台阶式溢洪道滑行水流水面线和消能效果的试验研究

通过模型试验研究了台阶式溢洪道滑行水流的流态、水面线和消能效果。试验得出,台阶式溢洪道的水流流态分为台阶内部的旋滚流态和虚拟底板以上主流区的流态。台阶式溢洪道水面线的变化与来流量、台阶尺寸和掺气浓度有关。当水流进入台阶段时,水面由于失重有一定的降低,然后逐渐抬高至某一高度后再略有降低;在掺气发生点以前,水面线沿程降低,掺气发生点以后,水面线沿程升高;当水流掺气饱和时,水深沿程不再变化,为明渠均匀流。台阶式溢洪道的消能率是逐级台阶的累积效应。水流通过与台阶之间的碰撞、台阶上的水流漩滚以及水流内部的紊动剪切强化了溢洪道的消能效果。在试验范围内,台阶式溢洪道与光滑溢洪道比较,消能率可以提高40% ~70%。通过试验,得出了台阶式溢洪道滑行水流水面线和消能率的计算方法。     

锥阀附近水力特性的三维数值模拟研究

采用可压缩的两相流模型,辅以Realizable k-ε湍流模型来模拟锥阀附近的水流水力特性,对于自由水面的处理采用了VOF法。通过对计算的压力场以及流线的分析,指出锥阀在水力消能中的作用。数值模拟结果与试验资料的比较分析表明两者吻合较好,从而验证了该模型在锥阀湍流模拟中的可靠性。     

台阶式溢洪道掺气特性的试验研究

通过试验研究了台阶式溢洪道上的掺气现象以及掺气区域的划分，试验表明，台阶式溢洪道沿程掺气可以分为非掺气区、掺气发展区和掺气充分发展区等三个区域；断面掺气分为台阶影响的含气区、楔形清水区、水中气泡区和空中水滴区。试验还测量了台阶式溢洪道上的断面掺气浓度及其沿程分布，计算了断面含水率，提出了初始掺气点的计算方法。与光滑溢洪道相比较，台阶式溢洪道具有初始掺气点前移，掺气发生早，发展快，掺气浓度大等特点。     

一类平衡大气边界层边界条件研究

基于标准k-ε湍流模型,首先利用湍流粘度方程和剪切应力在整个边界层内恒定的假设,推导出一类耗散率表达式,并根据常用的湍动能入口剖面方程以及平均风速剖面方程,计算获得相应的耗散率方程;然后在输运方程中添加自定义源项,通过已经确定的平均速度方程、湍动能方程、耗散率方程计算得到相应输运方程的自定义源项表达式,并进行空风洞数值模拟,从而得到了一类满足平衡大气边界层的来流边界条件．通过将这种边界条件与由湍流平衡条件得到的边界条件进行比较,表明本方法获得的边界条件更适用．并且,本方法无需考虑修正壁面函数和修正湍流模型常数,因而计算更为简单,可为平衡大气边界层的研究提供一种新的思路．     

HyperFLOW软件非结构网格亚跨声速湍流模拟的验证与确认

计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟在航空航天等领域发挥越来越重要的作用,然而CFD数值模拟结果的可信度仍然需要通过不断地验证与确认来提高.本文给出了从制造解精度测试、简单到复杂外形湍流模拟网格收敛性研究等三个方面开展CFD软件验证与确认的方法,并对自主研发的CFD软件平台HyperFLOW在非结构网格上模拟亚跨声速湍流问题的能力进行了验证与确认.首先通过基于Euler方程和标量扩散方程的制造解精度测试,分别验证了HyperFLOW在非结构网格上对Euler方程和黏性项的求解精度,结果表明其能够在任意非结构网格上达到设计的二阶精度. 其次,通过NASATurbulence Modeling Resource中的湍流平板、二维翼型近尾迹流动、二维Bump等几个典型的亚声速湍流算例的网格收敛性研究,量化考察了数值结果的观测精度阶和网格收敛性指数,并与国外知名CFD解算器CFL3D,FUN3D的计算结果进行了对比,验证了HyperFLOW对简单湍流问题的模拟能力,且具有良好的网格收敛性和计算精度(阶). 最后,通过NASA CommonResearchModel标模定升力系数的网格收敛性研究和升阻极曲线预测,验证了软件在复杂外形亚跨声速湍流流动数值模拟中也具有良好的可信度.      

