可压缩气固混合层中离散相与连续相的相互作用研究

尽管已有许多文献采用数值模拟方法研究两相流问题,但主要是集中不可压流动方面.本文采用Eul-er-Lagrange颗粒-轨道双向耦合模型对时间模式下含有固粒的二维可压缩混合层流动进行了研究.气相流场采用非定常全Navier-Stokes方程描述,并应用具有空间三阶精度的WNND(Weighted Non-Oscillatory, Contai-ning No Free Parameters and Dissipative)格式进行数值高散.固相方程采用二阶单边三点差分离散.在考虑流场对固粒作用的同时,也计及颗粒对流场的反作用.主要研究混合层大尺度涡对颗粒扩散特性的影响及颗粒对流场结构的影响问题.在对流马赫数为0.5时,研究不同Stokes数颗粒在连续流场中的扩散特性,而在对流马赫数为0.8时研究了不同Stokes数颗粒对流场小激波结构的影响.     

圆湍射流拟序结构研究进展

圆湍射流拟序结构的实验研究,经历了流场显示定性观测、热线、激光单点测量、数字图像等方法全流场定量测量以及当前三维演变机制的探讨。与此同时,静态激励和主动技术的拟序结构控制研究也获得了大量的成果。应用涡方法、直接数值模拟和大涡模拟等对圆湍射流拟序结构进行的数值模拟,在印证试验现象的同时,还进一步深入研究了拟序结构的输运特性、激发机制等相关内容。本文对上述进展进行了综述,以期为进一步开展湍射流的研究和应用提供依据。      

空间模式下可压缩气固两相混合层流动特性研究

采用Euler-Lagrange颗粒-轨道双向耦合模型对空间模式下含有固粒的二维可压缩混合层流场进行了研究。气相流场采用具有空间三阶精度的WNND格式进行数值模拟,固相方程采用单边三点差分离散。在考虑流场对固粒作用的同时,也计及了固粒对流场的反作用。在对流马赫数为0.5时,研究了颗粒相对密度、颗粒尺寸、Stokes数等因素对粒子运动和流场结构的影响。研究结果表明:在可压缩空间模式混合层中,固粒的Stokes数仍然是主要影响参数之一;相同Stokes数下不同密度的固粒对流场的干扰不同,轻固粒对流场的干扰明显要小。     

离散型湍流多相流动的研究进展和需求

离散型多相流动,指气体-颗粒(气-固)、液体-颗粒(液-固)、液体-气泡、气体-液雾以及气泡-液体-颗粒等两相或三相流动.这种类型的多相流动广泛存在于能源, 航天和航空, 化工和冶金,交通运输, 水利, 核能等领域.本文阐述了离散型多相流动的国内外基础研究,包括颗粒/液滴/气泡在流场中受流体动力作用力的研究, 颗粒-颗粒,液滴-液滴,气泡-气泡之间以及颗粒/液滴和壁面之间碰撞和聚集规律的研究,颗粒-气体和气泡-液体湍流相互作用的研究, 和数值模拟的研究,包括多相流动的雷诺平均模拟、大涡模拟和直接数值模拟的研究进展.最后, 归纳了目前尚待研究的需求.      

稀疏两相湍流的惯性颗粒倾向性弥散

气相采用大涡模拟、颗粒相采用拉格朗日轨道模型的方法对后台阶突扩流、充分发展槽道流和圆湍射流3种典型的稀疏气固两相流动进行了数值模拟,研究了颗粒倾向性弥散的特征和规律. 研究表明颗粒的跟随性和倾向性相联系,颗粒惯性和大涡结构同时决定颗粒的倾向性分布特征. Stokes数量级为1(气相时间参考尺度取为宏观特征时间尺度)左右的颗粒,倾向性分布特征最强烈. 颗粒倾向分布于低涡量(或是低脉动速度)的湍流区域.      

