两相湍流色噪声扩维法PDF模型及数值模拟

由颗粒运动的朗之万方程出发,对流体脉动速度采用扩维方法,得到两个不同层次的PDF输运方程.通过对颗粒运动方程求解和高斯分布假设,解决PDF方程的封闭问题,获得颗粒二阶矩模型,然后将颗粒应力方程简化成代数方程,建立代数应力模型.将对流扩散方程的有限分析法运用到求解两相流模型中,对壁面两相射流进行数值模拟,对比分析数值结果与实验结果.     

基于拉氏概率密度的两相湍流二阶矩模型

用颗粒运动的拉氏分析和PDF方法,改进了颗粒相的二阶矩模型。由拉氏两相运动的随机微分方程出发,采用随机过程分析和信号分析法得到湍流两相流动的PDF输运方程,双流体模型方程和两相脉动速度相关的基本模式的封闭式,和用其它方法导出的方程与封闭式的结果一致,对封闭式作了重要的改进,在分析颗粒轨道上的流体湍流作用时间时,全面地引入拉氏分析的轨道穿越效应、惯性效应、连续效应和湍流的各向异性。     

惯性颗粒所见被动标量统计特性的DNS与模型研究

本文采用DNS方法,对惯性颗粒所见各向同性湍流中具有平均标量梯度的被动标量场统计特性进行了研究。结果表明：惯性对颗粒温度脉动强度,两相温度关联,自相关特性以及颗粒热流与两相交叉热流的统计特性具有明显的影响。在PDF方法的框架下,系统地推导了非等温气固两相流的PDF方程,且基于朗之万随机体系对方程进行了封闭,并利用前面的...     

循环流化床颗粒相湍流结构研究

从不同层次上研究了循环流化床颗粒相的湍流结构。ＰＤＡ测量发现颗粒在壁面附近的运动表现出显著的成团特征和湍流度显著降低,小波分析法得到的直观图形象地揭示了颗粒速度脉动的自相似、分叉等具有混沌特征的微观结构,且在不同的尺度上颗粒速度脉动表现出各向异性的特征。     

氢气扩散火焰中辐射源项湍流脉动特征的PDF模拟

采用κ-ε湍流模型、标量联合的概率密度函数(PDF)输运方程和层流火焰面模型相结合,模拟氢气自由扩散火焰中辐射源项湍流脉动特征.给出了主燃区内辐射源项湍流脉动的频率图.辐射源项的样本点分布集中,大约95%以上的样本落在其系综的±3倍方差以内,频谱图为单峰.     

下降管中稠密两相湍流的数值模拟

本文将统一二阶矩两相湍流模型和颗粒动力学理论结合,推导并封闭了稠密两相流考虑颗粒间碰撞的统一二阶矩两相湍流模型。该模型用颗粒动力学理论模拟颗粒之间的碰撞,用各向异性的统一二阶矩模型考虑气相和颗粒相的湍流脉动,并用输运方程描述气固两相湍流之间的相互作用。最后用该模型对下降管中的气粒两相流动进行了模拟,模拟所得的沿径向颗粒浓度分布和速度分布与实验吻合较好,预报结果也反应出了颗粒雷诺应力的各向异性。     

旋流泵无叶腔内盐析颗粒湍流脉动特性研究

盐析晶体颗粒脉动特性是研究湍流输运状态下盐析过程的重要问题之一.为探索泵内盐析晶体颗粒湍流脉动规律及其对液相流场的影响,采用相位多普勒粒子速度场仪对旋流式输送泵无叶腔内的盐析湍流流场进行了测量,通过对改变泵运行工况、运行介质温度后颗粒脉动速度分布情况的分析,初步掌握了无叶腔中盐析晶体颗粒的湍流脉动特性;同时,讨论了晶体颗粒存在对液相湍流结构的影响。实验结果表明,随着流量的增加,颗粒的周向、径向及轴向脉动速度相应提高;盐析颗粒脉动速度值随温度发生变化,较高温度时速度脉动也较大;在一定条件下,盐析晶体颗粒表现出抑制湍流的行为。     

U-RANS／PDF方法计算钝体后漩涡脱落

本研究发展了U-RANS/PDF混合算法研究湍流和化学反应相互作用对燃烧稳定性的影响,采用有限体积和Monte Carlo相结合的方法在非结构网格中求解相容的U-RANS方程和脉动速度-湍流频率-标量的联合PDF方程.本文对钝体火焰驻定器后冷态流场进行了计算,结果表明此混合算法能够捕捉流场中非稳态的漩涡脱落现象.着重研究了湍流频率模型系数的改变对漩涡脱落频率以及拟序结构在动量输运中的作用的影响.     

