湍流转捩模式研究进展

以湍流模式理论为基础发展起来的湍流转捩模式是一种十分重要的转捩预测方法. 本文对转捩模式的研究进行了回顾. 首先, 探讨了以低雷诺数湍流模式理论研究转捩问题的局限性,此类模式中, 用来模拟黏性层次的阻尼函数经过修正之后, 具有一定的转捩预测能力. 但也有观点认为这只是一种数值上的巧合而已. 其次, 指出了考虑间歇性的模式所存在的问题. 此类模式通过各种方式将间歇因子与湍流模式进行耦合, 在一定程度上考虑了转捩的物理机制, 可较好地模拟简单流动中的转捩过程. 但其中所包含的非局部变量使其与现代CFD方法并不协调一致. 接着, 分析了完全由局部变量构造的新型转捩模式, 其中涉及了关于非湍流脉动动能等转捩特征变量的新型输运方程. 最后, 对此领域的发展方向进行了预测.      

可压缩自由剪切流混合转捩大涡模拟

针对湍流气动光学效应与冲压发动机气体混合机理问题,开展了可压缩混合层流动空间模式大涡模拟和时间模式直接数值模拟研究.通过对流场(包含亚/亚混合、超/亚混合两种情况)失稳、转捩直至完全湍流的空间发展过程的研究表明,对流Mach数0.4状态下流场失稳以二维最不稳定扰动为主;非线性发展中,基频涡对并及展向涡撕裂主控流动转捩,流场发生混合转捩;转捩后脉动流场基本达到局部各向同性,此时,湍流Mach数低于0.3,流动压缩性可近似忽略.     

k-ω-γ模式对转捩影响因素的预测性能研究

高超声速边界层转捩的准确预测对飞行器的防热、减阻至关重要,而影响高超声速边界层转捩的因素众多.从模式角度出发研究边界层转捩的影响因素,采用k-ω-γ 转捩模式对5°圆锥的边界层转捩进行了数值分析,计算了不同头部钝度、来流雷诺数和湍流度情况下的边界层转捩,并与实验结果进行了对比. 研究结果表明:k-ω-γ 转捩模式基本能够反映头部钝度、来流雷诺数、来流湍流度对高超声速圆锥边界层转捩的影响规律,但对转捩后的热流峰值预测不准;从模式构造角度分析发现,雷诺数越高或头部钝度越小,层流区边界层越薄,k-ω-γ 转捩模式中第一、第二模态时间尺度增大,因此转捩起始位置提前;来流湍流度越大,等效脉动动能初值越大,导致层流区发展过程中等效脉动动能越大,因此转捩易于发生.      

简单剪切流动中转捩的低维模式与数值模拟

回顾了过去10年在壁湍流和自 由剪切流转捩问题的数值研究中取得的重要进展, 介绍了数值方法和模式研究方面 的进展, 以及由此带来的关于转捩理论认识上的进展. 对于壁面流动, 文中主要介 绍了渐进稳定流动中``跨越(bypass)转捩'研究中的各种观点. 本文也简要介绍了 对感受性和转捩控制方面的研究.     

绕振荡水翼流动及其转捩特性的数值计算研究

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.      

一种新型转捩技术在跨音速风洞中的应用

针对传统金刚砂粗糙带在跨音速增压风洞实验中易脱落、随机误差大等问题,设计一种新型斑点型粗糙带,解决了大动压条件下,在模型表面实现固定转捩的问题。应用萘升华流动显示技术,分析了固定转捩和自由转捩条件下边界层变化情况;由测力实验得到GBM-01(AGARD-B)标准模型不同Ma数下的气动特性, 并与国外大风洞实验数据进行了比较。实验结果表明：新型斑点型粗糙带能够将层流边界层转变为湍流边界层,可以获得具有高雷诺数特点的数据,且强度高,是一种具有广阔应用前景的新型转捩技术。     

