件。     

旋流和无旋突扩流动的LES和RANS模拟

本文用smagorinsky-Lilly亚网格尺度湍流模型对旋流突扩流动(s=0.53)和无旋突扩流动(s=0)进行了大涡模拟(LES模拟),同时分别用压力应变项为IPCM和IPCM+Wall模型的雷诺应力方程模型进行了RANS模拟,和LES的统计结果对比。LES的统计结果与雷诺应力模型的模拟结果及实验对照表明,LES结果与实验结果的吻合比雷诺应力模型的好,说明所用的亚网格尺度湍流模型对旋流流动是适用的,LES结果是可信的。LES的瞬态结果揭示出在旋流作用下,流场中存在复杂的旋涡脱落现象。大涡结构极易破碎成小涡,而在无旋突扩流动的情况下,由于剪切的作用更强,大涡结构的尺寸和范围比旋流流动的要大。     

方柱绕流大涡模拟

采用有限体/有限元混合格式、非结构网格和大涡模拟方法求解可压缩的N-S方程,对Re=22 000的方柱绕流进行数值模拟,并对不同的边界条件进行详细的分析比较.通过对以往研究经验的总结和利用精细的边界条件,使得采用二阶精度的数值格式和较稀疏的网格仍然得到了令人满意的计算结果,甚至优于以往采用密网格的模拟结果.     

颗粒增强湍流的新模型和气粒流动的湍流变动

用雷诺应力方程模型和极细的网格系对单个颗粒受湍流气体绕流进行了数值模拟,研究了改变颗粒直径和气体相对速度时颗粒增强气体湍流的规律.据此构造了颗粒尾涡增强气体湍流的新模型.将此子模型加入到两相流动模型中,对竖直和水平通道内气粒两相流动进行了数值模拟,和实验结果的对照表明,考虑颗粒尾涡增强气体湍流效应得到的气体湍流脉动速度的模拟结果比不考虑此效应的模拟结果好得多.     

二维槽道湍流拟序结构的大涡模拟

本文采用大涡模拟的方法,对二维槽道湍流流动进行了数值模拟。采用Chorin的分步投影法求解大尺度涡运动的Navier-Stokes方程,小尺度涡采用三种亚格子（SGS）模式分别模拟,给出了不同亚格子涡粘性模式下的模拟结果。对固壁面采用了壁函数。模拟结果再现了二维槽道流动拟序结构的发展演变过程。通过对不同入口速度下的瞬态流场的比较,揭示了入口速度分布对流场的影响。