旋流燃烧室内颗粒运动的数值模拟

本文应用流体相湍流脉动速度大小和方向均具有随机性的颗粒相随机轨道模型,对有直流一次风和旋流二次风的旋流燃烧室内的颗粒运动进行了数值模拟。得到的颗粒相轴向总质量流通量、轴向与切向速度分布与实验测量数据相符合,并比 Gosman 颗粒随机轨道模型的模拟结果有一定的改进。     

惯性颗粒所见被动标量统计特性的直接数值模拟研究

本文采用直接数值模拟方法,对惯性颗粒所见均匀各向同性湍流中具有平均标量梯度的被动标量场统计特性进行了研究。模拟结果表明:与颗粒所见流体速度的自相关特性不同,颗粒所见标量的自相关特性随颗粒惯性的增加而单调减少;颗粒所见标量脉动能随颗粒惯性的增加先减少再增大,在St≈1.0的临界颗粒附近达到最小值,而颗粒所见标量耗散率随颗粒惯性的变化行为与颗粒所见标量脉动能的变化行为相反;数值模拟的结果进一步揭示,在St≈1.0时颗粒所见流体标量脉动能和耗散率的极值是因为St≈1.0的临界颗粒聚集于低涡量、高应变区域和标量场在高应变区域形成强耗散的片状结构所致。     

两相壁面射流PDF方程有限分析方法及数值模拟

提出求解位置-速度相空间中高维两相流PDF(probability density function)方程的有限分析方法,将位置-速度相空间颗粒PDF方程约化到速度空间,并解析求解,颗粒的位置PDF用轨道方法求解.对壁面射流两相流动进行数值模拟,并与颗粒雷诺应力轨道方法进行比较计算,结果优于颗粒雷诺应力轨道方法.     

Time-averaging strategies in the finite-volume/particle hybrid algorithm for the joint PDF equation of turbulent reactive flows

The influence of time-averaging on bias is investigated in the finite-volume/particle hybrid algorithm for the joint PDF equation for statistically-stationary turbulent reactive flows. It is found that the time-averaging of the mean fluctuating velocity (TAu) leads to the same variances of the fluctuating velocity before and after the velocity correction, whereas without TAu the estimates are different, and an additional numerical dissipation rate is introduced for the turbulent kinetic energy (TKE). When 100 particles per cell are used without TAu, a large bias error is found to be involved in the unconditional statistics of the statistically-stationary solutions of two tested turbulent flames, the Cabra H₂/N₂ lifted flame and the Sandia piloted flame E. The use of TAu reduces this bias dramatically for the same number of particles per cell. The conditional statistics in these flames, however, are hardly affected by TAu. To a large extent, the effect of the bias error on the unconditional statistics is similar to the effect of increasing the model constant C _{ω 1} in the stochastic turbulence frequency model.     

研究两相流中固粒对流体湍动特性影响的新方法

本文提出了计算两相流中固粒对流体湍动特性影响的一种新方法，得到不同情况下固粒对流体端动特性的影响。将该方法用于槽流湍流场的求解，说明该方法是可行的。     

用视密度加权平均二阶矩模型模拟旋流两相流动

本文用视密度加权平均代替时平均,建立了视密度加权平均的统一二阶矩两相湍流模型方程组（ＭＵＳＭ）,其中用体积分数代替了数密度,用颗粒驰豫时间作为封闭两相脉动速度关联方程耗散项的时间尺度,并引入了颗粒视在的气体速度脉动的输运方程。用ＭＵＳＭ模型模拟了旋流数为０．４７的气粒两相流动。并和实验结果及时间平均的ＵＳＭ模型的模拟结果进行了对照,两种模型均能较好地预报的两相的轴向和切向速度,轴向和切向脉动速度。此外,ＭＵＳＭ模型可以减少所用方程数,节省计算量。因此视密度加权平均的统一二阶矩两相湍流模型是一种对时间平均的统一二阶矩模型的改进,今后可以进一步扩大应用。     

钝体后湍流预混燃烧的PDF模拟

本文采用PDF方法对矩形燃烧室内钝体后的湍流预混火焰进行了数值模拟。脉动速度-频率-标量联合的PDF输运方程用Monte Carlo方法求解,质量、动量和能量的平均值由基于无结构网格的有限体积法求解,压力通过状态方程获得。PDF方程中所需的平均密度、平均速度和压力由有限体积法提供,并将用Monte Carlo方法求出的雷诺应力、化学反应源项和比热比传递给有限体积法。本文对丙烷和空气燃烧的不同简化化学反应机理进行了研究,并与实验结果进行比较,获得满意的结果。     

Rotation effect on near-wall turbulence statistics and flow structures

Turbulent flow in an axially rotating pipe, involving complicated physical mecha- nism of turbulence, is a typical problem for the study of rotating turbulent flow. The pipe rotation induces two effects on the flow. One is the stabilizing effect due to the centrifu- gal and Coriolis forces, which accounts for the relaminarization of the turbulence[1—3] and the reduction of the friction coefficient at the pipe wall. The behavior is also related to the wall streaks inclining to the azimuthal di…     

Coupling of mixing models with manifold based simplified chemistry in PDF modeling of turbulent reacting flows

For general reacting flows the numerical simulation faces two main challenges. One is the high dimensionality and stiffness of the governing conservation equations due to detailed chemistry, which can be solved by using simplified chemical kinetics. The other one is the difficulty of modeling the coupling of turbulence with thermo-chemical source term. The probability density function (PDF) method allows to calculate turbulent reacting flows by solving the thermal-chemical source term in closed form. Usually, the PDF method for turbulent processes such as mixing processes and the reduction method for chemical kinetics are developed separately. However, coupling of both processes plays an important role for the numerical accuracy. To investigate the importance of coupling between turbulence and simplified chemistry, two different coupling strategies for mixing and reduced chemistry are discussed and tested for the well-known Sandia Flames E and F, in which there is a strong interaction between turbulence and chemical kinetics. The EMST mixing model is chosen for turbulent mixing, while the Reaction-Diffusion Manifolds (REDIMs) is used as simplified chemistry. However, the proposed strategies are also valid for other mixing models and manifold based simplified chemistry.