湍流Prandtl数

依据J.O.Hinze的理论,研究湍流Prandtl数随分子Prandtl数和流动条件参数变化的规律,并解释有关实验结果。     

分层剪切湍流大涡模拟的一种动力学亚格子尺度模型

基于Yoshizawa涡粘性模型提出了一种适用于热分层剪切湍流大涡模拟的动力学亚格子尺度 (SGS)模型 ,包括SGS湍流应力和湍流热通量模型 ,计算验证了该模型的正确性 .进一步采用大涡模拟方法和该动力学SGS模型研究了稳定分层和不稳定分层槽道湍流的湍流特性 ,以及湍流主要变量关联量的变化规律 .同时 ,根据计算结果 ,预测了热分层槽道湍流的临界Richardson数 ,与理论分析结果基本相符 .     

稳定分层流动中湍流统计特性和输运特性的数值研究

采用大涡模拟方法研究了上下两层温度不同的稳定分层湍流,主要对其中的湍流尺度特性、统计特性和湍流输运特性,以及标量场的时空演化进行了分析研究.研究结果表明:浮力尺度沿流动方向先增加然后趋于某个稳定值,剪切越强,浮力尺度越大;翻转尺度沿流向也是逐渐增大,剪切越强,翻转尺度越大;统计特性的分析发现,在较大的区域内温度脉动的平坦因子都偏离Gauss分布,强分层条件下温度脉动的统计特性与速度脉动的统计特性有较明显差别;湍流混合的过程开始于小尺度运动,最后扩展到大尺度运动.     

可压混合层流动转捩到湍流的直接数值模拟

采用五阶精度迎风紧致格式和六阶对称紧致格式 ,结合三阶R-K方法求解可压缩三维Navier Stokes方程 ,直接数值模拟了时间发展平面混合层流 .给出了对流Mach数Mc =0 .8,Reynolds数Re=2 0 0时流动从初始扰动为一对相等且相反的斜波开始 ,经过失稳发展形成∧涡、马蹄涡和蘑菇云等拟序结构 ,然后破碎为小尺度、再破碎为更小尺度的涡结构 ,形成以小尺度运动为主导的流动 ,最终达到湍流     

一种改进的分层剪切湍流亚格子尺度模型及其应用

提出了一种新型的分层剪切湍流应力和湍流热通量的动力学亚格子尺度(SGS)模型,并就热分层槽道湍流问题,计算验证了该模型的正确性.采用大涡模拟方法和该动力学亚格子尺度模型,数值研究了在浮力和剪切双重作用下的稳定分层和不稳定分层槽道热剪切湍流,探讨了某些湍流特性随Richardson数的变化规律,并分析了相关的流动物理机制.     

用大涡模拟检验湍流模型

用大涡模拟方法对直方管内充分发展湍流运动的数值模拟，所建立的数据库可以用来检验湍流模型，本文中数据库被用来检验Ｄｅｍｕｒｅｎ和Ｒｏｄｉ文中所讨论的代数模型，并进行了讨论。     

底部加热肥皂泡上准二维湍流的数值模拟北大核心CSCD

底部加热的肥皂泡是一种全新的二维热对流模型,在实验中已发现肥皂泡上的岛涡运动规律与飓风轨迹规律一致.然而,肥皂泡的曲面特征对其准二维流场的数值模拟以及数据分析造成了较多困难.针对肥皂泡球面几何特征,该文介绍了其直接数值模拟(DNS)方法,及其流场空间波数谱、湍流通量和结构函数的计算分析方法.开展了Ra=3×10^(7),3×10^(9),3×10^(11)的数值计算,并获得了相应的波数谱、通量和湍流结构函数.计算结果表明,肥皂泡上速度的小尺度脉动特征满足Bo59的理论标度律,通过湍动能与拟涡能通量特征,发现在该准二维湍流场中存在湍流能量双级串现象.且随着Rayleigh数的增加,大尺度结构湍能量减小,更小尺度湍流结构能量增加.     

