几种k-ε模式在细长体分离流计算中的应用

分别利用Launder—Spalding k-ε模式、Shih k-ε模式和重整群(Renorma—lizationGroup)k-ε模式模拟了细长旋成体在超音速中等大攻角下的背风面分离流，从背风面分离涡的强度和位置、物面压力分布、集中力和力矩以及湍流粘性比等方面比较了三种模式的计算结果，并与已有的试验结果进行了对比。结果证实，三种k-ε模式均能很好地模拟背风面分离流，其中又以重整群k-ε模式的结果与试验结果最为接近。     

k-ω SST湍流模式三维激波分离流动修正

“激波?边界层分离”是航空气动领域的典型湍流非平衡流动问题, 准确模拟激波分离对于跨声速飞行器气动性能评估和优化设计具有重要意义. 然而传统涡黏性湍流模式中涡黏性系数的定义方式并不适用于非平衡流动, k-ω SST湍流模式为此引入的Bradshaw假设在应用于三维强逆压梯度和较大分离流动时反而限制了雷诺应力的生成, 导致包括k-ω SST在内的常用涡黏性湍流模式均无法对此类流动进行准确模拟. 同时, 现有的非线性雷诺应力本构关系也并不能有效提高模拟精度. 为此, 针对k-ω SST模式分别提出了基于Bradshaw假设和基于长度尺度的两种激波分离流动修正方法. 前者通过提高Bradshaw常数的方式放宽了对雷诺应力生成的限制, 后者则从湍流长度尺度概念出发, 利用混合长度理论、湍动能生成/耗散之比和一种新定义的长度尺度之比构造了ω方程耗散项修正函数, 提高了模式在三维激波分离流动中的建模长度尺度. 两种方法对ONERA M6机翼跨声速大攻角流动均能得到较雷诺应力模式更好的模拟结果. 进一步的雷诺应力分析表明, 三维激波分离流动中“主雷诺应力分量”的概念不再成立, 各雷诺应力分量大小接近. 网格收敛性分析、对其他攻角状态的验证以及湍流平板边界层壁面律验证进一步确认了所提出的两种修正方法的合理性、有效性和通用性.      

求解复杂湍流的非线性涡黏性系数模型和代数应力模型

非线性涡黏性系数模型和代数应力模型联系了线性涡黏性系数湍流模型和完整的微分 雷诺应力模型.随着它们受到日益关注,其形式也越来越多样化.本篇综述的目的是对这些模 型加以总结并比较它们之间的共同点及不同之处,指出它们与完整微分雷诺应力模型之间的 关系,以及相对于线性涡黏性系数模型而言它们在预报流场上所具有的优势.     

液-液旋流分离管中强旋湍流的k-ε数值模拟

采用标准k-ε湍流模型,对一种典型液-液旋流分离管中的强旋湍流进行了数值模拟研究.结果表明:该模型对切向速度的数值预报夸大了Rankine涡中的似固核范围,抹煞了似固核外的位涡区;对轴向速度的数值预报未给出中心回流区;对其它流场参数的预报结果也都存在有明显的不合理之处.由此证明这种基于Boussinesq假设的各向同性湍流模型,虽然在管道流、平面射流和无旋流等简单流动问题中经受住了大量计算实践的检验,但在强旋湍流的数值预报方面的确存在有较大缺陷.此问题的解决有赖于对该模型进行必要的修正或转而采用更加高级的各向异性模型.     

连续圆孔障碍物对油气泄压爆炸火焰特性影响大涡模拟

采用WALE模型和Zimont预混火焰模型对内置圆孔障碍物油气泄压爆炸火焰特性进行了大涡模拟,并将大涡模拟计算结果和RNG k-ε湍流模型计算结果以及实验结果进行对比分析,验证了大涡模拟的精确性。结果表明:（1）大涡模拟在预测油气爆炸超压、火焰传播速度以及火焰形态变化等方面比RNG k-ε湍流模型精确度更高,且能表现出更多流场的精细化结构;（2）障碍物诱导管道内形成湍流度较高的流场区域,导致火焰产生褶皱弯曲变形,增大火焰面积,加速火焰传播;（3）爆炸超压、火焰传播速度和火焰面积内在联系密切,具有显著的耦合性,且随时间的变化趋势存在高度的一致性。     

