底吹气体搅拌下熔池内流场的研究

本文对底吹气体搅拌下水模型熔池流场进行了研究。以流函数、涡量为主要应变量,采用K-8湍流双方程模型,气液两相区的浮力模型及边界条件构成数学模型,应用spalding计算湍流迥流的方法,数值求解得到熔池流场涡量、流函数、湍动能、湍动能耗散率、涡旋粘性系数、速度、含气率及密度等的分布,计算的速度分布及流谱与实验测定的相吻合。     

有分离流的亚声速圆锥扩压器内紊流可压缩粘性流的数值计算

本文应用涡量-流函数作为主要变量对圆锥扩压器内分离流动进行了数值解。计算是针对扩张角为23°(长561mm,进口半径 267mm)的有分离流的圆锥扩压器进行的,紊流粘性系数的计算是采用 Harlow-Nakayama 的k-ε双方程模型,计算中采用的进口不均匀速度分布取自文献[1],出口边界条件基本是根据其实测速度确定的,这个计算明显地示出了无分离区和分离区,与实验结果相比,吻合程度较好。这就说明应用本文提出的数值求解方法,当给定正确的边界条件时,通过计算可以获得比较正确的内部流场分布,包括无分离区和分离区。     

对流扩散方程的涡区分离解法

对流扩散方程是流体计算中一个基本方程,常用的数值方法导至解一个高阶的代数方程组,要求较大的存贮量和较长的计算时间。本文提出一种涡区分离解法,它利用对流扩散方程的迎风性质,把涡区从对流支配区分离出来,仅在各个涡区建立代数方程组并求解。而在对流支配区,则充分利用其抛物性,只需采用显式格式进行计算。由于在各涡区建立的这些方程组阶数和带宽都较小,因此要求存贮量较小,计算速度较快。对于雷诺数较大,涡区范围较小的问题,该方法特别有效。     

三维涡方法模拟蒸发性喷雾

本文发展了考虑可压缩效应的双向耦合三维涡方法,将涡方法拓展至蒸发性喷雾的模拟。离散相液滴的运动采用拉格朗日方法跟踪,采用考虑了吹风效应和对流效应的N-G-R-M模型计算其传热传质。针对文献中的丙酮喷雾实验开展数值模拟,获得喷雾涡量场发展过程及涡量分布规律,并与实验数据进行对比,液滴直径的空间分布与实验结果吻合良好,本文模型可预测出喷雾液滴的平均寿命。     

压气机角区分离的非线性涡黏模型预测

压气机角区分离是一类典型的复杂分离流动。目前常用的线性涡黏性模型预测得到的结果常与实验结果有较大差别。使用雷诺应力模型的计算或大涡模拟等可以得到良好的预测结果,但受计算量和稳定性限制,目前尚未得到广泛应用。本文探索了一种形式简单的新型非线性涡黏模型在压气机角区分离流动预测中的可行性和有效性。计算结果表明:该非线性模型有效地改进了精算精度,压力分布和分离起始位置等的预测值得到了明显改进。同时,使用该模型时的额外计算量小于5%且计算的收敛性没有明显恶化。本文结果表明该非线性涡黏模型在叶轮机械复杂流动中的应用值得进一步探讨。     

肋条湍流减阻机理的研究

本文采用热线实验和大涡模拟数值计算方法,对三角形肋条的局部摩擦阻力和表面流场进行了测量和模拟,并对肋条的减阻机理进行了分析。结果发现,在整体减阻情况下,肋条表面局部摩擦阻力在展向位置分布不均匀,在肋尖附近区域为局部增阻区,在肋底附近为局部减阻区。在此基础上,通过涡动力学分析建立了局部摩擦力和流场涡运动之间的理论关系式,定量得出法向涡量和展向涡量的扩散流率是决定壁面摩擦阻力的两个因素。进一步研究发现,法向涡量和展向涡量的扩散流率主要集中在肋尖及其两侧,使得该区域能量输运和耗散强烈,形成局部增阻区。而在肋底附近,法向涡量和展向涡量的扩散流率较小,涡运动微弱,形成局部减阻区。     

旋流和无旋突扩流动的LES和RANS模拟

本文用smagorinsky-Lilly亚网格尺度湍流模型对旋流突扩流动(s=0.53)和无旋突扩流动(s=0)进行了大涡模拟(LES模拟),同时分别用压力应变项为IPCM和IPCM+Wall模型的雷诺应力方程模型进行了RANS模拟,和LES的统计结果对比。LES的统计结果与雷诺应力模型的模拟结果及实验对照表明,LES结果与实验结果的吻合比雷诺应力模型的好,说明所用的亚网格尺度湍流模型对旋流流动是适用的,LES结果是可信的。LES的瞬态结果揭示出在旋流作用下,流场中存在复杂的旋涡脱落现象。大涡结构极易破碎成小涡,而在无旋突扩流动的情况下,由于剪切的作用更强,大涡结构的尺寸和范围比旋流流动的要大。     

