直角和贴体坐标系下两种格子Boltzmann方法的比较研究

采用格子Boltzmann方法(LBM)和改进的插值格子Boltzmann方法(GILBM)研究了45°斜方腔的顶盖驱动流和Roach通道内的流动特性,并与基准解进行了对比。结果表明,对于45°斜方腔的顶盖驱动流,当雷诺数较小时,两种方法的计算结果与基准解吻合较好;但当雷诺数较大时,采用LBM的计算结果准确性降低,而基于GILBM方法得到的结果准确度升高,且计算稳定性好。对于Roach通道内的流体流动而言,两种方法的计算精度和复杂边界的复杂程度与雷诺数大小有关。根据流场边界形状的复杂程度,网格划分与计算精确度的不同要求,两种方法各有利弊。     

谱消去黏性谱元法大涡模拟

引入一种新的利用谱元法进行湍流大涡模拟的方法: 谱消去黏性法.谱消去黏性法原是为了解决双曲型问题谱逼近的稳定性而引进的,最近人们发现它还可用于湍流大涡模拟. 与其它大涡模拟方法相比,这种方法几乎不必修改原代码便可在标准的谱元法中实现,而且几乎不增加计算量. 文章使用谱元法结合谱消去黏性法对雷诺数12\,000时的三维驱动方腔流进行湍流大涡模拟,并提供了模拟的初步数值结果及其统计分析,湍流统计特性表明得到的结果与已知的实验和直接数值模拟结果有较好的一致性. 另外,还考察了不同的谱消去黏性参数对稳定性和模拟结果的影响.      

N-S方程基于投影法的特征线算子分裂有限元求解

提出了一种求解非定常不可压缩纳维-斯托克斯方程（N-S方程）的新型有限元法:基于投影法的特征线算子分裂有限元法.在每一个时间层上将N-S方程分裂成扩散项、对流项、压力修正项.对流项采用多步显式格式,且在每一个对流子时间步内采用更加精确的显式特征线-伽辽金法进行时间离散,空间离散采用标准伽辽金法.应用此算法对平面泊肃叶流、方腔流和圆柱绕流进行数值模拟,所得结果与基准解符合良好.尤其对于Re=10000的方腔流,给出了方腔中分离涡发展和运动的计算结果,并发现在该雷诺数下存在周期解,表明该算法能较好地模拟流体流动中的小尺度物理量以及流场中分离涡的运动.      

水平管内气液两相螺旋流实验研究

为研究水平管内气液两相螺旋流的流动特性,开展了以空气和水为实验介质,含气率为10％～90％,气相折算速度为0.01～3.4m/s,液相折算速度为0.05～2.7m/s的气液两相螺旋流实验.利用高速摄影机记录并参考借鉴相关研究结果分析和划分了不同工况下的流型;给出了水平管内气液两相螺旋流的流型图;研究了不同流速、不同起旋参数对流动特性(压降、流型衰减、螺距、螺旋直径以及流型转换边界等)的影响.实验结论如下:将水平管内气液两相螺旋流的流型划分为螺旋波状分层流、螺旋泡状流、螺旋团状流、螺旋线状流、螺旋轴状流、螺旋弥散流6种;将绘制的流型图与经典Mandhane流型图进行对比,出现了线状流、弥散流和轴状流3种新的流型;泡状流的分布基本不变,层状流的分布发生变化,当气相流速在2m/s以内时是线状流和轴状流,而不是层状流;随着液相流速的提高,管内两相流动的损失逐渐变大,流型的衰减程度变弱,螺旋扭矩逐渐变大,螺旋直径逐渐变小.另外,随着叶轮角度的增大或者随着叶片面积的减小,流型转换边界均向进气量增大的方向推移.而当进气量一定时,随着叶轮角度的增大或者随着叶片面积的减小,同样流型转换边界趋于进水量增大的方向.最后,随着起旋角度的增大或者随着叶片面积的减小,压降均有逐渐变大的趋势.     

后台阶分离流动中大涡结构演变的数值模拟

本文对后台阶分离流动中涡结构的演变进行了大涡模拟，研究了流场结构的变化规律。详细讨论了随着雷诺数的增加流场结构的典型特征的变化规律，指出流场中的涡结构随着雷诺数的增大变得十分复杂和丰富，回流区的数目、大小及其出现的位置也显著地不同。这些结果与已有的一些实验值和流场显示结果是吻合的。在此基础上，进一步研究了高雷诺数时流场中大尺度涡结构的瞬时发展和演化过程，展示了其中大涡的产生、追随、吸引、合并和破碎等过程。对于高雷诺数情况，对大涡模拟得到的数值结果进行了统计，得到的时均速度分布以及台阶后方的回流区长度与现有的其他实验结果符合得很好。本研究是针对后台阶分离流动深入开展湍流控制以及两相流动研究的基础。     