非线性强弱对轴对称射流拟序结构影响的研究

本文采用三维离散涡方法对轴对称不可压射流进行了数值模拟。由于Re数的大小体现出流场方程中非线性项的相对强弱,所以文中研究了不同Re数对射流中拟序结构的影响。文中提出并运用了一种有效的涡增加技术以提高涡方法的分辨率和精度,描绘了射流中展向涡的空间和时间发展,细致研究了涡的卷起、配对与合并现象。结果说明,在高Re数即非线性项相对较大的范围内,轴对称射流的发展主要受大尺度拟序结构的支配,而粘性则抑制大涡的产生与发展;Re数越大,非线性越强,同一时刻流场中大涡的数量越多,发展越充分。计算结果和实验一致,对实际射流的控制有重要意义。     

颗粒在大涡结构中的弥散

气相采用大涡模拟方法,颗粒相采用轨道模型研究了三维后台阶气粒两相湍流流动的大尺度涡结构的瞬时演变过程以及颗粒的瞬时弥散规律.比较了不同入流速度的颗粒在大涡结构中的瞬时弥散特性,尤其研究了高速释放大颗粒的弥散特性.三维流动中大尺度涡结构具有明显的脱离、发展、合并和破碎过程.小颗粒的分布受大涡结构的控制,其空间的弥散过程与流体 大涡结构的空间发展相一致,但是由于三维流动中大涡边缘和中心区的压力差,颗粒在大尺度 涡的边缘出现密集.而大颗粒在流场中的分布受其惯性控制,对气相的涡结构不敏感.高速释放到流场中的大颗粒受惯性影响最大,保持在其原有动量方向上运动.     

均匀来流中横向振动圆柱近迹涡结构的数值模拟

从涡量流函数形式的N-S方程出发,在不同的振动频率、振幅及Re数下数值研究了均匀来流中横向振动圆柱粘性统流的涡脱泻现象。着重探讨了近迹复杂的涡结构及其非定常演化过程,以及它们对物体受力特性的影响,并首次成功地模拟了近年来实验研究中所发现的一些重要的流动现象,如相位“开关”现象(phase switch phenomena)及复杂涡结构(complex vortex structure),等等。通过数值模拟,不仅能够再现实验研究中所发现的一些重要的流动现象,还可进一步预示某些新的流动现象,使数值计算起到与实验研究相辅相成的作用。     

时间发展平面混合流的三维演化

采用高精度差分方法和群速度控制方法，求解三维可压缩Ｎ Ｓ方程，直接数值模拟了时间发展的平面混合流．研究了平面混合流三维拟序结构的形成及发展．给出了流动失稳后涡的卷起，相邻两涡的对并，激波的形成及发展．指出，涡对并所诱导产生的激波对三维拟序结构的形成及发展过程是重要的．     

入口速度比对射流拟序结构的影响

为了深入了解湍流流动机理以及湍流拟序结构发现过程的影响因素，本文采用大涡模拟方法对不同入口射流伴流速度比的平面湍射流流动进行了数值模拟。采用分步投影法求解动量方程，亚格子项采用标准Smagorinsky亚格子模式模拟，压力泊松方程采用修正的循环消去法快速求解，空间方程采用二阶精度的差分格式，在时间方向上采用二阶精度的显式差分格式。模拟结果给出了平面射流中湍流拟序结构的瞬态发展演变过程，分析了入口速度比对射流拟序结构发展演化过程及宏观流场形态的影响。为进一步研究射流拟序结构及其在湍流流动中的作用提供了基础。     

翼型空泡周期性流动的数值模拟及机理分析

采用基于正压关系的均质平衡流空化模型和低雷诺数修正的k-ε湍流模式,自行开发了空泡流数值模拟方法和计算软件,对绕翼型空泡的周期性流动现象进行了数值模拟.计算结果与实验数据的对比表明,空泡的宏观特征、流动特性、周期性脱落的斯坦顿数St等与试验结果接近,验证了计算结果的可靠性.空泡在大约一个周期的2/3时间段内成长,并在大约1/3周期时刻发生断裂脱落.这两个特征时间与高速摄像实验结果一致.所取工况对应的组合参数σ/2α=2.865,以翼弦长计算可得St=0.217,与文献的最新试验结果吻合.空泡周期性运动过程中升阻系数也周期性振荡,时均值C<,1>=0.41,C<,d>=0.097,振荡频率与空泡脱落频率一致.对空泡运动过程中流场结构的变化进行了分析,结果表明在大攻角条件下,空泡闭合区后的逆压梯度导致涡的形成及回射流的发展,沿壁面逆向流动的混合介质射流是引起空泡断裂的原因,回射流发展、涡结构变化与空泡非稳态演化过程存在密切的联系,探讨了翼型空泡发生周期性脱落的一些机理.     

分离流动数值模拟的几个问题

介绍了分离流动现象.给出了三维定常粘性流动分离识别准则,研究了分离流动的性态.给出了应用于分离流动的六种模型及有关的控制方程.讨论了求解NS方程的数值方法和数值模拟的前景.特别研究了应用于分离流动的Eulcr方程的数值模拟问题.      

