RESEARCH ON IMPROVEMENTS OF LRN TURBULENCE MODEL BASED ON FLOW AROUND AUTOMOBILE BODY 1)

本文将汽车绕流模块化为各典型局部流动,通过常用湍流模型对各典型局部流动进行数值模拟,结果验证了湍流模型对转捩的捕捉能力是准确模拟汽车绕流的关键. 在分析汽车绕流分离及转捩机理的基础上,优化了稳态和瞬态求解方法,改进了湍流模型对转捩的预测能力,进而提高了湍流模型在汽车流场模拟上的精度. 针对汽车绕流的稳态问题,将流线曲率因子及 响应阈值引入 LRN $k$-$\varepsilon $ (low Reynolds number $k$-$\varepsilon $) 模型,获得了一种能够更准确预 测转捩的改进低雷诺数湍流模型 (modified LRN $k$-$\varepsilon $),改善了原模型对湍流耗散率的过强依赖性及全应力发展预测不足等问题;针对汽车绕流瞬态求解,通过分析 RANS/LES 混合湍流模型的构造思想及特点,引入约束大涡模拟方法,结合本文提出的改进的 LRN $k$-$\varepsilon $ 湍流模型,提出了一种能准确捕捉转捩现象 的转捩 LRN CLES 模型. 分别将改进的模型用于某实车外流场和风振噪声仿真中,通过 Ansys Fluent 求解器计算,并将计算结果与常用湍流模型的仿真结果、HD-2 风洞试验结果和实车道路实验结果进行对比,表明改进后的湍流模型能够更准确模拟复杂实车的稳态和瞬态特性,为汽车气动特性的研究提供了可靠理论依据及有效数值解决方法.     

天然弯曲河流的三维数值模拟

对Cartesian坐标系下的RANS方程进行三维$\xi$-$\eta$-$\zeta$坐标变换，建 立了非正交三维曲线坐标下弯曲河流的标准$k$-$\varepsilon$湍流模型. 对自由水面 的模拟采用``改进的刚盖假定'，河床和岸壁阻力的模拟采用壁面函数方法. 模型通 过具有实验数据的实验室连续弯曲水槽进行验证，模拟的流速值与实验数 据吻合良好，将模型应用于天然连续弯曲河流的流场计算，给出了表层和底层流速 矢量场和11个断面二次环流矢量图，显示该模型具有模拟天然弯曲河流的能力.     

超声速平板边界层斜波失稳转捩过程研究

以5阶迎风和6阶对称紧致格式混合差分求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程，对Mach 数为4.5, Reynolds数为10000的空间发展平板边界层湍流进行了大涡模拟. 时间推进采用 紧致存储3阶Runge-Kutta方法，亚格子尺度模型为修正Smagorinsky涡黏性模型. 通过在 入口边界叠加一对线性最不稳定第一模态斜波扰动，数值模拟得到了平板层流边界层失稳转 捩直至湍流的演化过程. 对流场转捩过程中瞬时量及统计平均量的分析表明，数值模拟结果 与理论吻合，得到的Y型剪切层、交替\Lambda涡结构以及转捩后期的发卡涡结构的发展 变化与相关文献结果一致，湍流流谱定性合理.     

基于CFD流态分析技术的座便器虹吸管道优化设计

在Fluent软件中应用RNG $k$-$\varepsilon$湍流模型及流体体积函数(VOF)对座便 器内部三维湍流流动进行了雷诺平均N-S方程的数值模拟，得到 了座便器内流场三维流动形态，研究了座便器虹吸管内流动规律，分析了虹吸管形状对流速 分布、压力分布及虹吸性能的影响，以三维湍流场的分析结果为依据，实现了座便器虹吸管 道的优化设计. 通过PIV测试数据验证了三维湍流数值模拟结果的准确性.     

低碳钢压缩应力-应变曲线的讨论

针对当前材料力学、工程力学教材中低碳钢受压极限强度无法测定的结论，通过对 低碳钢压缩$F$-$\Delta l$曲线进行二次处理，获得了低碳钢压至鼓状的真 实$\sigma _t $-$\varepsilon _t $曲线，有利于学生对名义$\sigma $-$ \varepsilon $, 真实$\sigma_t$ -$ \varepsilon _t $, 极限应力概念的正确理解.     

汽车外流场数值仿真中的湍流模型分析与应用

采用较为合理的计算流体力学分析技术对汽车高速行驶时其外部气动特 性进行研究. 以带有轮胎、侧后视镜以及天线等突出部件的某轿车外流场模型为研究对象, 在稳态下采用RNS法中Realizable $k$-$\varepsilon$两方程湍流模型结合增强壁 面函数法对不同车速工况下整车外流场进行数值仿真计算. 研究表明：沿车辆X纵 向上所形成压力差是产生气动阻力的主要原因; 随车速的提高, 气动阻力 的增长速度快于气动升力的增长.     