应用分离涡模型计算斜圆柱孔气膜冷却

分离涡模型(DES,Detached eddy simulation)兼有雷诺时均湍流模型计算量较小和大涡模拟计算精度高的优点。本文利用DES对平板单斜圆柱孔的气膜冷却进行了数值模拟,并将结果同RANS湍流模型的计算结果以及实验数据相比较,表明DES能有效弥补RANS湍流模型在计算三维不均匀非定常湍流场的不足,更接近实际地反映了气膜冷却中的流动和换热的本质规律。     

长叶片透平级非定常汽流激振数值研究

通过应用商用软件ANSYS-CFX数值求解Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程和k-ε两方程湍流模型的方法对不同流量下的汽轮机末级流场进行了详细的非定常研究分析。本次数值计算的计算域包括末级静叶域、动叶域和弧形扩压段,同时采用叶片约化法减少了计算成本。动叶的围带和拉金(PSC)均考虑在计算域之内以获得更为真实的流场结果。结果表明:末级总总等熵效率和长叶片表面静压呈现明显的周期性波动;随着流量的减小,总总等熵效率和叶片载荷均明显降低,扩压段中出现分离涡,并逐渐扩展到动叶栅通道中;分离涡的频率较低,并对长叶片所受到的气流激振产生影响。     

高超声速层流绕三维压缩拐角的数值模拟

通过数值模拟研究了高超声速来流绕过压缩拐角的层流分离三维流动特性.数值方法采用三维N-S方程,结合2阶精度Roe格式以及分区结构网格有限体积法进行离散.数值模拟的空间激波结构与实验纹影结果符合较好;激波/边界层干扰区内3条纵向线上的计算压力分布与实验结果进行了对比分析,计算获得在三维楔侧面存在低压力区,与实验结果反映的规律一致,计算结果表明低压力区是由楔体侧缘尖端发起的二次涡的抽吸作用造成的.此外,在楔体后端尾流区的低压沿边界层内的亚声速区往上游传递了一定距离.      

加力燃烧室热态流场的大涡模拟

本文采用k方程亚网格尺度模型对带V形槽稳定器模型加力燃烧室紊流化学反应流进行大涡模拟的研究,采用亚网格EBU燃烧模型估算化学反应速率,用热通量辐射模型估算辐射通量。数值计算表明,在稳定器后面开始在短时间内出现涡的交替脱落和逐渐消失过程,然后形成稳定的回流区,数值计算结果与实验比较吻合,表明可用大涡模拟研究实际燃烧室瞬态燃烧流场。     

跨音轴流压气机转子叶尖喷气扩稳机理分析

对跨音压气机Rotor35进行了多通道全三维定常/非定常叶顶喷气数值模拟。数值计算所获得实壁机匣总性能与试验结果符合良好。计算表明使用3.6%转子堵塞流量的叶顶喷气量可以获得21.4%的扩稳效果。定常计算结果显示叶顶喷气重点影响0.9叶展以上区域,使得该区域进气攻角和扩散因子减小,从而降低叶顶载荷,减小了由激波和泄漏涡相互作用形成的通道堵塞。非定常计算结果显示,叶尖喷气的扩稳效果来自两方面:一是对某一叶片叶顶的卸载作用;二是对激波/泄漏涡干扰形成的低能区重新注入轴向动量。后者对通道流通的改善作用大于前者。非常高的喷射频率使得叶顶喷气能够抑制每个通道中低速区的进一步增长,从而实现了对压气机的扩稳。     

局部附面层抽吸对高负荷扩压叶栅流动特性影响

在低速条件下实验研究了局部附面层吸除对高负荷扩压叶栅内流动特性的影响。实验对叶栅壁面进行了墨迹流动显示,并采用五孔气动探针测量了叶栅出口截面参数,得到了该截面的二次流速度矢量分布。结果表明,吸力面两端附面层吸除能有效减小角区三维分离、抑制通道涡发展,而在吸力面中部抽吸不能有效抑制角区三维分离流动;在角区分离线起始位置后采用吸力面两端吸气方式时,吸气量越大流动改善的效果越好,其余方案时吸气量变化对流动影响较小。     