壁流动中的转捩

对壁流动的不同实验结果做了对比,这些实验结果来自于流动显示、热膜测量以及PIV测量, 对比的同时,还总结了与此相应的理论方面的进展.这些进展是在对所选大约120篇文献中内容归纳提炼的基础上给出的.尽管实验中所使用的初始扰动条件不同,但所发现的流动结构几乎是完全一样的. 在对壁流动转捩的认识方面,认为下列所观察到的流动结构是最基本最重要的:在边界层和管流中被称为类孤子相干结构(SCS)的三维非线性涡包、$\Lambda$涡、二次涡环和涡环链.近期的实验中发现了这些结构形成和转捩的动力学过程,具体包括以下内容: (1) $\Lambda$ 涡和二次涡环间持续的相互作用过程.该过程决定了涡环链的产生方式, 总是从壁面区域周期性地形成,并进入到边界层的外部区域; (2)高频涡的生成,这是理解转捩和湍流边界层(以及其他流动)发展的关键问题之一.尽管已经提出了一些解释,但是二次涡环的实验发现将对此提供一个特别清晰的解释.(3)在所有湍流猝发中SCS所起的关键作用.这一点被看做是低雷诺数湍流边界层中湍流产生的关键机制.与猝发直接相关联的是低速条带. 基于SCS的动力学过程, 针对壁流动情况,可以比以前更清晰地解释低速条带的形成机制及其与流动结构的关系.在实验中所观察到的SCS和二次涡环,不仅能使我们重温壁面流动转捩中的经典故事, 同时还开辟一条新的途径,可以基于此建立壁面流动转捩可能具有的普适性的动力学过程.      

基于车身绕流的低雷诺数湍流模型改进研究

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.      

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.     

高亚临界雷诺数圆柱绕流的尺度自适应模拟

借助γ-Re_θ转捩模型,实现了高亚临界雷诺数（Re=1.4×105）下圆柱层流分离流动的尺度自适应模拟.统计平均结果表明数值计算和实验测量较为接近,尤其在圆柱后半段的分离区中,压力系数和实验符合得很好,误差主要源于分离点预测的不准确. 瞬态流动则显示,层流分离的剪切层中出现了展向不稳定,且在向下游的输运过程中不断增强,最后转捩为完全湍流. 在湍流分离模拟中,由于缺乏剪切层失稳的非定常性,SST-SAS 模型的尺度分辨能力变弱,因此在分离区以及下游尾迹中求解出的湍流尺度要明显较层流分离时大.      

基于深度神经网络的横流转捩预测

基于深度神经网络DNN构建了从层流流场无量纲速度梯度、流向涡强度等物理量到横流转捩模态下间歇因子间的映射关系,获得一种新的数据驱动转捩模型.通过将数据驱动转捩模型与SST k-ω湍流模型耦合,有效简化了转捩模型输运方程求解,实现高效、准确的亚音速三维边界层横流转捩流场计算. DNN训练数据来自变雷诺数的NLF(2)-0415无限展长后掠翼计算结果,并以两种工况进行测试,数据驱动转捩模型预测精度与γ-Reθ转捩模型近似.将数据驱动转捩模型用于其他典型横流转捩算例的计算,以验证其泛化能力.对于变后掠角的NLF(2)-0415后掠翼,数据驱动转捩模型与γ-Reθt-CF模型预测的转捩位置几乎一致,并且能够预测出后掠角从45°增长到65°的过程中,转捩位置先向前再向后移动的现象;对于标准椭球体,使用低分辨率网格进行计算,数据驱动转捩模型依然能够实现转捩位置预测,对椭球体表面Cf的计算结果与多个平台的横流转捩模型、实验结果基本一致.研究表明,以横流转捩相关物理量作为输入对DNN进行训练,并将获得的数据驱动转捩模型与SST k-ω湍流模型耦合,可以实现对横流转捩的有效预测,且具有较强的泛化能力.数...     

非均匀颗粒材料的类固-液相变行为及本构方程

以非均匀颗粒介质为研究对象,采用三维离散元方法对其在不同密集度和剪切速率下的动 力过程进行了数值模拟,分析了其在由瞬时接触的快速流动向持续接触的准静态流动的转变 过程及其行为特点. 通过对不同材料性质下相变过渡区内颗粒材料的宏观应力、接触时间数、 配位数、团聚颗粒数量、有效摩擦系数等参量的计算,更加全面地描述了非均匀颗粒材料在 类固-液相变过程中的基本特征. 基于以上数值计算结果,建立了一个适用于颗粒材料 类固态、类液态以及其相变过程的本构方程,并通过剪切室实验结果验证了它的合理性.     

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.     