机身后体气动特性及其张线支撑影响研究

以民用机后体为对象，对四线、六线和八线3种张线布局对后体分离流型、旋涡结构及气动 特性的影响进行了研究，实验是在北航D-1风洞中进行的，实验ReD = 2.148×105. 实验研究表明：随迎角从- 10°增加到20°，收缩上翘民用机后体的绕流涡系由下涡系转变为上涡系，直到多涡系结构，相应的分离流 态由上分离流型转变为下分离流型；张线对机身后体绕流流场的影响一方面通过对绕流旋涡 的干扰起作用，张线尾迹区的低能流会降低绕流旋涡对机身表面的诱导作用， 采用1mm张线，对于四线、六线和八线3种支撑型式，机身后体分离流型及旋涡结构未 发生明显改变.     

NUMERICAL SIMULATION FOR NAVIER-STOKES EQUATIONS BY PROJECTION/CHARACTERISTIC-BASED OPERATOR-SPLITTING FINITE ELEMENT METHOD

提出了一种求解非定常不可压缩纳维-斯托克斯方程（N-S方程）的新型有限元法：基于投影法的特征线算子分裂有限元法.在每一个时间层上将N-S方程分裂成扩散项、对流项、压力修正项.对流项采用多步显式格式,且在每一个对流子时间步内采用更加精确的显式特征线-伽辽金法进行时间离散,空间离散采用标准伽辽金法.应用此算法对平面泊肃叶流、方腔流和圆柱绕流进行数值模拟,所得结果与基准解符合良好.尤其对于Re=10000的方腔流,给出了方腔中分离涡发展和运动的计算结果,并发现在该雷诺数下存在周期解,表明该算法能较好地模拟流体流动中的小尺度物理量以及流场中分离涡的运动.     

大涡模拟的壁模型及其应用

大涡模拟是研究湍流的非定常特性的重要方法. 但解析壁面层的大涡模拟所需的计算量与直接数值模拟相当,是大涡模拟在高雷诺数壁湍流数值模拟中所面临的主要困难. 解析壁面层所需的网格尺度与壁面黏性长度同量级,是引起壁湍流大涡模拟计算量增加的主要原因. 壁模型通过模化近壁流动避免了完全解析壁面层,可以显著地降低壁湍流大涡模拟的计算量,是克服上述困难的有效方法. 本文介绍了大涡模拟壁模型的主要类型;详细讨论了常用的壁面应力模型,特别是平衡层模型和双层模型的构建思路和特点;基于近壁流动的特征讨论了应力边界条件的必要性和适用性;指出了壁面应力模型的局限性以及考虑非平衡效应修正的各种方法;讨论了壁面应力模型的研究历史、最新进展和发展趋势,给出了常用的壁面应力模型的分支与发展关系图;并基于Werner-Wengle模型实现了周期山状流的大涡模拟.      

大涡模拟的壁模型及其应用

大涡模拟是研究湍流的非定常特性的重要方法.但解析壁面层的大涡模拟所需的计算量与直接数值模拟相当,是大涡模拟在高雷诺数壁湍流数值模拟中所面临的主要困难.解析壁面层所需的网格尺度与壁面黏性长度同量级,是引起壁湍流大涡模拟计算量增加的主要原因.壁模型通过模化近壁流动避免了完全解析壁面层,可以显著地降低壁湍流大涡模拟的计算量,是克服上述困难的有效方法.本文介绍了大涡模拟壁模型的主要类型;详细讨论了常用的壁面应力模型,特别是平衡层模型和双层模型的构建思路和特点;基于近壁流动的特征讨论了应力边界条件的必要性和适用性;指出了壁面应力模型的局限性以及考虑非平衡效应修正的各种方法;讨论了壁面应力模型的研究历史、最新进展和发展趋势,给出了常用的壁面应力模型的分支与发展关系图;并基于Werner-Wengle模型实现了周期山状流的大涡模拟.     

明渠流动若干特性初探

解析定量计算了光滑边壁条件下明渠内部平均流和脉动流能量间的分配关系,得到了平均流粘性耗散能量、脉动流能量、脉动流取自平均流能量之间的关系表达式.分析了能谱的结构形式,从工程应用的角度初步勾勒了恒定流动光滑边壁条件下明渠内部能量分布的轮廓.讨论了壁面剪切流层内的流场结构和特性,研究了Navier-Stokes方程的标度变换等一些定量的指标,从标度和流速分布之间的相互关系入手,对这些指标及其间的相互关系进行了讨论.分析了二维平行壁面剪切流内部流动结构的机理和特性,指出能量传递和不同阶段的不同结构有关,能量耗散和扩散与共振和锁频密切相联系.从另一个角度阐释雷诺数的物理意义,以突出雷诺数和涡之间的关系,强调雷诺数是空间点和时间的函数.