湍流横掠固定颗粒的全尺度直接数值模拟

气固两相流模拟中,当固相尺度接近或大于Kolmogorov尺度时,普通的点源模型将不再适用,固体相的体积效应和表面效应将对流体相产生显著的影响。通过采用直接数值模拟方法,结合内嵌边界方法对湍流中不同湍流强度流体横掠大于Kolmogorov尺度的固相颗粒进行了全尺度模拟,讨论分析了在两种湍流度下方形颗粒对湍流的调制影响以及颗粒的受力情况。     

预处理方法在全速度流场中的应用研究

应用预处理方法求解二维可压缩Navier-Stokes方程,发展出一套既适用于低速流动,也可用于可压缩流动的全速度流场解算方法.空间格式选用Ausm类格式,并采用多步Runge-Kutta时间推进方法.数值模拟了鼓包(Bump),RAE2822翼型,多段高升力翼型的不同速度绕流流场,并与实验数据进行了对比.结果表明预处...     

The effect of an acoustic field on a secondary convective flow in a layer

The effect of a traveling sonic wave on a convective flow in a horizontal layer with a fixed linear temperature distribution on the boundaries is investigated. Convective rolls with axes parallel to the basic flow (lengthwise rolls) are considered. On the basis of a weakly nonlinear analysis, it is shown that the lengthwise rolls appear smoothly and the regular flows are stable near the stability threshold. A direct numerical simulation is performed. Secondary near-critical flow regimes and regimes corresponding to finite supercriticalities are investigated.     

Assessment of Subgrid-Scale Models for Decaying Compressible MHD Turbulence

Large eddy simulation method is formulated for study of compressible magnetohydrodynamic turbulence and assessment of different subgrid-scale models as applied for decaying case is performed. The filtered equations of compressible magnetopause using the mass-weighted filtering operation are obtained. Mass-weighted filtered equations for large-scale turbulent component comprise subgrid-scale terms and five models for closure of the subgrid-scale terms are suggested. In present paper the obtained results of numerical computations for large eddy simulation are compared with the results of direct numerical simulation of three-dimensional compressible magnetohydrodynamic turbulence. Assessment of five subgrid-scale models of large eddy simulation for MHD flows is fulfilled. The comparisons between large eddy simulation and direct numerical simulation are carried out regarding the temporal evolution of the global quantities kinetic and magnetic energy, cross helicity and the spectra of kinetic and magnetic energy.     

Spectral-based simulations of particle-laden turbulent flows

In this paper, we discuss the application of spectral-based methods to simulation of particle-laden turbulent flows. The primary focus of the article is on the past and ongoing works by the authors. The particles are tracked in Lagrangian framework, while direct numerical simulation (DNS) or large-eddy simulation (LES) is used to describe the carrier-phase flow field. Two different spectral methods are considered, namely Fourier pseudo-spectral method and Chebyshev multidomain spectral method. The pseudo-spectral method is used for the simulation of homogeneous turbulence. DNS of both incompressible and compressible flows with one- and two-way couplings are reported. For LES of particle-laden flows, two new models, developed by the authors, account for the effect of sub-grid fluctuations on the dispersed phase. The Chebyshev multidomain method is employed for the works on inhomogeneous flows. A number of canonical flows are discussed, including flow past a square cylinder, channel flow and flow over backward-facing step. Ongoing research on particle-laden LES of inhomogeneous flows is briefly reported.     

Hybrid Unsteady RANS and PDF Method for Turbulent Non-Reactive and Reactive Flows

A hybrid unsteady Reynolds-averaged numerical simulation (U-RANS) and probability density function (PDF) method is developed for turbulent non-reactive and reactive flows. The resulting modeled equations are solved by a consistent hybrid finite volume and Lagrangian Monte-Carlo particle method. Both turbulent non-reactive and reactive flows in a rectangular channel containing a triangular-shaped bluff-body are simulated. One-step and two-step mechanisms for propane/air combustion are used for the reactive case. The time-averaged results are compared with both experimental data and numerical results from the literature using large eddy simulation (LES) and steady RANS. The results of the present method are in good agreement with the experimental data, and they improve the numerical results available in the literature.     

Numerical simulation of laminar jet-forced flow using lattice Boltzmann method

In the paper, a numerical study on symmetrical and asymmetrical laminar jet-forced flows is carried out by using a lattice Boltzmann method （LBM） with a special boundary treatment. The simulation results are in very good agreement with the available numerical prediction. It is shown that the LBM is a competitive method for the laminar jet-forced flow in terms of computational efficiency and stability.