高阶矩湍流模型研究进展及挑战

高阶矩模型是湍流模式理论研究中的难点和前沿.自周培源先生首次建立一般湍流的雷诺应力输运方程起,为了更精确的预测复杂流动,人们从未间断过对高阶矩模型的研究.尤其进入新世纪以来,随着计算机硬件水平的飞跃和高精度数值算法的突破,湍流模拟方法正由RANS向LES转变.而无论对于RANS框架、LES框架还是两者混合,高阶矩模式都...     

基于流动仿真大数据应对旋涡-湍流的研究进展

文章以流体科学进入二十一世纪后,在大规模超算、云存储、数据通信和人工智能为支撑的大数据时代背景下,结合目前在复旦大学航空航天系所构建的热流体湍流直接数值仿真数据库,以及复旦大学团队近期与美国德州大学刘超群教授、上海理工大学蔡小舒教授以及国内水动力学杂志编辑部所合作开展的第三代涡识别技术研究,初步概念性地展示旋涡和湍流,特别是针对有工程实际背景和直接应用价值的壁湍流,在这两个流体力学关键基础议题上的最新认知,和基于大数据深度学习的相关湍流工程模拟实践成果．这些成果包括：(1) 基于第三代涡识别技术的尾迹湍流中的涡运动学和动力学探索;(2) 流-热统一完整的类-1、类-2湍流边界层壁面律构建;(3) 基于第三代涡识别量对Kolmogorov 幂次律的再认知;(4) 基于DNS统计数据和神经网络深度学习构建新型湍流封闭模型及RANS计算实践．通过这些成果展示,论证解决这两个基础流体科学议题的技术路径,进而促进流体及相关学科研究在现代大数据背景下取得实质性进展和突破,并惠及现代流体、气动、水利、动力和化工等工程领域．     

湍流冲击射流流动与传热的数值研究进展

湍流冲击射流由于其冲击表面时具有很高的局部传热率和冲击力,被广泛应用于如表面的加热、电子元件的冷却、纸张的干燥和材料的切割等工程应用和工业过程中.由于其流动的复杂性,也常被作为一种理想的测试实例来评价湍流模型的性能.此外,湍升力射流与地面之间的空气动力作用对V/STOL (垂直或短距离起落)飞机的性能具有很大的影响.长期以来,人们从理论分析、实验测量和数值模拟方面对冲击射流进行了广泛而系统的研究,积累了丰富的资料.本文在分析了湍流冲击射流的数值研究现状的基础上,对近年来有关湍流冲击射流流动与传热的数值研究方面的文献有选择地进行了综述,重点评述了不同湍流模型对冲击射流流动与传热的预测能力,讨论了存在的问题并对该领域今后的研究方向进行了展望.      

倾斜吹吸控制下湍流边界层减阻的直接数值模拟

雷诺切应力是壁湍流高摩擦阻力的重要来源, 有理论认为可以通过壁面生成负雷诺应力(数值上为正)的方式来削弱湍流流场中雷诺应力的分布, 以此获得流动减阻. 而通过对雷诺平均运动方程的法向二次积分, 可以发现壁面生成正雷诺应力(数值上为负)对壁面摩擦阻力系数才有负贡献. 文中在湍流边界层流动的控制区域下边界设置一系列倾斜狭缝, 利用该装置通过周期性吹吸的方法产生壁面生成正(负)雷诺应力, 并采用直接数值模拟方法考察和验证上文提到的减阻理论. 文中采用的湍流边界层流动模型, 其流动雷诺数(基于外流速度及动量损失厚度)从300 发展到860. 文中通过多组数值模拟算例, 考察了射流强度和频率对壁面摩擦阻力系数的影响, 并对比了壁面生成正或负雷诺应力对流动的影响. 研究表明, 壁面生成正雷诺应力控制的减阻率能达到3.26, 而壁面生成负雷诺应力控制的减阻效果较壁面生成正雷诺应力控制的要差; 壁面生成的正雷诺应力对壁面摩擦阻力有负贡献, 而壁面生成的负雷诺应力对壁面摩擦阻力有正贡献; 通过考察控制的收支比, 发现控制方案不能获得能量净收益.      

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...     

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.      

强吸气旋转圆筒壁面湍流边界层建模及计算

提出了湍流边界层的一种简单、快速计算方法,用以求解强吸气作用下旋转圆筒表面边界层流动.首先,理论分析了同心圆筒间的旋转流体运动,外筒静止、内筒旋转且为多孔吸气条件.强吸气情况下旋转流动主要表现为内筒壁面附近的边界层流动,基于这一事实得到了周向速度分布的解析表达式.其次,通过引入新参数扩展Cebeci-Smith代数湍流模型,使其能考虑流线曲率、壁面吸气、低Reynolds数效应等因素.针对这些因素的综合影响,采用解析修正和经验参数对模型进行调整.同时,基于Reynolds应力湍流模型的仿真结果,校准代数湍流模型中的经验参数.最后,给出基于广义Cebeci-Smith湍流模型的旋转壁面边界层流动的迭代算法,该算法适用于需要特殊迭代过程的轴向及周向流动均匀情况.计算了不同旋转速度和吸气强度组合工况下的边界层流动,其周向速度和湍流强度分布与基于Reynolds应力湍流模型的计算结果非常接近.并且表明,当Reynolds应力湍流模型数值模拟预测内筒边界层为稳定层流时,该方法也再现了相同初始条件下的层流边界层.     

