旋转槽道湍流标量场输运特性数值模拟研究

展向旋转槽道湍流中的标量场输运过程是与众多工程流动直接相关的模型问题。基于直接数值模拟工作对该问题开展系统性的研究。由壁面摩擦速度定义的流动Reynolds数固定在180,重点考察Schmidt数和旋转数的影响。结果表明,较弱旋转强度即可对主导流动结构形态产生明显的影响：此时槽道不稳定侧产生流向大尺度结构,由此导致标量场出现条带状结构。强旋转时不稳定侧出现被湍流充分混合的区域,而在稳定侧流动层流化并出现近似传导区。平均标量剖面在湍流区和层流区呈现斜率不同的线性分布。Schmidt数小于1时,湍流区标量场脉动和湍流输运随旋转数出现非单调变化,而Schmidt数大于等于1时两者都随旋转数单调下降。由此导致总标量传输率在Schmidt数小于1时随旋转数先上升后下降,而当Schmidt数大于1时单调下降且在弱旋转区域下降趋势最快。     

确定分布的展向Lorentz力调制下的槽道湍流涡结构

采用直接数值模拟方法,对槽道湍流中确定分布的Lorentz力的流动控制与减阻问题进行研究.讨论了Lorentz力作用于槽道湍流后,流场的特性和涡结构的特性,并对此类Lorentz力对槽道湍流的控制与减阻机理进行了讨论.研究发现:1)Lorentz力诱导的层流流场壁面附近存在梯度极大的展向速度剪切层,该剪切层容易形成流向涡结构;2)在给定合适参数的确定分布的Lorentz力作用下,湍流流场仅剩周期分布的准流向涡;3)与未控制流场相比,控制后的流场中,准流向涡的抬升高度大大降低,从而减小猝发强度,使壁面阻力下降.     

壁面在展向作周期运动的槽道湍流的大涡模拟

分别采用3种亚格子模式:传统的Smagorinsky模式、动力Smagorinsky模式和Cui(2004)基于Kolmogorov方程所提出的新模式,对壁面在展向作周期运动的槽道湍流进行了大涡模拟,以考察这3种模式对平均运动为三维、非定常的湍流流动的模拟能力.通过对湍流基本统计量的分析,发现动力模式和新模式都可以较好地预测这种三维非定常的湍流流动;对相位平均的湍流统计量,动力模式的结果略优于新模式;传统的Smagorinsky模式对这种流动的预测结果是最差的.     

气固两相槽道湍流拟序结构变动的PIV测量

运用粒子成像测速仪(PIV)对壁面雷诺数为Re_τ=430、质量载荷为0.25×10~(-3)～5×10~(-3)的110μm聚乙烯颗粒加入前后的水平槽道湍流变动进行了研究。实验结果表明低载荷下气相湍流变动源于颗粒对湍流拟序结构的作用。颗粒的存在抑制了湍流拟序结构的发展,使得湍流准流向结构长度减小、猝发频率降低、猝发强度减弱;另外,颗粒尾涡脱落还导致了壁面附近的气相剪切雷诺应力增强。     

不同亚格子模型在亚声速槽道流大涡模拟中的应用对比

湍流边界层流动是一种广泛存在于飞行器内部和外部的流动现象，是基础理论和模型验证的重要研究对象.能够捕捉大部分流动细节且计算量适中的大涡模拟（large-eddy simulation，LES）方法在湍流数值模拟中得到了越来越广泛的应用.文章基于格心有限差分方法，使用4阶紧致中心格式离散N-S方程无黏项，分别应用5种不同的亚格子（subgrid-scale，SGS）模型，即隐式，SM（Smagorinsky model），DSM（dynamic Smagorinsky model），WALE（wall-adapting local eddy-viscosity model）和CSM（coherent structures model），对Re = 3 000，Ma = 0.5的等温壁面槽道流动进行了大涡模拟研究.与实验值和直接数值模拟（direct numerical simulation，DNS）结果对比后发现，流场平均温度、平均密度等热力学量以及平均流向速度对亚格子模型不敏感，不适宜作为判断模型优劣的判据.亚格子模型在壁面附近的耗散越大，壁面摩擦速度以及阻力系数就越小.对于与速度相关的脉动量来说，不同模型得到的结果在壁面和脉动峰值附近误差比较大，中心线附近较小；显式模型结果在流向速度峰值处均高于参考值，而在展向和壁面法向速度脉动峰值处则均偏低.考虑显式的4种模型在壁面附近的涡黏系数分布，DSM和CSM曲线满足涡黏系数与无量纲壁面距离3次方成正比的分布规律，SM曲线斜率偏小而WALE曲线斜率偏大.      