基于雷诺应力模型的平衡大气边界层模拟

基于雷诺应力湍流模型（简称RSM模型）,研究了平衡大气边界层风场数值模拟问题．假设流体不可压,且不计雷诺应力输运方程中的对流项、浮力产生项、系统旋转产生项和扩散项,在准各向同性的条件下,推导出RSM模型湍动能k的表达式是标准k-ε模型k常数表达式的0.893倍．考虑k沿高度变化的修正,根据在标准k-ε模型中满足水平均匀性的湍流来流边界条件,提出在RSM模型中产生平衡大气边界层的湍流来流边界条件．基于空风洞的数值模拟结果表明,与工程上常用的湍流来流边界条件相比,基于本文提出的湍流来流边界条件得到的风场水平均匀性更优,且在整个流域内,得到的雷诺应力剖面更合适．从而验证了该湍流来流边界条件的适用性．     

超声速来流横向狭缝喷流标量输运的混合RANS/LES模拟

采用基于时均湍流模型的混合RANS/LES模拟方法对超声速来流狭缝横向喷流标量输运过程进行大涡模拟,控制方程对流项采用五阶精度的WENO格式求解,过滤后的组分方程中的亚格子组分对流通量采用梯度扩散模化.模拟得到了超声速来流狭缝横向喷流大尺度涡和组分的演化过程,研究表明喷流具有明显的非定常周期性特点,并且组分随时间的空间分布特征决定于流动的大尺度结构.模拟得到的压力的统计时均结果和实验结果定性一致,但喷流前后的分离区较实验值过大,这表明混合RANS/LES需要进一步改进.     

HyperFLOW软件非结构网格亚跨声速湍流模拟的验证与确认

计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)数值模拟在航空航天等领域发挥越来越重要的作用,然而CFD数值模拟结果的可信度仍然需要通过不断地验证与确认来提高.本文给出了从制造解精度测试、简单到复杂外形湍流模拟网格收敛性研究等三个方面开展CFD软件验证与确认的方法,并对自主研发的CFD软件平台HyperFLOW在非结构网格上模拟亚跨声速湍流问题的能力进行了验证与确认.首先通过基于Euler方程和标量扩散方程的制造解精度测试,分别验证了HyperFLOW在非结构网格上对Euler方程和黏性项的求解精度,结果表明其能够在任意非结构网格上达到设计的二阶精度.其次,通过NASA Turbulence Modeling Resource中的湍流平板、二维翼型近尾迹流动、二维Bump等几个典型的亚声速湍流算例的网格收敛性研究,量化考察了数值结果的观测精度阶和网格收敛性指数,并与国外知名CFD解算器CFL3D,FUN3D的计算结果进行了对比,验证了HyperFLOW对简单湍流问题的模拟能力,且具有良好的网格收敛性和计算精度(阶).最后,通过NASA Common Research Model标模定升力系数的网格收敛性研究和升阻极曲线预测,验证了软件在复杂外形亚跨声速湍流流动数值模拟中也具有良好的可信度.     

基于S-A湍流模型的Runge-Kutta有限元算法

采用一方程S-A模型(Spalart-Allmaras模型)封闭雷诺时均N-S方程(RANS方程)进行湍流数值计算,可以减少方程求解数量,节约计算时间。本文对其进行了有限元数值算法研究,首先通过沿流线坐标变换,得到无对流项RANS方程,并引入三阶Runge-Kutta法对其进行时间离散;然后利用沿流线的Taylor展开解决坐标变换带来的网格更新的困难;最后采用Galerkin法进行空间离散,得到湍流模型的有限元算法。基于方柱绕流和覆冰输电线绕流模型,与试验结果进行对比,验证了该算法的有效性,与一阶数值算法相比,该算法在精度和收敛性方面更具优势。     

海堤越浪的数值模拟

基于RANS方程和两方程湍流模型,采用有限体积法,将人射波波场作为人工的分布源项加人动量方程,提出了适用于VOF方法的源造波一消波技术。通过对行波及驻波的计算,分别考察了数值波浪水槽前端及末端消波段的有效性。在本文建立的数值波浪水槽内对规则波在海堤上爬高和越浪过程进行了数值模拟,并将计算结果与现有实验结果进行了比较。验证计算结果表明,数值模拟结果较好地复演了海堤越浪过程。为了研究模型尺度对越浪量的影响,文中设计了一组满足重力相似但具有不同几何比尺的数值实验模型。系列数值实验结果表明,若按重力相似换算越浪量,计算结果与实验预报值间的偏差随模型比尺的增大和堤前波浪破碎强度的增强而增大,建议在进行越浪物理模型实验时需进一步考虑模型比尺对原型预报值的影响。     

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.     

超声速平板边界层斜波失稳转捩过程研究

以5阶迎风和6阶对称紧致格式混合差分求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程,对Mach 数为4.5, Reynolds数为10000的空间发展平板边界层湍流进行了大涡模拟. 时间推进采用 紧致存储3阶Runge-Kutta方法,亚格子尺度模型为修正Smagorinsky涡黏性模型. 通过在 入口边界叠加一对线性最不稳定第一模态斜波扰动,数值模拟得到了平板层流边界层失稳转 捩直至湍流的演化过程. 对流场转捩过程中瞬时量及统计平均量的分析表明,数值模拟结果 与理论吻合,得到的Y型剪切层、交替\Lambda涡结构以及转捩后期的发卡涡结构的发展 变化与相关文献结果一致,湍流流谱定性合理.     

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.      