云状空化非定常脱落机理的数值与实验研究

结合数值计算和实验技术研究了云状空化的非定常脱落机理. 实验采用高速录像技术观察了绕Clark-y型水翼云状空化形态随时间的变化. 数值计算采用了汽-液两相的当地均相流模型,湍流封闭采用了一种修正的RNG k-\varepsilon方程,利用商业软件的二次开发技术,引入了一种与空化区域水汽相密度相关的系数,对湍流模型进行了修正. 计算和实验结果均表明:云状空化尾部存在着准周期性的涡状空化团的脱落;局部压强的增加是引起空穴断裂进而脱落的直接原因;压强升高是由于近壁处的反向射流引起的;空穴尾部的大规模的旋涡运动引起的近壁处的逆压梯度是引起反向射流的主要原因.      

采用分段湍流模式研究绕水翼的空化流动

结合空化流动特点,建立了一个包含空间尺度信息的分段湍流模式。计算中,应用基于质量传输空化模型,分别采用三种湍流模型计算了绕Clark-y型水翼云状空化流动,得到了随时间变化的空泡形态以及升、阻力等流场和动力特性。通过与实验结果的对比,表明这三种湍流模型均能捕捉云状空化区域的空泡形态和空泡脱落的非定常细节。分段湍流模式能够更好地调整流场内的湍流黏性,更精确地预测空穴长度和空穴尾部水汽分布,与实验结果吻合较好。     

壁面温度在多参数下对平板边界层的影响研究

为了得到壁面温度在不同来流速度、不同湍流强度条件下对边界层转捩与减阻的影响规律,本文采用Transitionk-kl-ω模型对低来流速度下无压力梯度的光滑平板进行了数值模拟。结果表明,随着来流速度的升高,壁温升高所起到的减阻效果更好,即高来流速度对壁面温度更为敏感。当来流处于中高湍流强度下时,壁温升高能起到推迟转捩的作用,且随着湍流强度的升高,转捩推迟的效果越好,但减阻效果正好相反;当来流处于低湍流强度下时,壁温升高会使得转捩提前发生。壁温升高抑制了边界层内流体的脉动程度,使得层流的稳态不易被破坏,流动更加稳定;同时,壁温升高使得边界层内流体的速度梯度减小,从而降低了壁面摩擦系数,故壁温升高能起到推迟边界层转捩与减阻的作用。     

绕振荡水翼流动及其转捩特性的数值计算研究简

通过对比标准k-ω SST 湍流模型和基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型对绕振荡NACA66 水翼流动的数值计算结果与实验结果,对水翼振荡过程的水动力特性和流场结构变化进行了分析研究. 结果表明：与标准k-ω SST 湍流模型的数值计算结果相比,基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型能有效预测绕振荡翼型流场结构和水动力特性,捕捉流场边界层发生的流动分离和转捩现象;绕振荡水翼的流动过程可分为5 个特征阶段,当来流攻角较小时,在水翼前缘发生层流向湍流的转捩现象,水翼动力特征曲线出现变化拐点;随着来流攻角的增大,顺时针尾缘涡逐渐形成并向水翼前缘发展;当攻角较大时,前缘涡分离导致动力失速,水翼的动力特征曲线出现大幅波动;水翼处于顺时针向下旋转阶段,绕水翼的流动状态逐渐由湍流过渡为层流.     

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采用数值模拟方法,结合风洞模型试验对群体低层四坡屋面房屋周围的 风场及表面风压进行了计算和分析.数值模拟基于Reynolds时均方程和可实现 $k$-$\varepsilon$湍流模型,采用了具有良好拓扑性能的非结构四面体网 格,运用流体软件FLUENT实现流场的求解．在单体计算结果和风洞试验结果有较好吻合的前 提下,获得了有相邻建筑干扰的情况下,低层四坡屋面房屋的表面风压的变化规律,结论可 直接供工程设计参考．     

基于动力学模态分解法的绕水翼非定常空化流场演化分析

空化是船舶和水下航行体推进器中经常发生的一种特殊流动现象,它具有强烈的非定常性,空化的发生往往会影响推进器的水动力性能和效率. 为探究绕水翼非定常空化流场结构,本文基于 Schnerr-Sauer 空化模型和 SST $k$-$\omega $ 湍流模型,开展绕二维水翼非定常空化流动数值预报与流场结构分析. 通过将数值预报的空泡形态演变和压力数据与试验结果对比,验证了建立的数值方法的有效性. 并基于动力学模态分解方法对空化流场的速度场进行模态分解,分析了各个模态的流场特征. 结果表明,第一阶模态对应频率为 0,代表平均流场;第二阶模态对应频率约为空泡脱落频率,揭示了空泡在水翼前缘周期性地生长与脱落,第三阶模态对应频率约为第二阶模态的 2 倍,揭示了两个大尺度旋涡在水翼后方存在融合行为. 第四阶模态对应频率约为第二阶模态的 3 倍,具有更高的频率,表征流场中存在一些小尺度旋涡的融合行为. 最后对不同空化数下的空化流场进行了模态分解分析,发现脱落空泡的旋涡结构随着空化数的减小而增大,第二阶模态频率随着空化数的减小而减小.      

