混合层流动拟序结构的大涡模拟

采用大涡模拟方法对空间发展的二维平面混合层进行了数值模拟 ,动量方程采用分步投影法求解 ,亚格子项采用标准Smagorinsky亚格子模式模拟 ,压力泊松方程采用修正的循环消去法快速求解 ,同时求解了标志物输运方程以实现数值流场显示。模拟结果给出了混合层流动的瞬态发展过程以及流动中拟序结构的发展演变过程 ,成功地模拟了混合层发展中的各种瞬态细节过程 ,如涡的卷起、增长 ,涡与涡之间的配对、合并过程 ,以及大涡破碎为小涡的级联过程 ,为各种以混合层流动为原型流动的射流、尾流等工业流动的控制和优化提供了理论基础。     

激励小尺度模式在湍流圆管射流中的应用

采用非涡黏性的激励小尺度（Stimulated Small Scale)模式对空间发展的轴对称湍流圆管射流进行了大涡模拟。以雷诺数为10000的流动为例,考证了激励小尺度模式在自由剪切流模拟中的可行性,描述了湍流强度、雷诺应力和湍流耗散量的变化,同时与标准的Smagorinsky涡黏性模式的计算结果进行了比较。数值结果显示,激励小尺度模式能够更为合理地描述湍流的耗散特性和能量传输特性,从而较为准确地展示出空间发展射流中由于流动不稳定而出现的旋涡产生、发展、破碎及合并等过程。     

入口速度比对射流拟序结构的影响

为了深入了解湍流流动机理以及湍流拟序结构发现过程的影响因素，本文采用大涡模拟方法对不同入口射流伴流速度比的平面湍射流流动进行了数值模拟。采用分步投影法求解动量方程，亚格子项采用标准Smagorinsky亚格子模式模拟，压力泊松方程采用修正的循环消去法快速求解，空间方程采用二阶精度的差分格式，在时间方向上采用二阶精度的显式差分格式。模拟结果给出了平面射流中湍流拟序结构的瞬态发展演变过程，分析了入口速度比对射流拟序结构发展演化过程及宏观流场形态的影响。为进一步研究射流拟序结构及其在湍流流动中的作用提供了基础。     

圆射流中拟序涡配对的数值模拟

用三维涡丝法结合涡丝的增加与合并技术,对不可压圆射流场,数值模拟了在扰动中加入次谐波后流场拟序涡的配对,配对情况与实验结果一致,通过对不同时刻涡量图的比较与分析,给出了次谐波初始强度对涡配对的影响,初始强度越大,涡配对出现越早,涡配对位置越往上游移动;同时还得到了基波与次谐波初始相位差和涡配对的关系,没有相位差时,次谐波增长最快,相位差增加时,涡配对的速度降低。说明控制次谐波的初始强度和基波与次谐波的相位差,能起到控制圆射流剪切层乃至控制整个射流场的目的。     

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.     

入口扰动频率对矩形射流影响的大涡模拟

为研究入口扰动对矩形射流的影响,对不同扰动频率下的三维矩形射流进行了大涡模拟,用分布投影法求解动量方程,对压力泊松方程采用FACR直接解法.计算结果预报的速度在横向的单峰分布和速度半宽沿流向的近似线性增长与实验结果吻合良好.计算结果表明扰动频率为射流的本征频率fe=0.22时射流的卷吸作用最强,而高频扰动则抑制卷吸作用;激励频率接近本征频率时射流提前出现速度在展向的马鞍型双峰分布,更早趋于圆射流形态.进一步的流场二维和三维瞬态涡结构图谱表明:上述现象与f=0.1和f=0.22时射流近场更频繁卷起、更丰富的大涡结构存在密切关系,正是这些大涡运动不断地在横向卷吸入外界流体,实现射流在横向的迅速扩展.     

热激励器对超声速圆管射流的控制机理

采用大涡模拟方法研究了热激励器对马赫1.3 超声速圆管射流涡结构的影响, 采用加入净热源的方法模拟了热激励器的热效应, 分析了不同激励模态(m =±1 和m =±4) 的降噪和增加射流掺混的效果. 研究发现: (1)射流在受到激励作用时, 产生了更大的径向和周向速度扰动, 这有利于流向涡的形成, m =±1 激励模态下流向涡的发展更快, 特别是在摆动面上会有更大的增长速度; (2) 气动噪声分布的频带很宽, 激励作用对抑制高频气动噪声有较强的作用; (3) 对于在喷管壁面处产生的固壁噪声, m =±4 模态下的激励作用一定程度上加强了固壁噪声.      

后台阶流动再附着过程的大涡模拟研究

应用自主开发的大涡模拟程序数值模拟研究了后台阶流动中再附着过程的演变。在流动几何参数不变情况下，给出了再附长度随雷诺数的变化规律，并与实验进行了比较，二者相符得比较好。在此基础上，给出了三种典型雷诺数下，后台阶流动的回流区特征。在湍流情况下，研究了突扩比对再附长度的影响，与实验结果吻合的比较好。详细讨论了湍流情况下大涡拟序结构的瞬时再附着过程。 这些研究结果对具有再附着现象的流动结构的工程应用具有指导意义。     

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.     