考虑当地涡旋运动修正的湍流模型在非定常空化湍流流场计算中的应用

为了更精确地模拟当地涡旋运动对复杂非定常空化湍流流动的影响,考虑当地涡旋运动特性对标准k-ε湍流模型进行了修正;并采用该修正模型对二维Clark-Y水翼周围非定常空化湍流场进行了计算;通过与实验结果进行对比,分析并验证了该修正模型计算结果的有效性。研究表明:该修正湍流模型根据当地涡旋效应对湍动能输运方程中的生成项进行修正,可以有效解决标准k-ε模型对湍动能的过度预测问题,得到的空化核心区域时均湍动能和湍流黏性的预测结果降低了约30%,与实际值更为接近;标准k-ε模型计算所得的时均空泡长度不大于0.6倍弦长,而修正模型计算所得的时均空穴可以覆盖水翼吸力面;修正模型可以准确预测水翼吸力面表面空泡的非定常脱落过程,包括附着空穴的拉伸和断裂,以及脱落空泡的逐渐消失。     

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.     

小波变换在湍流数值研究中的应用

小波变换具有时空双局部性特点,恰好适应了湍流特性。本文主要阐述了小波在湍流数值计算中的两大研究进展:一个是利用连续小波(高斯小波)可使L ap lace算子降阶的特性来求解N-S方程;另一个是正交小波与有限元法相结合的方法——相干涡模拟。指出它们的优缺点及其存在的问题,并对小波在湍流计算中的应用前景作了展望。     

基于人工神经网络的湍流大涡模拟方法

大涡模拟方法(LES)是研究复杂湍流问题的重要工具,在航空航天、湍流燃烧、气动声学、大气边界层等众多工程领域中具有广泛的应用前景.大涡模拟方法采用粗网格计算大尺度上的湍流结构,并用亚格子(SGS)模型近似表达滤波尺度以下的流动结构对大尺度流场的作用.传统的亚格子模型由于只利用了单点流场信息和简单的函数关系,在先验验证中相对误差较大, 在后验验证中耗散过强. 近几年来,机器学习方法在湍流建模问题中得到了越来越多的应用.本文介绍了基于人工神经网络(ANN)的湍流亚格子模型的最新进展.详细地讨论了人工神经网络混合模型、空间人工神经网络模型和反卷积人工神经网络模型的构造方法.借助于人工神经网络强大的数据插值能力,新的亚格子模型的先验精度和后验精度均有显著提升. 在先验验证中,新模型所预测的亚格子应力的相关系数超过了0.99,在预测精度上远高于传统的大涡模拟模型. 在后验验证中,新模型对各类湍流统计量和瞬态流动结构的预测都优于隐式大涡模拟方法、动态Smagorinsky模型、动态混合模型等传统模型.因此, 人工神经网络方法在发展复杂湍流的先进大涡模拟模型中具有很大的潜力.      

LES/RANS方法混合函数特性研究

将两方程k-ω SST湍流模型和Sagaut的混合尺度亚格子模型通过一个混合函数相结合, 构造出一种混合大涡/雷诺平均N-S方程模拟方法(hybird large eddy simulation/reynolds-averaged navier-stokes, Hybrid LES/RANS), 采用这种混合模拟方法结合5阶WENO格式对Ma=2.8平板湍流边界层进行了数值模拟, 并在计算区域上游入口处采用“回收/调节”方法生成湍流脉动边界条件, 通过考查RANS区域向LES区域的过渡参数及网格分辨率对这种混合模拟方法进行了评价. 计算结果表明: 该文采用的混合模拟方法可以捕捉到湍流边界层中的大尺度结构且入口边界层平均参数不会发生漂移, 混合函数应当将RANS区域和LES区域的过渡点设置在对数律层和尾迹律层的交界处, 而过渡应当迅速以获得正确的雷诺剪切应力分布, 在该文采用的模型及数值方法的条件下, 流向及展向的网格小至与Escudier混合长相当时, 能够获得可以接受的脉动速度的单点-二阶统计值.     

内锥流量计流出系数预测方法研究

采用标准k-ε模型、RNG(Renormalization Group)k-ε模型、Realizable k-ε模型和Reynolds应力方程模型 RSM(Reynolds Stress Model) 对100 mm口径6种结构的内锥流量计内流场进行了数值模拟.在等效直径比β值为0.65的三种结构内锥流量计流出系数的仿真计算中,四种湍流模型计算结果与物理实验结果误差的平均值分别为4.19%,2.84%,2.88%和-0.822%;对β值为0.85的情况,各模型计算误差的平均值分别为11.8%,9.62%,9.30%和4.76%.研究结果表明,RSM模型在6种结构内锥流量计流出系数的预测中,计算精度较高,表现出了较好的性能,优于三种k-ε涡粘模型,更适于内锥流量计流场数值模拟与流出系数的预测.     

利用重正化群方法推导湍流二阶矩封闭模型

Rubinstein和Barton在他们的原始工作中,利用Yakhot-Orszag湍流重正化群方法对雷诺 应力输运方程中的速度-压力梯度项和各向同性回归过程进行了模拟. 文中分析了 其在理论推导过程中存在的数学物理上不自洽的问题及计算错误,并且利用重正化 群方法重新系统地对雷诺应力输运方程进行了模拟,计算得到的湍流常数理论值和 经验值相接近.