振荡潜流带沉积层?水界面污染物输运的研究

潜流带中污染物质交换与输运特性是影响水资源环境的重要问题之一. 本文对底部为高渗透沉积层的三维槽道振荡流高Schmidt数传质问题进行了大涡模拟研究. 采用动力学亚格子模型来封闭滤波后的三维不可压缩Navier-Stokes方程以及污染物输运方程, 同时采用修正的Darcy-Brinkman-Forcheimer模型来描述沉淀有锌离子污染溶质的可渗透沉积层. 通过对沉积层内外流场和浓度场的统计特性以及瞬态结构的分析, 探究了上覆水体中振荡流驱动作用对污染物输运的动力学影响以及扩散率随振荡周期和振荡角的变化规律. 研究结果表明, 浓度通量中的湍流浓度分量在垂向物质交换中起主导作用, 流向、展向速度, 湍流强度和污染物浓度的波动跟随振荡驱动力呈现准周期变化, 同时发现沉积层?水交界面处的湍流浓度通量与法向湍流强度两者之间的变化具有明确的相关性. 并且在较大振荡角和低频振荡的情况下, 沉积层?水交界面处的有效扩散率增大, 这主要是来自于沉积层?水交界面处流体的猝发行为有效促进了湍流混合和物质交换, 进而增强了污染物的垂向输运.      

平板电解槽内电解质湍流运动和传质的直接数值模拟

应用流体动力学、传质学和电化学理论,建立三维电解槽二元电解质溶液湍流运动的物理和数学模型,针对Butler-Volmer定律下极限电流和恒电流两种情况,通过直接数值模拟研究电解质溶液传质和运动特性,分析不同Schmidt数对电解质溶液平均浓度和脉动浓度的影响,考察湍流的脉动量控制电沉积的过程规律.对瞬时脉动浓度云图的分析可知,在高Schmidt数下脉动浓度拟序结构间距密集,且集中在壁面附近,表明高Schmidt数下传质过程主要由近电极处薄层内的流动行为所主导.     

多孔介质壁面剪切湍流速度时空关联的研究

作为一个基础统计量,时空关联函数在湍流问题的研究中有着广泛的应用,是研究湍流噪声、湍流中物质扩散和大涡模拟亚格子模型等问题的重要参考.本文通过建立三维多孔结构壁面剪切湍流模型,采用含Darcy-Brinkman-Forchheimer作用力项的格子Boltzmann方程对无穷大多孔介质平行板之间壁湍流进行了数值模拟,进而研究其速度脉动时空关联函数的统计特性.一方面,根据计算得到的流场数据,对比分析了常规槽道湍流与多孔介质壁面槽道湍流的时间关联函数.另一方面,计算并讨论了不同孔隙率和渗透率的多孔介质壁面对速度脉动时空关联性的影响.通过研究表明:多孔结构壁面剪切湍流的时空关联函数等值线与椭圆理论相符;在研究参数范围内,多孔介质壁面的速度时空关联系数随着孔隙率增大而增大,随着渗透率增大而减小.同时发现在槽道壁面的近壁区、过渡区、对数律区和中心区等不同位置处,速度时空关联呈现较大差异性:越远离壁面位置(对数律区和中心区),其时空关联函数所呈现的关联等值线椭圆越细长,高值相关等值线越集中.多孔介质主要改变速度时空关联椭圆图像的椭圆率,说明多孔介质壁面主要影响湍流横扫速度.     

格子Boltzmann方法应用于气动声学研究

应用格子Boltzmann方法(LBM)对不同类型的气动声学问题进行数值研究.通过模拟一维平面声波和二维点源声波的传播,得到沿传播方向的声压脉动,其振荡幅值和衰减趋势与理论值相吻合.其次进行声波衍射和干涉现象的数值模拟.最后,模拟处于流场中运动声源辐射声场的多普勒效应.模拟结果说明LBM方法能较好地模拟低马赫数下的声学问题,包括声压脉动的传播,声波的波动特性以及流动与声波间的相互作用.     

Lattice Boltzmann simulations of turbulent shear flow between parallel porous walls

The effects of two parallel porous walls are investigated, consisting of the Darcy number and the porosity of a porous medium, on the behavior of turbulent shear flows as well as skin-friction drag. The turbulent channel flow with a porous surface is directly simulated by the lattice Boltzmann method （LBM）. The Darcy-Brinkman- Forcheimer （DBF） acting force term is added in the lattice Boltzmann equation to simu- late the turbulent flow bounded by porous walls. It is found that there are two opposite trends （enhancement or reduction） for the porous medium to modify the intensities of the velocity fluctuations and the Reynolds stresses in the near wall region. The parametric study shows that flow modification depends on the Darcy number and the porosity of the porous medium. The results show that, with respect to the conventional impermeable wall, the degree of turbulence modification does not depend on any simple set of param- eters obviously. Moreover, the drag in porous wall-bounded turbulent flow decreases if the Darcy number is smaller than the order of O（10-4） and the porosity of porous walls is up to 0.4.     

具有多孔介质覆面层的柱体绕流流场分析

建立多孔结构覆面柱体绕流模型, 采用含Darcy-Brinkman-Forchheimer作用力项的格子Boltzmann方程对覆盖多孔介质层的方柱绕流进行数值模拟, 研究多孔介质对钝体绕流流场特性的影响。结果表明: 相比于不可渗透壁的柱体, 引入合适参数的多孔介质覆面层后可以有效降低其升力脉动幅值, 但阻力有所增加。同时, 较高雷诺数下多孔方柱的数值模拟表明: 多孔介质壁面使得尾迹区域的剪切层相距更远, 降低了尾流处湍动能, 并将雷诺应力的峰值移动到尾迹区域, 抑制了方柱两侧的动量交换, 使动量交换的位置发生在尾迹区域, 继而使得尾迹的涡街更加规则化。