横向粗糙元壁面槽道湍流的大涡模拟研究

采用大涡模拟和浸没边界法相结合对不同高度和不同间距横向粗糙元壁面槽道湍流进行了模拟,得到了光滑壁面和粗糙壁面湍流的流向平均速度分布,雷诺剪切应力,脉动速度均方根和近壁区拟序结构。结果发现横向粗糙元降低了流向平均速度,增大了流动阻力,粗糙壁面湍流的雷诺剪切应力大于光滑壁面。粗糙元降低了流向脉动速度,增强了展向和法向脉动速度。粗糙元高度越高,对湍流流动影响越大,而粗糙元间距对湍流统计特性的影响不大。粗糙壁面仍然存在着和光滑壁面类似的条带结构。     

湍流边界层拟序结构的大涡模拟研究

采用动力亚格子模型,利用大涡模拟方法模拟了雷诺数为13000的充分发展槽道湍流流动。从瞬时速度和脉动 速度场、脉动速度相关、均方根脉动涡量分布、以及瞬时涡量场等多个方面,对湍流边界层流动的拟序结构进行了分析, 包括近壁区小尺度湍流结构和瞬态过程,如条纹结构、喷射和扫掠过程、以及近壁旋涡结构等。     

三角肋条大涡模拟与减阻机理研究

已有实验表明三角肋条具有较好的表面减阻效果,但雷诺时均湍流模型难以模拟与揭示肋条减阻机理。本文采用大涡模拟(LES)对下壁面安装肋条的槽道流进行模拟,通过减阻率与实验值的对比以及平均速度剖面和脉动速度均方根等与直接数值模拟(DNS)结果的对比确认本文计算的准确性。根据计算的流场细节分析表明:肋条通过增加近壁区的边界层厚度,抑制流向涡的发展,减少近壁活动,使得近肋条壁面的剪切力比平板的剪切力小而获得减阻。     

混合层流动的格子涡方法数值模拟

采用格子涡方法对二维平板混合层流动进行了数值模拟,重点考察了格子涡方法定量模拟混合层流动流场下游不同流向位置各湍流统计平均量的能力。模拟结果表明:除横向脉动速度均方根比实验值大外,混合层流动在下游不同流向位置的流向平均速度,流向脉动速度均方根和雷诺应力的模拟结果都与实验结果定量符合得很好。此外,模拟结果还很好地反应出混合层流动的自相似性质。从而表明,格子涡方法具有对空间发展混合层流动进行较精确的定量模拟的能力。     

不同粒径粗糙元对壁面湍流拟序结构的影响

采用氢气泡流动显示技术,研究了不同粒径粗糙元对壁湍流拟序结构的影响。实验中粗糙元布置在氢泡丝前,均匀排成一排,基于平均速度和水力直径的雷诺数从14300到48000变化,离散粗糙元直径分别为0.9、1.6、2.3、4、5和6mm,粗糙元间距为2 cm。实验发现:光滑壁面和粗糙元壁面近壁湍流条带数量和条带高度都随雷诺数增大而增加。相同雷诺数下,粗糙元壁面流动产生的条带数量和条带高度随粗糙元粒径增大而增加。粗糙元壁面湍流条带数量和条带高度均比光滑壁面大。该研究对壁湍流的流动控制工程应用具有参考价值。     

湍流槽道内近壁区域脉动速度特性研究

本文采用直接数值模拟方法(DNS)研究了单相槽道流动问题.采用联合密度函数对近壁面区域内脉动速度分量进行了象限分析,同时,对脉动速度进行了概率密度分析及频谱分析,从而对近壁区域内流动的概率事件,速度概率分布及不同频率的涡对速度场的影响有了清晰的认识。研究发现,方向性事件主要集中在对数层以下,低频涡对于流向和法向脉动速度的贡献随着法向高度增加而增大,并且在近壁面上展向速度的脉动在对数层以及黏性底层存在较大脉动强度。     

粗糙壁面上湍流边界层的直接数值模拟

本文采用多重直接力内嵌边界法计算流体与粗糙壁面之间的相互作用力,直接数值模拟了粗糙壁面上湍流边界层的流动状况。粗糙壁面则通过流向和展向分别叠加正弦函数的方法产生。研究发现,峰值较大的位置优先诱导产生出涡结构,并且加大了涡结构的倾斜角度。此外,较大峰值处的粗糙度所产生出的"喷出"和"扫入"事件更加强烈,其对外层的作用范围也就更大。同时粗糙壁面的峰值大小对于雷诺应力的输运也起着至关重要的作用。     

湍流边界层内流向涡的数值模拟研究

采用准二维共振三波作为湍流边界层近壁区相干结构初值,用直接数值模拟方法计算了流动从二维结构发展到三维结构并且伴随流向涡生成的整个过程,分析结果显示流向涡对湍流动能和质量传输有着重要作用,是湍流边界层相干结构的重要特征和运动形式.     

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.     

不同排列粗糙元对湍流拟序结构的影响

采用氢气泡流动显示技术,研究了壁面不同排列粗糙元对近壁湍流拟序结构的影响。实验中基于平均速度和水力直径的雷诺数分别为14300、31200、48000。氢泡丝上游布置的离散粗糙元直径为2．3、4和6mm,得到了光滑壁面和5种不同排列方式的离散粗糙元壁面湍流条带和湍流斑块特征。结果发现：相同雷诺数和相同排列方式下条带间距...