轴对称射流场涡结构的离散涡段方法研究

本文用三维离散涡方法,模拟了轴对称圆射流涡结构的发展。     

Large eddy simulation and a simple wall model for turbulent flow calculation by a particle method

A turbulent channel flow and the flow around a cubic obstacle are calculated by the moving particle semi‐implicit method with the subparticle‐scale turbulent model and a wall model, which is based on the zero equation RANS (Reynolds Averaged Navier‐Stokes). The wall model is useful in practical problems that often involve high Reynolds numbers and wall turbulence, because it is difficult to keep high resolution in the near‐wall region in particle simulation. A turbulent channel flow is calculated by the present method to validate our wall model. The mean velocity distribution agrees with the log‐law velocity profile near the wall. Statistical values are also the same order and tendency as experimental results with emulating viscous layer by the wall model. We also investigated the influence of numerical oscillations on turbulence analysis in using the moving particle semi‐implicit method. Finally, the turbulent flow around a cubic obstacle is calculated by the present method to demonstrate capability of calculating practical turbulent flows. Three characteristic eddies appear in front of, over, and in the back of the cube both in our calculation and the experimental result that was obtained by Martinuzzi and Tropea. Mean velocity and turbulent intensity profiles are predicted in the same order and have similar tendency as the experimental result. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

Large eddy simulation in a turbulent channel flow using exit boundary conditions

The influence of the exit boundary conditions on the vanishing first derivative of the velocity components and constant pressure on the large eddy simulation of the fully developed turbulent channel flow has been investigated for equidistant and stretched grids at the channel exit. Results show that the chosen exit boundary conditions introduce some small disturbances that are mostly damped by the grid stretching. The difference of rms values between the fully developed turbulent channel flow with periodicity conditions and the fully developed channel flow using inlet and the exit boundary conditions is less than 10% for the equidistant grids and less than 5% for the stretched grids. The chosen boundary conditions are of interest because they may be used in complex problems with back flow at the exit. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

圆柱绕流流场结构的大涡模拟研究

为进一步揭示绕流现象的形成机理,本文分别对处于层流稳态区、尾流过渡区、剪切层转换区Re分别为26、200、1.4×105的三种典型流态下的单圆柱绕流进行了二维数值模拟研究。Re为26时应用层流模型直接求解N-S方程,而Re分别为200、1.4×105时使用大涡模拟的方法进行计算。数值模拟很好地再现了稳定的涡旋结构、周期性交替脱落的卡门涡街结构、不规则的涡旋结构,在此基础上分析了尾流结构的基本特征及其压强分布规律、平均的流场特性、积分参数(如升力系数、阻力系数、斯特劳哈尔等),并与有关研究成果进行了对比。研究发现,采用不同流动介质时流场特性有所差异,空气为介质时的计算结果更符合实验的成果,而水为介质时计算结果偏差较大,这主要是由尾流涡旋产生的不合理负压造成的。     

Large eddy simulation of fully developed turbulent flow in a curved channel

In this paper large eddy simulation of the fully developed turbulent flow in a curved channel is carried out. The computational results are presented and compared with the experimental results of Eskinazi and Yeh^[1]. It is shown that the numerical results of the present LES are reliable and the influence of the curvature on the turbulence feature is correctly revealed.     

基于FLUENT的大气边界层风场LES模拟

通过拟周期边界条件、布置粗糙元和添加随机扰动等措施实现了大气边界层风场的LES模拟。对可能影响数值模拟结果的网格密度、粗糙元高度、随机数大小、随机数赋值方向及范围等主要参数进行分析,确定其影响规律,并据此生成满足目标要求的四类不同地貌大气边界层风场。结果表明,本文的模拟结果满足结构抗风计算的要求,验证了本文所采用的数值模拟方法的可行性,为后续进行结构绕流的大涡模拟提供了有价值的来流生成方法。     

Large eddy simulation of vertical turbulent jets under JONSWAP waves

The effect of random waves on vertical plane turbulent jets is studied numerically and the mechanism behind the interaction of the jet and waves is analyzed. The large eddy simulation method is used and the σ-coordinate system is adopted. Turbulence is modeled by a dynamic coherent eddy model. The σ-coordinate transformation is introduced to map the irregular physical domain with a wavy free surface and an uneven bottom onto a regular computational domain. The fractional step method is used to solve the fil...     

Large eddy simulation in a fully developed turbulent flow in a channel and comparison of subgrid eddy viscosity models

The accuracy and computational efficiency are compared for a number of models of subgrid eddy viscosity (Smagorinsky model, renormalization group model, and dynamic and one-parameter models). Space-filtered Navier-Stokes equations are solved numerically by the control-volume approach on a nonuniform grid with the use of high-resolution schemes in time and space. The numerical data are compared with the results of a physical experiment and direct numerical simulation. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 47, No. 3, pp. 31–42, May–June, 2006.