无壁面参数低雷诺数非线性涡黏性模式研究

建立了一个低雷诺数的非线性涡黏性湍流模式,该模式的一个显著特性是它不包含壁面参数（如y^ ,n等）,因而特别适用于复杂几何流场的计算,本模式在几种包括回流、分离、激波等典型流动中进行了验证,结果令人满意。     

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．     

对二维分离流涡黏性系数非线性分布的新认识

以弱非线性涡黏性模型为出发点,对Delery分离流动实验结果进行分析并获得了非平衡态分离区涡黏性系数与形状因子J之间的非线性关系. 该非线性关系显示在分离起始阶段,涡黏性系数较平衡态先减小,后增大;再附阶段,涡黏性系数较平衡态数值逐渐增大,并在再附点位置接近最大,而后又逐渐减小,恢复到平衡态水平. 总结涡黏性系数的这种非线性发展数学关系式,并将它应用于BL模型,在不添加微分方程的情况下发展出一种适用于分离流动的改进代数湍流模型. 对低速平板流动,跨声速,超声速以及高超声速分离流动的计算结果表明,该改进湍流模型可以较准确地模拟各类复杂分离流动,计算精度明显优于传统代数模型以及一些两方程模型,而计算工作量仍与BL模型相当. 这表明所提出的涡黏性系数非线性发展规律是正确的,且应用在二维分离流动中具有一定的普适性.      

壁湍流多尺度相干结构复涡黏模型的实验研究

在湍流相干结构动力学方程中,非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力的模型为涡黏性模型,即涡黏性系数乘以相干结构平均速度变形率的形式.基于非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构速度变形率之间存在相位差的事实,在理论上提出了非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力复涡黏性模型的假设.应用热线测速技术,在低速风洞中对湍流边界层非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构法向速度变形率之间的相位关系进行了实验测量.通过分析湍流相干结构猝发过程中非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构速度变形率之间的相位关系,研究了相干结构雷诺应力分量与流向速度法向梯度之间的相位差沿湍流边界层法向的变化规律,肯定了湍流相干结构复涡黏性系数模型的合理性.     

用代数应力模型模化型腔充填过程中的紊流流动

针对型腔充填过程中的紊流流动，用代数应力模型研究紊流流动现象．成功地将代数应力模型引入ＰＨＯＥＮＩＣＳ软件中，完成了恒温流体充填过程三维时均速度和自由表面的计算模拟．与实验结果相比说明，本文基于ＰＨＯＥＮＩＣＳ软件开发的充填模拟具备了对复杂型腔充填过程的数值计算．     

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.      

含有周期涡结构的湍流雷诺应力与平均速度梯度之间的迟滞效应

针对存在时空周期涡旋结构的湍流场,对湍流雷诺应力与平均速度梯度之间的空间迟滞效应进行了实验研究,发现二者流向相位差呈周期变化．在低速回流式水槽中,利用二维高时间分辨率粒子图像测速(TimeResolved Particle Image Velocimetry, TRPIV)技术,对Re=324的圆柱尾流流场进行测量．经过49个周期166个相位的8 215个PIV瞬时流场,经过周期相位平均,得到一个周期内不同相位典型的湍流雷诺应力和平均速度梯度的空间分布．利用湍流雷诺应力相位平均图像和平均速度梯度图像在不同时间相位下的空间互相关函数最大值对应的流向空间距离,得到湍流雷诺应力与平均速度梯度之间沿流向的空间相位差,并绘制流向相位差随周期相位的演变过程．本文验证了湍流复涡黏模型的合理性,为建立符合周期涡旋结构物理机理的湍流模型研究提供了实验依据．     

湍流边界层复涡黏模式的实验研究

在开口式循环水槽底部湍流边界层外区引入周期性扰动。利用X型热膜探针在扰动下游进行测量。用实验的方法研究了周期性大尺度结构下壁湍流涡黏模式中涡黏系数的形式，结果发现和周期性扰动对应的变形率及与之对应的雷诺应力间存在着相位差。这是目前许多最终导致涡黏系数的湍流模式理论都没有考虑到的一个重要因素。     

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。     

AN ALGEBRAIC STRESS FINITE ELEMENT MODEL OF TURBULENT FLOW

This paper describes a finite element numerical model for the simulation of both steady and truly transient turbulent flow in two dimensions. All elements of the model and computational approach were chosen, however, for ease of applicability in the future to fully three-dimensional flows. The turbulent mean flow is described by the Reynolds- averaged Navier–Stokes equations. The well-known two-equation K–ε model is the base for the representation of turbulence quantities. From three candidate algebraic stress models, Rodi's model was chosen for implementation after preliminary tests on turbulent channel flow. The scheme was then tested at length on flow past a backward-facing step and flow past a box. Comparisons were made with the computed and experimental results of other investigators. For the backward-facing step problem the model appears to equal or improve upon the accuracy of prediction s of earlier finite element codes. The frequency of vortex shedding from the corners of the box in terms of the Strouhal number is predicted well. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

CALCULATION OF WALL-BOUNDED COMPLEX FLOWS AND FREE SHEAR FLOWS

Various wall-bounded flows with complex geometries and free shear flows have been studied with a newly developed realizable Reynolds stress algebraic equation model. The model development is based on the invariant theory in continuum mechanics. This theory enables us to formulate a general constitutive relation for the Reynolds stresses. Pope (J. Fluid Mech., 72 , 331–340 (1975)) was the first to introduce this kind of constitutive relation to turbulence modelling. In our study, realizability is imposed on the truncated constitutive relation to determine the coefficients so that, unlike the standard k–ϵ eddy viscosity model, the present model will not produce negative normal stresses in any situations of rapid distortion. The calculations based on the present model have shown encouraging success in modelling complex turbulent flows.     

大涡模拟研究展向旋转槽道湍流流动

本文用大涡模拟预测了以不同转速做展向旋转的槽道湍流流动,统计平均的流向速度型在壁面附近与已有实验数据符合很好,在通道中部的预测差异也能给出合理解释,对比不同转速的计算结果,表明展向旋转通道的湍流应力和壁面摩擦力在压力面附近提高、在吸力面附近降低,这些高阶湍流统计量的变化规律可以结合湍流应力输运方程加以解释,漩涡识别技术显示了近壁条带结构,其形态和猝发率受旋转附加力的影响发生改变,进而影响壁面摩擦速度的数值和分布,进一步考察垂直流动方向的截面内速度分布,发现旋转引起了垂直壁面方向的流动,形成正负相间排列的流向涡对,并随着转速的增加向压力面靠近。      

弹性-触变性流体的定态剪切粘度与瞬态应力响应

用四种不同级数的动力学方程以表示分散物系内结构单元的聚集与解聚速率,并导出相应的定态和瞬态结构参数式。设弹性模量 G 与结构参数的关系具有与粘度函数相同的形式,求解 Maxwell 方程获得瞬态应力响应。 两种乳浊液的实验证明本文提出的流变模型可以表征弹性-触变性流体的流变性。用n=m=2 的模型可对这些乳浊液作出最佳模拟。     

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．     

Projection 2 Goes Turbulent - and Fully Implicit

We describe and demonstrate both our newest projection method (fully implicit) for the incompressible Navier-Stokes equations via the finite element method and our newest turbulence model - a somewhat sophisticated nonlinear (cubic) eddy viscosity model that does not employ wall functions or normal distances to walls - the combination providing a method and a model that is each applicable in arbitrary geometry. We demonstrate both via a flow simulation past an automobile-like body at a Reynolds number of 4.3 million.