湍流模型对空泡形态影响的数值研究

为研究湍流模型对空泡尾部气体泄漏方式和空泡外形的影响,基于 FLUENT6.2的 VOF 多相流模型,对考虑重力作用下的三维通气空泡流进行了数值计算,比较了大涡模拟 LES 和 RNG k-ε两种湍流模型下的空泡形态和模型表面压力系数分布。结果显示,RNG k-ε模型计算的空泡内压力较大,空泡长度更长,而 LES 的瞬态计算结果更符合通气空泡的特性,相对而言更适用于通气空泡流的模拟。     

大涡模拟的壁模型及其应用

大涡模拟是研究湍流的非定常特性的重要方法. 但解析壁面层的大涡模拟所需的计算量与直接数值模拟相当,是大涡模拟在高雷诺数壁湍流数值模拟中所面临的主要困难. 解析壁面层所需的网格尺度与壁面黏性长度同量级,是引起壁湍流大涡模拟计算量增加的主要原因. 壁模型通过模化近壁流动避免了完全解析壁面层,可以显著地降低壁湍流大涡模拟的计算量,是克服上述困难的有效方法. 本文介绍了大涡模拟壁模型的主要类型;详细讨论了常用的壁面应力模型,特别是平衡层模型和双层模型的构建思路和特点;基于近壁流动的特征讨论了应力边界条件的必要性和适用性;指出了壁面应力模型的局限性以及考虑非平衡效应修正的各种方法;讨论了壁面应力模型的研究历史、最新进展和发展趋势,给出了常用的壁面应力模型的分支与发展关系图;并基于Werner-Wengle模型实现了周期山状流的大涡模拟.      

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。     

大涡模拟的壁模型及其应用

大涡模拟是研究湍流的非定常特性的重要方法.但解析壁面层的大涡模拟所需的计算量与直接数值模拟相当,是大涡模拟在高雷诺数壁湍流数值模拟中所面临的主要困难.解析壁面层所需的网格尺度与壁面黏性长度同量级,是引起壁湍流大涡模拟计算量增加的主要原因.壁模型通过模化近壁流动避免了完全解析壁面层,可以显著地降低壁湍流大涡模拟的计算量,是克服上述困难的有效方法.本文介绍了大涡模拟壁模型的主要类型;详细讨论了常用的壁面应力模型,特别是平衡层模型和双层模型的构建思路和特点;基于近壁流动的特征讨论了应力边界条件的必要性和适用性;指出了壁面应力模型的局限性以及考虑非平衡效应修正的各种方法;讨论了壁面应力模型的研究历史、最新进展和发展趋势,给出了常用的壁面应力模型的分支与发展关系图;并基于Werner-Wengle模型实现了周期山状流的大涡模拟.     

用可实现k-ε模式对细长体大攻角分离流场的数值模拟

利用一种符合可实现性条件的k-ε两方程模式,通过求解可压缩性Navier-Stokes方程,数值模拟了细长旋成体在M=2.5和0.7、中等大攻角下的湍流绕流流场。定性分析了背风面分离涡的发展过程和湍流粘性比等流动特征,对背风面主涡强度和涡核位置、物面压力分布、集中力和力矩与已有的试验结果进行了细致的定量对比,证实了数值模拟的有效性。     

应用于激波/边界层相互作用的非线性湍流模式

选择8个近年来有代表性的非线性湍流模式，研究2个跨声速激波／边界层相互作用问题．采用的非线性湍流模式包括4个二阶模式和4个三阶模式．2个跨声速激波／边界层相互作用的流动是轴对称圆弧突起绕流和二维管道突起流动．通过数值计算结果和实验结果的比较，对有关的非线性湍流模式进行评估和分析．计算结果表明，非线性模式的模化系数与平均流动应变不变量以及涡量不变量有关，反映了湍流的各向异性，比线性模式优越得多．     

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.     

激励小尺度模式在湍流圆管射流中的应用

采用非涡黏性的激励小尺度（Stimulated Small Scale)模式对空间发展的轴对称湍流圆管射流进行了大涡模拟。以雷诺数为10000的流动为例,考证了激励小尺度模式在自由剪切流模拟中的可行性,描述了湍流强度、雷诺应力和湍流耗散量的变化,同时与标准的Smagorinsky涡黏性模式的计算结果进行了比较。数值结果显示,激励小尺度模式能够更为合理地描述湍流的耗散特性和能量传输特性,从而较为准确地展示出空间发展射流中由于流动不稳定而出现的旋涡产生、发展、破碎及合并等过程。     

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.     