倾斜界面耦合弹性层中的渡越辐射能

物理学中,摄动源在非均匀介质中或非均匀介质附近匀速直线运动所产生的能量辐射现象称为渡越辐射.列车沿轨道运行,由轮轨接触产生的弹性波在非均匀轨道和基础中传播将发生渡越辐射,而轨道和基础的非均匀性集中体现在不同轨道基础之间的过渡段(如路桥过渡段、桥隧过渡段或有砟-无砟轨道过渡段).为研究车致弹性波在过渡段中引发的渡越辐射现象,本文以典型高速铁路路桥过渡段结构形式为依据,建立了二维平面应力渡越辐射能计算模型.其中,两个材料参数不同的半无限弹性层由一倾斜界面耦合,底端固定,上表面自由,一个集中载荷在自由表面上匀速运动.界面两侧弹性体中的波动方程均分解为本征场、自由场两个部分分别求解,其中自由场波动方程采用分离变量法数值求解.通过模型求解得到了不同载荷移动速度和界面倾斜角度条件下的渡越辐射能及界面附近应变能密度.结果表明,渡越辐射能的大小随载荷移动速度增大单调非线性增大,移动载荷速度达到刚度较大一侧介质表面波速的74%时产生的渡越辐射能就将超过载荷本身激发的本征场应变能;界面倾斜角度越大,即两侧介质刚度过渡距离越短,渡越辐射能与本征场应变能比值越大.      

一种基于湍动能方程的转捩判定方法简

转捩现象是阻碍阻力高精度求解的主要问题之一. Menter 和Langtry 所提出的γ-θ转捩模型通过引入涡量雷诺数和间歇因子输运方程来驱动转捩,但是其中很多经验公式的理论立足点有待商榷. 驱使层流转变到湍流依赖的仍然是平均速度的一阶和二阶相关量,它们组合构成了湍动能方程的耗散尺度. 在湍动能方程中做合适的耗散平衡后,仅仅依靠湍动能方程可以有效地捕捉转捩现象. 采用自然转捩和旁路转捩测试算例进行了验证,结果证明该方法与试验值匹配较好,具有一定的工程实用价值.     

一种基于湍动能方程的转捩判定方法

转捩现象是阻碍阻力高精度求解的主要问题之一. Menter 和Langtry 所提出的γ-θ转捩模型通过引入涡量雷诺数和间歇因子输运方程来驱动转捩,但是其中很多经验公式的理论立足点有待商榷. 驱使层流转变到湍流依赖的仍然是平均速度的一阶和二阶相关量,它们组合构成了湍动能方程的耗散尺度. 在湍动能方程中做合适的耗散平衡后,仅仅依靠湍动能方程可以有效地捕捉转捩现象. 采用自然转捩和旁路转捩测试算例进行了验证,结果证明该方法与试验值匹配较好,具有一定的工程实用价值.      

颗粒介质固-流态转变的理论分析及实验研究

颗粒介质由大量离散的颗粒聚集而成,因而与传统固体和流体不同,运动过程中的颗粒介质中可能同时存在多种流态及其相互间复杂的转换过程. 颗粒介质弹性失稳机理、不可恢复应变量化是研究颗粒介质固态和流态及固-流态转变的关键. 在前期建立的双颗粒温度热力学(two-granular-temperature, TGT) 理论基础上,确定了颗粒介质的弹性稳定性条件,建立了不可恢复应变流动法则,搭建了描述颗粒固态-液态及其相互转化的简单模型. 颗粒堆积体坍塌过程是典型的颗粒介质固态和流态及其转变过程,因此本文首先开展了25 167 个陶颗粒堆积体坍塌过程的实验研究,并使用基于TGT 理论的物质点方法和离散元方法对物理实验进行了模拟. 结果表明,模型数值结果与物理实验在颗粒堆坍塌过程中的形态、速度分布等细节上吻合很好,同时也发现了现阶段所使用的物质点方法和TGT 理论的不足. 初步说明TGT 理论可以实现颗粒介质固态和流态,以及状态转变的描述.      

空间发展圆管转捩的直接数值模拟

利用直接数值模拟研究圆管流动中由局部壁面引入的周期性吹吸(PSB)扰动沿流向的空间发展,流动的雷诺数Re选定为3000.在临界幅值的PSB扰动下,在较短的圆管内,圆管中的扰动沿流向快速增长,在足够长的圆管内,扰动沿流向持续增长发生转捩,流动发展到湍流阶段.