植被层湍流的大涡模拟

研究植被层湍流的大涡模拟,发展了一个TSF（transientstructurefunction）亚格于模式,尽可能真实地处理植被湍流这种既有强剪切,又有热对流的流动．我们建立了植被湍流数据库,并进行了较为详细的分析研究．湍流统计量如平均风速剖面、雷诺应力、湍流脉动能等等,与有关观测结果作了对比,符合较好．大涡模拟计算同样发现已由现场观测到的、在强对流情况时出现的温度场斜坡型有组织结构．     

基于人工神经网络的湍流大涡模拟方法

大涡模拟方法(LES)是研究复杂湍流问题的重要工具,在航空航天、湍流燃烧、气动声学、大气边界层等众多工程领域中具有广泛的应用前景.大涡模拟方法采用粗网格计算大尺度上的湍流结构,并用亚格子(SGS)模型近似表达滤波尺度以下的流动结构对大尺度流场的作用.传统的亚格子模型由于只利用了单点流场信息和简单的函数关系,在先验验证中...     

基于人工神经网络的湍流大涡模拟方法

大涡模拟方法(LES)是研究复杂湍流问题的重要工具,在航空航天、湍流燃烧、气动声学、大气边界层等众多工程领域中具有广泛的应用前景.大涡模拟方法采用粗网格计算大尺度上的湍流结构,并用亚格子(SGS)模型近似表达滤波尺度以下的流动结构对大尺度流场的作用.传统的亚格子模型由于只利用了单点流场信息和简单的函数关系,在先验验证中相对误差较大, 在后验验证中耗散过强. 近几年来,机器学习方法在湍流建模问题中得到了越来越多的应用.本文介绍了基于人工神经网络(ANN)的湍流亚格子模型的最新进展.详细地讨论了人工神经网络混合模型、空间人工神经网络模型和反卷积人工神经网络模型的构造方法.借助于人工神经网络强大的数据插值能力,新的亚格子模型的先验精度和后验精度均有显著提升. 在先验验证中,新模型所预测的亚格子应力的相关系数超过了0.99,在预测精度上远高于传统的大涡模拟模型. 在后验验证中,新模型对各类湍流统计量和瞬态流动结构的预测都优于隐式大涡模拟方法、动态Smagorinsky模型、动态混合模型等传统模型.因此, 人工神经网络方法在发展复杂湍流的先进大涡模拟模型中具有很大的潜力.      

速度估计模型在大涡模拟中的应用

介绍了速度估计模型的基本思想及其在物理空间的实现.速度估计模型依靠湍流大尺度的非线性作用估计出小尺度,从而可直接求解亚格子应力项而不需要额外的模型.本文采用该模型对不同雷诺数下的各向同性衰减湍流进行了模拟,并与直接数值模拟、理论分析和其他亚格子模型的大涡模拟结果进行了比较.也初步考察了网榕分辨率、不同精度的紧致格式对大涡模拟结果的影响.     

旋转圆管湍流的大涡模拟数值研究

采用大涡模拟(LES)方法,并结合动力学亚格子尺度应力(SGS)模型,通过数值求解柱坐标系下的滤波Navier-Stokes方程,研究了绕管轴旋转圆管内的湍流流动特性. 为验证计算的可靠性,以及动力学SGS模型对于旋转湍流的适用性,将大涡模拟计算所得的结果,与相应的直接模拟(DNS)结果和实验数据进行了对比验证,吻合良好. 进一步对旋转圆管湍流的物理机理进行了探讨,研究了湍流特性随旋转速率的变化规律. 当旋转速率增加时,湍流流动有层流化的发展趋势. 基于湍动能变化的关系,分析了旋转效应对湍流脉动生成的抑制作用.     