浅水渠道突扩湍浮力回流数学模拟

本文用有浮力源项修正的k-ε模型及有应力代数式的扩展的k-ε模型,针对浅水渠道水平热水出流问题的突扩湍浮力回流特点,写出其数学模拟表达式,并利用修正的k-ε模型进行了计算,得到了与实验数据大致相符合的结果,同时也表明有尚待改进之处。     

液—液旋流分离管中强旋湍流的K—ε …

采用标准ｋ－ε湍流模型,对一种典型液－液旋流分离管中的强旋湍流进行了数值模拟研究。结果表明：该模型对切向速度的数值预报夸大了Ｒａｎｋｉｎｅ涡中的似固核范围。抹煞了似固核外的位涡区;对轴向速度的数值预报未给出心回流区;对其它流场参数的预报结果也都存在有明显的不合理之处。由此证明这种基于Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设的各向同性湍流模型,虽然在管道流、平面射流和无旋流等简单流动问题中经受住了大量计算实践的检验     

湍流涡致振动频率特性

用数值模拟方法对固定圆柱湍流涡脱落频率与弹性圆柱湍流涡致振动频率特性进行了研究,湍流计算模型采用标准κ-ε模型,压力泊松方程提法基于非交错网格系统.研究结果表明:固定圆柱湍流绕流涡脱落频率基本不随雷诺数而变,对于同一固有频率弹性圆柱,涡振频率基本不随雷诺数而变;对于某一固定雷诺数流动涡振频率在一定范围内与系统固有频率有关.     

雷诺应力各向异性涡黏模型的层析TRPIV测量

利用层析TRPIV测量水洞中平板湍流边界层3D-3C速度场的高分辨率时间序列数据库. 提出了空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念, 描述湍流多尺度涡结构的空间拉伸、压缩、剪切变形和旋转. 用空间局部平均多尺度速度结构函数对湍流脉动速度进行了空间多尺度分解. 用空间流向局部平均多尺度速度结构函数, 根据湍流多尺度涡结构在流向的拉伸和压缩物理特征, 提出了新的湍流相干结构条件采样方法, 检测并提取了层析TRPIV数据中相干结构“喷射”和“扫掠”事件中的脉动速度、平均速度变形率、雷诺应力等物理量的空间拓扑形态. 通过研究平均速度变形率各分量与雷诺应力各分量之间的空间相位差异,肯定了壁湍流相干结构雷诺应力各向异性复涡黏模型的合理性.      

各向同性湍流通过正激波的演化特征研究

激波与湍流相互作用(shock-turbulence interaction,STI)是空气动力学研究中的一个基础问题.基于格心有限差分法(cell-centered finite difference method,CCFDM)求解器Helios,采用五阶加权紧致非线性格式(weighted compact nonlinear scheme,WCNS)对各向同性湍流通过正激波的情形进行直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS).对湍流相关物理量进行统计,分析结果表明,在湍流中波后的密度、温度和压力较无湍流情形下略小,而速度则略大,均在波后呈现短暂过冲然后缓慢向理论值逼近的变化趋势;波后流向雷诺应力突降随之快速增长又衰减,呈现非单调变化趋势,线性相互作用分析(linear interaction analysis,LIA)将其归结为波后能量从声模式转移为涡模式方式,与流向不同,横向雷诺应力突增后单调衰减,波后雷诺应力各向异性明显且随下游距离逐渐增强;波后湍动能突增后呈现非单调变化趋势;泰勒微尺度和Kolmogorov尺度过激波后均明显减小,说明波后湍流长度尺度变小,从而对波后网格的分辨率提出了更高的要求;密度、温度和压力过激波后脉动均方根均增加,密度和压力脉动强度减小,温度脉动强度增大.      

TRPIV MEASUREMENT OF DRAG-REDUCTION IN THE TURBULENT BOUNDARY LAYER OVER RIBLETS PLATE

采用高时间分辨率粒子图像测速技术对沟槽壁面平板湍流边界层速度矢量场的时间序列及其统计量进行了实验测量,讨论了在同一来流速度下沟槽壁面对平均速度剖面﹑雷诺切应力及湍流强度的影响. 用流向速度分量的多尺度空间局部平均结构函数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠事件的脉动速度、展向涡量的二维空间拓扑形态. 结果表明,与同材料光滑壁面对比,沟槽壁面实现了10.73%的摩阻减小量;沟槽壁面湍流边界层湍流强度及雷诺切应力皆比光滑平板湍流边界层对应统计量小,说明沟槽壁面有效降低了湍流边界层内流体的脉动. 通过比较壁湍流相干结构猝发事件各脉动速度分量与展向涡量的空间分布特征,肯定了沟槽壁面的减阻效果,发现沟槽壁面通过抑制相干结构猝发事件实现减阻.