平板通道内充分发展湍流直接数值模拟

采用有限差分法对平板通道内充分发展湍流进行了直接模拟(DNS),Reτ=150,网格数64×64×64。得到了湍流脉动速度沿y 分布的等值线图,分析了近壁面脉动特性研究的重要性,为理解湍流物理机制提供数据。获得了雷诺应力的变化、雷诺应力输运方程中各项的平衡关系以及湍动能方程中各项的变化曲线,为进一步评价和改进湍流模式提供依据。     

聚合物湍流减阻流动的直接数值模拟研究

采用离散弹性元素.珠簧哑铃模型方程模拟了聚合物减阻流动.模拟出了高分子聚合物浓度的空间分布.得到了减阻率与粘弹性应力,雷诺应力等的定量关系.分析了聚合物湍流结构和离散弹性元素模型中弹性系数的关系.     

超声速湍流边界层密度脉动小波分析

以基于纳米示踪平面激光散射技术的密度场测量方法获得的Ma=3.0平板湍流边界层密度场实验数据为基础,采用小波方法对湍流边界层密度脉动进行了多尺度与动态特性分析.研究表明,近壁区密度脉动概率密度呈偏离高斯分布,大尺度分量对湍流边界层密度脉动起主导作用,小尺度分量使概率密度呈"M"型分布;采用希尔伯特变换对幅度调制效应进行分析,结果表明超声速湍流边界层近壁处外层大尺度密度偏移会导致内层小尺度密度脉动的局部增强或减弱;采用基于小波变换的时变谱密度估计对边界层不同高度的密度脉动进行分析,结果表明脉动主要分布在1 MHz以内,主导频段的密度脉动间歇性明显;随着时间的发展,大部分脉动存在频率从高频过渡到低频,幅值先增加后减少的规律;随着高度的增加,对数区脉动主要分布在105 Hz以下,尾迹区则集中在105 Hz以上,边界层与主流交界处的脉动主要分布在两者相互作用形成的大尺度结构附近,脉动能量从近壁面到主流区呈现先升高后降低的变化规律.     

槽道流POD重构及湍流动能耗散率分析

采用二维粒子图像测速仪（2DPIV）对槽道内涡波流场进行实验研究,用POD技术对2DPIV瞬态速度矢量场进行主导模态重构,得到槽道内的平均流速和湍流动能分布;采用大涡PIV方法对湍流动能耗散率分布进行计算.结果表明：重构流场表征了原始流场的主导结构,剔除了噪声等干扰信息;大涡PIV方法能有效地估算动能耗散率的分布;湍流动能在壁面附近较小,在接近槽道中心区域湍流动能越来越大,呈现出射流的特征;动能耗散率的峰值出现在壁面附近和槽道中心区域,动能耗散率随着远离壁面程度的增加先降低后逐渐增加直至达到峰值.     

基于动态压力数据的湍流采样数据量分析

基于小波分析良好的时频双局域性特点,结合统计检测理论,提出了一种相对合理的确定湍流采样数据量的方法.以分析某型贯流风机实验中的动态压力数据为例,选取二阶统计矩作为所关注的湍流特征量,验证了该方法的合理性和可行性.采用小波分析时,所确定的采样数据量相对大,但其所反映的流动信息量也相对多,统计检测的流动特征量是湍流能量的多尺度分布,所得数据量尺度是恰当的.未采用小波分析时,数据缩减过程中湍流信息量受到了一定的损失.     

A Modeling Study on Particle Dispersion in Wall-Bounded Turbulent Flows

Three physical mechanisms which may affect dispersion of particle's motion in wall-bounded turbulent flows, including the effects of turbulence, wall roughness in particle-wall collisions, and inter-particle collisions, are numerically investigated in this study. Parametric studies with different wall roughness extents and with different mass loading ratios of particles are performed in fully developed channel flows with the Eulerian-Lagrangian approach. A low-Reynolds-number $k-\epsilon$ turbulence model is applied for the solution of the carrier-flow field, while the deterministic Lagrangian method together with binary-collision hard-sphere model is applied for the solution of particle motion. It is shown that the mechanism of inter-particle collisions should be taken into account in the modeling except for the flows laden with sufficiently low mass loading ratios of particles. Influences of wall roughness on particle dispersion due to particle-wall collisions are found to be considerable in the bounded particle-laden flow. Since the investigated particles are associated with large Stokes numbers, i.e., larger than $\mathcal{O}(1)$, in the test problem, the effects of turbulence on particle dispersion are much less considerable, as expected, in comparison with another two physical mechanisms investigated in the study.     

三种湍流模式数值模拟直角弯管内三维分离流动的比较

采用有限体积法数值离散雷诺时均Navier Stokes方程,模拟了方形截面90°大曲率弯曲管道内的三维湍流流动.用3种湍流模式(标准k-ε湍流模式、RNG k-ε湍流模式、Realizable k-ε湍流模式)求解该问题.给出了数学模型和计算结果,并与实验数据进行了比较.结果表明,采用RNG k-ε湍流模式并结合两层壁面模型的处理,能有效准确地求解强曲率影响的管道内及近壁区湍流的流动.     