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．     

湍流边界层相干结构剩余脉动雷诺应力项的实验测量

用IFA300恒温热线风速仪和X形二分量热线探针以采样间隔小于湍流耗散时间尺度的分辨率精细测量了风洞中平板湍流边界层不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号。用条件采样和相位平均技术提取了相干结构猝发过程中相干结构剩余脉动雷诺应力和随机脉动对相干结构贡献的雷诺应力的条件相位平均波形。基于理论上对湍流相干结构动量方程中随机脉动对相干结构贡献的雷诺应力和相干结构剩余脉动雷诺应力项的分析,对两种雷诺应力项进行了对比研究。研究发现,相干结构剩余脉动雷诺应力项在数值上具有和随机脉动对相干结构贡献的雷诺应力相同的数量级,表明在相干结构动力学模型方程中,相干结构剩余脉动雷诺应力项并不像以前估计的那样可以忽略不计。     

剪切湍流的涡黏张量模式

对剪切湍流提出了涡黏系数为四阶张量的涡黏张量模式。引入近代数学中Ｍｏｏｒｅ－Ｐｅｎｒｏｓｅ广义逆矩阵的研究结果，给出了构造涡黏张量各分量的计算公式。用平面后台阶流动验算了剪切湍流的涡黏张量模式，比ＲＳＭ和ｋ－ε模式更接近实验结果。提出了剪切湍流涡黏张量模式的应用设想。     

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.      

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.      

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.     

关于RNG代数湍流模式的研究

研究了ＲＮＧ代数湍流模型，提出的涡黏性方程根的识别方法对涡黏性的选择给予了合理的物理意义，它减少了模型使用中的经验性，缩短了计算时间。另外关于用外部涡函数的双峰平均法来确定分离区附近边界层的厚度也是有意义的，它继承了ＢａｌｄｗｉｎＬｏｍａｘ代数模型的长处，改进了其不足，可用于分离流动的工程计算．     

工程湍流模式理论综述及展望

本文讨论了国内外湍流模拟的现状和发展趋势．指出湍流模式的建立除了应遵循理性力学原则外,还必须密切结合工程流体的复杂流动现象,如对具有浮力的回流、分离流及强旋流的模拟,对逆梯度的输运模拟,对单相流、多相流,单流体、多流体的湍流牛顿流体及湍流的非牛顿流体的模拟．应加深对湍流机理的认识,改进湍流模拟手段,结合工程实际,提出较为通用的工程湍流模式．      

非线性湍流模式研究及进展

现代湍流模式研究已经超出了经典的Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ涡粘性概念和线性的雷诺应力输运范畴,湍流运动过程中的非线性本质已成为模式研究人员所关心的中心问题。其目的在于使湍流模式能更加真实地再现湍流运动的复杂性,提高模式的适用范围,使复杂湍流能够得到合理的模拟,非线性湍流模式在解决复杂湍流运动的计算中已经取得可喜进展,正逐步应用于工程湍流的计算。同时,工程中的湍流问题计算也已走出了简单剪切流动类型及传统的ｋ－ε（及其它形式的）二方程模式框架,二阶矩封闭模式在先进的工程计算中已被用来解决诸如可压缩的空气动力学、发动机气缸及三维复杂几何场内等具有重要应用背景的流动问题,并逐步进入计算流体力学商业软件包。      

基于紊流状态的阻尼阀缝隙节流解析计算

提出了一种基于紊流状态的缝隙节流解析计算方法. 运用边界层理论给出紊流状态下流体的三层速度分布表达式,通过积分定理推导出平行平板的缝隙流量解析式,与CFD 软件数值解对比偏差很小,验证了方程的正确性. 以此为基础根据阻尼阀的结构特点又推导出同心环形缝隙的紊流流量公式,并分析不同物性参数对缝隙压差和流量的影响规律,填补了工程设计中没有紊流状态下缝隙节流解析式的空白,为提高阻尼阀的设计精度奠定了基础.     

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.      

基于ANSYS的近底床悬跨海管建模技术研究

以ANSYS软件为平台建立了近底床钢管-混凝土单层悬跨海管有限元模型.该模型综合应用PIPE59,MATRIX27和COMBIN40三个单元不仅模拟了海流对管道的作用,而且还模拟了管内流体流动引起的科氏力和离心力,另外还考虑了海管与底床的弹性接触.通过与CAM和DNV工程规范对比,验证了该模型.研究结果表明,所提出的建模方法可方便地应用于含内流的近底床悬跨海管的计算.