可压缩多介质粘性流体和湍流的大涡模拟

在可压缩多介质粘性流体动力学高精度计算方法MVPPM(multi-viscous-fluid piecewise parabolicmethod)基础上,引入Smagorinsky和Vreman亚格子湍流模型,采用大涡数值模拟方法求解可压缩粘性流体NS(Navier-Stokes)方程,给出适用于可压缩多介质流体界面不稳定性发展演化至湍流阶段的计算方法和二维计算程序MVFT(multi-viscosity-fluid and turbulence)。在2种亚格子湍流模型下计算了LANL(Los Ala-mos National Laboratory)激波管单气柱RM不稳定性实验,分析了气柱的形状、流场速度以及涡的特征,通过与LANL实验和计算结果的比较可知,Vreman模型略优于Smagorinsky模型,MVFT方法和计算程序可用于对界面不稳定性发展演化至湍流阶段的数值模拟。     

大涡模拟在内燃机中应用的研究进展

大涡模拟 能够以比较合理的计算成本, 提供更多详细的湍流信息, 故近年来已经广泛地应用于科学和工程领域, 并也成为内燃机缸内湍流流动与燃烧过程模拟计算的最有潜力的数值方法.综合现有研究成果, 对内燃机中大涡模拟的研究进展和模拟方法进行了比较全面的评述.介绍了大涡模拟的基本概念、方法、亚网格模型,着重讨论了内燃机缸内冷态流场、燃油喷雾过程以及两相液雾湍流燃烧大涡模拟的国内外研究进展.最后论述了大涡模拟在内燃机应用中当前需要解决的问题及其发展趋势.     

展向喷嘴湍流横向射流大涡模拟及其统计分析

采用大涡模拟方法数值模拟了展向椭圆喷嘴的湍流横向射流,对其大尺度结构的时空演化和湍流脉动速度场的时间序列分析、频谱分析、PDF分析以及时、空截面上的统计平均特性进行分析.结果表明,在射流出口附近的下游核心区中速度脉动剧烈,显现出明显的湍流特征.除了三维涡环脱落、扭曲、变形、摆动所对应频率之外,还存在很宽的湍流基频,它与在喷嘴出口附近产生的三维涡环的时空演化过程密切相关.由于展向椭圆喷嘴的湍流横向射流中的三维涡环快速脱落和强相互作用导致射流尾迹中的强湍流脉动,展向椭圆喷嘴湍流横向射流的PDF空间演化特征结构复杂.在射流核心区的湍流偏应力变化平缓,其统计平均值分布接近左右对称.展向椭圆喷嘴的湍流横向射流脉动速度场具有极为复杂的统计行为,与流向椭圆喷嘴相比具有更好的掺混能力.     

亚临界雷诺数下圆柱绕流的大涡模拟

本文应用Smagorinsky涡粘性模式和二阶精度的有限体积法对圆柱绕流的流场进行大涡模拟．求解了非正交曲线坐标系下的N-S方程,对雷诺数为100和20000的工况进行了计算．计算结果与实验及动力涡粘性模式的结果进行了比较,表明计算对于层流及高亚临界雷诺数的湍流流动是合理的     

高精度PPM格式在湍流燃烧中的应用

利用处理三维可压缩粘性流体流动问题中的沉浸边界法,并结合基于PPM方法的高精度TVD格式,对三维方形管道中部的圆柱火焰绕流及惰性气体绕流问题进行了数值模拟。计算湍流时采用大涡模拟(LES),化学反应速率采用EBU漩涡破碎模型。通过计算结果与实验结果的比较,发现高精度PPM格式能精确模拟两类圆柱绕流问题。计算中还发现,火焰圆柱绕流算例中,在火焰翻越圆柱前,由于燃烧的膨胀作用,使得火焰正面前的未燃气体流动并形成惰性气体绕流,这与无燃烧时的惰性气体绕流类似。但当火焰翻越圆柱过程中及完全翻越圆柱后,两种算例绕流流场出现明显变化。     