两相混合层中颗粒运动的数值模拟

本文采用离散涡方法对平板混合层流动进行了数值模拟,得到了与实验完全定量符合的速度场。再用单向耦合方法模拟了混合层流场中颗粒的运动。分析了混合层流动中大尺度涡结构及Ｓｔｏｋｅｓ数对颗粒扩散的影响。与前人工作中所采用的每个时间步一个颗粒在固定的位置进入计算域的方法不同,本文中每个时间步有多个颗粒在入口处以随机的横向位置进入计算域。因此,在不需增加太多计算量的基础上,计算域中可以包含足够多的颗粒以获得较精确的统计结果。采用本文方法得到的颗粒速度场与实验结果定量符合得很好。     

脉冲管制冷机变截面交变流动特性CFD研究

采用计算流体力学(CFD)方法,对小型脉冲管制冷机进行了二维数值模拟,研究了脉冲管制冷机部件变截面处的结构非对称性对流场的影响。数值模拟结果观测到由非对称结构所引起的非对称流动,揭示了第三直流效应的产生机理,这种非对称流动以周期性演变的涡量环流的形式进行。涡量环流的演变是一个能量的耗散过程,文中还对比了不同输入功率和运行频率对涡量耗散的影响。此外,将数值模拟结果与实验实测结果进行对比,验证了数值模拟的有效性,并从涡量耗散的观点出发对小型脉冲管制冷机输入功率增加到一定程度后制冷温度升高的反常现象进行了解释。     

平板前缘分离抑制的周期性激励研究

本文采用大涡模拟对平板前缘分离在周期性来流激励作用下的流动结构进行了数值研究。将计算得到的结果与实验数据进行了对比。在此基础上,对涡量等值面和Q准则可视化手段进行了比较。通过研究不同外部周期性激励频率抑制分离的效果,讨论了有效外部扰动频率与分离区域特征频率的关系。结果显示,外部频率为f_(shear)、f_(shed)、1/2f_(shear_时分离抑制明显,其中1/2f_(shear)效果最佳。当分离区域显著减小时,流动具有明显的周期性;当在外部扰动作用下的分离抑制效果很弱时,外部扰动无法直接在分离区域中促成对应尺度的涡生成。     

扩压叶栅二维流动分离的数值模拟

通过数值模拟,研究了二维扩压叶栅内流动分离及涡脱落的特征.定常计算结果表明:随着叶片负荷的增加,流场中奇点数目明显增加.非定常计算结果表明;在二维扩压流场中存在尾缘脱落涡和吸力面脱落涡两种脱落涡,它们的脱落频率随着冲角和马赫数的变化而变化.     

亚声速圆锥扩压器内紊流可压缩流动的数值计算

本文应用涡量-流函数作为主要变量对粘性流体流动进行求解.理论上可适用于有回流和无回流的流动情况.为了验证本方法的可靠性,特对小扩张角圆锥扩压器内可压缩粘性流体的流动进行了计算.由于只涉及无回流的紊流边界层发展过程,在数值计算中采用了Prandtl混合长度假说,同时考虑了进口不均匀速度分布.计算结果与文献[4]中实验数据相比较是相当吻合的.这说明本方法可用于一般无分离流动的圆锥扩压器的设计计算.     

振荡翼型非定常气动特性数值模拟

本文采用URANS方法对NACA0012翼型在不同振荡方式下的非定常气动特性进行了数值模拟,并与实验和文献中DNS计算结果进行对比,结果显示:URANS方法较好地显示出翼型的俯仰振荡气动特性和近壁面速度随攻角变化规律,但未能模拟出前缘分离泡的生成和发展;对于沉浮振荡翼型,URANS方法能够模拟出尾涡的结构和尾涡间的相互作用。文中还对低频和高频振荡翼型的气动特性进行了分析。     

基于LBM方法的风力发电机尾流结构仿真

针对传统CFD数值计算方法难以实现风力机动态旋转及其旋转状态下的流固耦合计算,本文结合格子玻尔兹曼(LBM)方法易于处理动态复杂边界的特点及大涡模拟(LES)方法在非稳态涡流结构捕捉上的优势,采用LBM-LES联合方法进行三维风力发电机整机气动性能及尾流结构仿真研究,同时采用尺度自适应方法对尾涡结构进行跟踪和精细化计算。针对NREL PhaseⅥ型试验机进行模拟,得到了与实验结果吻合的流动形态及尾流结构演变规律,分析了尾流区速度演变规律并对比了不同亚格子湍流模型对计算结果的影响.