ANALYSIS OF UNSTEADY CAVITATION FLOW OVER HYDROFOIL BASED ON DYNAMIC MODE DECOMPOSITION$^{\bf 1)}$

空化是船舶和水下航行体推进器中经常发生的一种特殊流动现象,它具有强烈的非定常性,空化的发生往往会影响推进器的水动力性能和效率. 为探究绕水翼非定常空化流场结构,本文基于 Schnerr-Sauer 空化模型和 SST $k$-$\omega $ 湍流模型,开展绕二维水翼非定常空化流动数值预报与流场结构分析. 通过将数值预报的空泡形态演变和压力数据与试验结果对比,验证了建立的数值方法的有效性. 并基于动力学模态分解方法对空化流场的速度场进行模态分解,分析了各个模态的流场特征. 结果表明,第一阶模态对应频率为 0,代表平均流场;第二阶模态对应频率约为空泡脱落频率,揭示了空泡在水翼前缘周期性地生长与脱落,第三阶模态对应频率约为第二阶模态的 2 倍,揭示了两个大尺度旋涡在水翼后方存在融合行为. 第四阶模态对应频率约为第二阶模态的 3 倍,具有更高的频率,表征流场中存在一些小尺度旋涡的融合行为. 最后对不同空化数下的空化流场进行了模态分解分析,发现脱落空泡的旋涡结构随着空化数的减小而增大,第二阶模态频率随着空化数的减小而减小.     

射流对绕水翼云空化流动抑制机理研究

为理解绕水翼云空化流动的发展机理和探究水翼吸力面开孔射流的影响,采用密度 修正的RNG $k$-$\varepsilon $湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对原始NACA66(mod) 水翼和采用射流后的 水翼的云空化非定常过程进行模拟和对比分析;采用在水翼吸力面近壁区设立监测线的方法对近壁区的流场进行监测,得到 近壁区汽相体积分数、回射流速度、压力及压力梯度的时空分布云图;开展了云空化流场特性的涡动力学分析,进而分析水 翼云空化的发生机理和射流抑制空化的抑制机理. 结果表明:游离型空泡在下游溃灭时产生强烈的局部高压,其向上游传播 导致前缘空穴的一次回缩,而空穴的二次回缩受回射流的影响. 回射流的发展区域受限于较高的压力梯度,高的压力梯度一 直存在,但回射流在一个周期内的首次出现需要时间的积累. 在水翼吸力面射流使得射流孔附近压力升高,弥补了由于空化 和绕流造成的压降,压力梯度增大,抗逆压能力增强,对回射流起到阻挡作用;另一方面,射流使得回射流区域面积和回射 流的强度也有所减小,从而对云空化的发展起到抑制的效果. $Q$准则的涡结构云图相比于汽相体积分数云图能显示复杂的 流动结构,前缘附着型空穴和尾缘游离型空穴内存在旋涡,回射流对空穴存在剪切作用造成空穴脱落. 而射流对空穴和回射 流的剪切和阻挡使云空化发展得到抑制.      

Constrained large-eddy simulation of turbulent flow over inhomogeneous rough surfaces

In this work we extend the method of the constrained large-eddy simulation(CLES) to simulate the turbulent flow over inhomogeneous rough walls. In the original concept of CLES, the subgrid-scale(SGS) stress is constrained so that the mean part and the fluctuation part of the SGS stress can be modelled separately to improve the accuracy of the simulation result. Here in the simulation of the rough-wall flows, we propose to interpret the extra stress terms in the CLES formulation as the roughness-induced stress so that the roughness inhomogeneity can be incorporated by modifying the formulation of the constrained SGS stress. This is examined with the simulations of the channel flow with the spanwise alternating high/low roughness strips. Then the CLES method is employed to investigate the temporal response of the turbulence to the change of the wall condition from rough to smooth. We demonstrate that the temporal development of the internal boundary layer is just similar to that in a spatial rough-tosmooth transition process, and the spanwise roughness inhomogeneity has little impact on the transition process.     

An eddy viscosity model with near‐wall modifications

An extended version of the isotropic k–ε model is proposed that accounts for the distinct effects of low‐Reynolds number (LRN) and wall proximity. It incorporates a near‐wall correction term to amplify the level of dissipation in nonequilibrium flow regions, thus reducing the kinetic energy and length scale magnitudes to improve prediction of adverse pressure gradient flows, involving flow separation and reattachment. The eddy viscosity formulation maintains the positivity of normal Reynolds stresses and the Schwarz' inequality for turbulent shear stresses. The model coefficients/functions preserve the anisotropic characteristics of turbulence. The model is validated against a few flow cases, yielding predictions in good agreement with the direct numerical simulation (DNS) and experimental data. Comparisons indicate that the present model is a significant improvement over the standard eddy viscosity formulation. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.