Numerical study of an oscillatory turbulent flow over a flat plate

Oscillatory turbulent flow over a flat plate is studied using large eddy simulation (LES) and Reynolds-average Navier-Stokes (RANS) methods. A dynamic subgrid-scale model is employed in LES and Saffman's turbulence model is used in RANS. The flow behaviors are discussed for the accelerating and decelerating phases during the oscillating cycle. The friction force on the wall and its phase shift from laminar to turbulent regime are also investigated for different Reynolds numbers. The project supported by the Youngster Funding of Academia Sinica and by the National Natural Science Foundation of China     

An analysis of subgrid-resolved scale interactions with use of results from direct numerical simulations

Subgrid nonlinear interaction and energy transfer are analyzed using direct numerical simulations of isotropic turbulence. Influences of cutoff wave number at different ranges of scale on the energetics and dynamics have been investigated. It is observed that subgrid-subgrid interaction dominates the turbulent dynamics when cut-off wave number locates in the energy-containing range while resolved-subgrid interaction dominates if it is in the dissipation range. By decomposing the subgrid energy transfer and nonlinear interaction into ‘forward’ and ‘backward’ groups according to the sign of triadic interaction, we find that individually each group has very large contribution, but the net of them is much smaller, implying that tremendous cancellation happens between these two groups.     

Large-eddy simulation of stratified channel flow

An investigation of large-eddy simulation (LES) for turbulent channel flow with buoyancy effects was performed by solving the resolved incompressible Navier-Stokes equations under the Boussinesq approximation. The Smagorinsky eddy-viscosity model and Yoshizawa eddy-viscosity model were used to describe the unresolved subgrid scale (SGS) fluctuations respectively. After some numerical testing, the latter was further simplified so that it can be used in the dynamic model closure. A LES code was developed for parallel computations by using the parallel technique, and was run on the Dawn-1000 parallel computer. To demonstrate the viability and accuracy of the code, our results are compared with and found in good agreement with available LES results. The project supported by the National Natural Science Foundation of China and by the Youngster Funding of Academia Sinica     

A large eddy simulation of the near wake of a circular cylinder

Viscous flow around a circular cylinder at a subcritical Reynolds number is investigated using a large eddy simulation (LES) coupled with the Smagorinsky subgrid-scale (SGS) model. A fractional-step method with a second-order in time and a combined finite-difference/spectral approximations are used to solve the filtered three-dimensional incompressible Navier-Stokes equations. Calculations have been performed with and without the SGS model. Turbulence statistical behaviors and flow structures in the near wake of the cylinder are studied. Some calculated results, including the lift and drag coefficients, shedding frequency, peak Reynolds stresses, and time-average velocity profile, are in good agreement with the experimental and computational data, which shows that the Smagorinsky model can reasonably predict the global features of the flow and some turbulent statistical behaviors. The project supported by the National Science Fund for Distinguished Scholars (10125210), the Special Funds for Major State Basic Research Project (G1999032801) and the National Natural Science Foundation of China (19772062)     

Simple lattice Boltzmann approach for turbulent buoyant flow simulation

In the present work, a simple large eddy simulation （LES）-based lattice Boltz- mann model （LBM） is developed for thermal turbulence research. This model is validated by some benchmark tests. The numerical results demonstrate the good performance of the present model for turbulent buoyant flow simulation.     

模型燃烧室内瞬态紊流的大涡模拟

本文采用三种不同亚网格尺度模型对带有V型稳定器的模型燃烧室二维瞬态紊流流动进行了大涡模拟。并在交错网格系下用SIMPLE算法和混合差分格式求解离散方程。数值研究拟不同型式入口速度分布和不同亚网格尺度模型下模型燃烧室二维瞬态紊流流场。计算结果表明不同入口速度分布和不同亚网格尺度模型对瞬态流场和出口速度分布有一定的影响。本文通过数值模拟,揭示了V型稳定器后旋涡的产生和脱落过程。通过计算结果及实验数据的比较可知,本文采用的亚网格尺度模型可以用来模拟模型燃烧室紊流流场及稳定器后面回流区的流动情况。