高阶非线性薛定谔方程的分步小波方法

用小波变换代替傅里叶变换解高阶非线性薛定谔方程,为高阶薛定谔方程的数值解提供了一种工具,提高了运算速度.本文分析了高阶非线性薛定谔方程分步解法的一般形式,选用Db10小波,得到了小波微分算子和色散算子对应的矩阵,得出了分步小波方法的算法公式.推导了色散算子和时域信号在小波域相乘的近似运算公式,说明了分步傅里叶方法比分步小波方法的复数乘法次数更多,同时说明了提高运算速度必须舍弃一定的运算准确度.最后以分步傅里叶方法为准,分析了分步小波方法的误差,结果表明:对于一阶孤子,分步小波方法与分步傅里叶方法间的相对误差在1.2%左右波动.     

高阶非线性薛定谔方程的分步小波方法

用小波变换代替傅里叶变换解高阶非线性薛定谔方程,为高阶薛定谔方程的数值解提供了一种工具,提高了运算速度.本文分析了高阶非线性薛定谔方程分步解法的一般形式,选用Db10小波,得到了小波微分算子和色散算子对应的矩阵,得出了分步小波方法的算法公式.推导了色散算子和时域信号在小波域相乘的近似运算公式,说明了分步傅里叶方法比分步小波方法的复数乘法次数更多,同时说明了提高运算速度必须舍弃一定的运算准确度.最后以分步傅里叶方法为准,分析了分步小波方法的误差,结果表明:对于一阶孤子,分步小波方法与分步傅里叶方法间的相对误差在1.2%左右波动.     

Turbulent kinetic energy spectrum in very anisothermal flows

In this Letter, we find that the Kolmogorov scaling law is no longer valid when the flow is submitted to strong dilatational effects caused by high temperature gradients. As a result, in addition to the nonlinear time scale, there is a much shorter “temperature gradients” time scale. We propose a model that estimates the time scale of the triple decorrelation incorporating the influences of the temperature gradient. The model agrees with the results from the thermal large-eddy simulations of different Reynolds numbers and temperature gradients. This Letter provides a better understanding of the very anisothermal turbulent flow.     

激光大气闪烁的小波频谱分析

激光对数光强起伏的快速傅里叶变换功率谱的无标度区间的标度指数在许多情况下很不稳定,并且超出了理论界限,因而本文引入了离散小波变换（ＤＷＴ）频谱分析。通过对１／ｆ信号的快速傅里叶变换频谱和离散小波换频谱的对比分析,验证了离散小波变换频谱分析的优越性。激光大气闪烁的离散小波变换频谱的无标度区间的标度指数在一天内（除日出后和日落前两段时间外）的变化比较稳定,并且超出理论界限。这此结果表明,对于一般在大气     

Vertical Sediment Concentration Distribution in High-Concentrated Flows: An Analytical Solution Using Homotopy Analysis Method

Transport of suspended sediment in open channel flow has an enormous impact on real life situations, viz. control and management of reservoir sedimentation, geomorphic evolution such as dunes, rivers, and coastlines etc. Transport entails advection and diffusion. Turbulent diffusion is governed by the concept of Fick's law, which is based on the molecular diffusion theory, and the equation that represents the distribution of sediment concentration is the advection-diffusion equation. The study uses the existing governing equation which considers different phases for solid and fluid, and then couples the two phases. To deal with high-concentrated flow, sediment and turbulent diffusion coefficients are taken to be different from each other. The effect of hindered settling on sediment particles is incorporated in the governing equation, which makes the equation highly non-linear. This study derives an explicit closed-form analytical solution to the generalized one-dimensional diffusion equation representing the vertical sediment concentration distribution with an arbitrary turbulent diffusion coefficient profile. The solution is obtained by Homotopy Analysis Method, which does not rely on the small parameters present in the equation. Finally, the solution is validated by comparing it with the implicit solution and the numerical solution. A relevant set of laboratory data is selected to check the applicability of the model, and a close agreement shows the potential of the model in the context of application to high-concentrated sediment-laden open channel flow.     

非二进制离散小波的研究

研究了非二进制离散小波, 提出了构建基本小波函数的理论与方法, 并以λ=3,4为例具体构建了小波函数. 对非二进制小波的分解算法和回复算法进行了理论推证, 并针对λ=3,4的情况具体研究了变换矩阵问题. 提出了本文所得结果在高能碰撞研究中的重要应用前景.     

湍流参数对凝汽器数值模拟的影响

通过对一凝汽器的二维数值模拟,研究了湍流黏性系数和湍流扩散系数对凝汽器流动与传热特性的影响。结果表明,湍流参数的取值,对凝汽器不凝结率的计算影响较大,对壳侧压降也有一定影响。在凝汽器数值模拟中,采用两方程的RNGκ-ε模型米确定湍流参数,在管束区内部形成湍流参数较大的区域,能更准确描述凝汽器内的复杂流动。与常湍流参数的...