反映强流动曲率效应的非线性湍流模型

首先定性地分析了流线曲率效应对流场湍流结构的影响,然后以U型槽道流为典型算例,对多种湍流模型进行了评估．评估的模型包括:线性涡粘性模型,二阶和三阶非线性涡粘性模型,二阶显式代数应力模型和Reynolds应力模型．评估结果表明,性能良好的三阶非线性涡粘性模型,如黄于宁等人发展的HM模型以及CLS模型,可以较好地描述流线的曲率效应对湍流结构的影响,如凸曲率作用下内壁附近湍流强度的衰减和凹曲率作用下外壁附近湍流的增强,并且较好地确定了管道下游的分离点位置和分离泡长度,其预测的结果和实验符合较好,与Reynolds力模型的结果十分接近,因此可以较好地应用于具有曲率效应的工程湍流的计算．     

大涡模拟的代数模型及其应用

大涡模拟是近十多年来发展起来的湍流研究的重要手段。本文介绍了大涡模拟的基本思想,提出了大涡模拟的代数模型,并详细地讨论了模型的建立。并将它应用于平直槽道和弯曲槽道中湍流的数值模拟,计算的初步结果表明本模型是可行的,并有望在进一步改善后可用于较复杂湍流的数值模拟。     

粘性底层内横向速度强脉冲现象的机制探索 *

通过对直接数值模拟的槽道湍流数据库的研究,发现了粘性底层内横向速度的强脉冲现象.分析并研究了这种强脉冲现象的一般特征和对湍流的贡献以及与涡结构的关系.     

用子波谱分析壁湍流多尺度结构的能量传递

测量了壁湍流不同法向位置的流向速度.用子波变换研究湍流能谱,表明子波全局谱是Fourier谱按子波尺度加权平均的结果,高阶消失矩的子波变换能够表征湍谱的衰减特性;子波局部谱显示边界层内涡的变形、破碎等现象与边界层法向位置有关,含能涡结构呈多尺度分布,随着测点远离壁面,含能涡的尺度增大;在缓冲区出现更高频的小尺度含能涡,在外区能量集中在低频大尺度涡结构中,含能涡的频带变窄.     

湍流边界层内准流向发卡涡生成的数值模拟

采用根据共振三波理论模型建立的初始准二维流场和直接数值模拟方法,对湍流边界层近壁区流向涡的生成进行了研究．计算得到了准流向发卡涡和次生准流向涡结构的生成过程及其主要特征,讨论了它们的产生机理．作为相干结构的主要特征,利用共振三波理论模型对流向涡结构生成与演化过程的研究为湍流边界层内相干结构的研究与流动控制提供了新的途径和思路．     

颗粒的有限尺寸对颗粒在均匀各向同性湍流中扩散的影响

本文指出固体颗粒对流体湍流运动的响应有不同的机理,颗粒受大涡的粘性拖动,但受小涡的随机碰撞.基于这种原理,本文计算了有限尺寸的固体颗粒在均匀各向同性湍流中的扩散.结果显示存在着二种相互抵消的效应:颗粒的惯性使颗粒长期扩散系数上升,而颗粒尺寸使颗粒的长期扩散系数下降.     

湍动尺度的模糊聚类分析

湍流运动可看成是大小不同尺度的涡体运动的叠加.定量地确定湍动尺度的分类,对于更好地描述不同尺度的涡体运动,探讨不同尺度涡体之间的相互作用,建立较好的湍流模式都具有重要的意义. 对事物按一定要求进行分类的数学方法,叫做聚类分析.由于湍动尺度的分类具有一定程度的模糊性,因而本文采用模糊聚类的方法,对壁面光滑及租糙两种边界条件下的湍动尺度进行了分类,并对各类结构的特性及其相互作用进行了探讨.     

可压缩均匀各向同性湍流的直接数值模拟

采用8阶精度的中心差分格式及7阶精度的迎风偏斜格式对Re_l = 72~153, M_t= 0.2~0.7的均匀各向同性湍流进行了直接数值模拟, 建立了湍流数据库. 与他人的计算结果吻合十分理想, 说明方法的有效性. 数值结果表明, 采用适当的迎风型差分格式可以克服起动问题(start-up problem)对湍流Mach数的限制, 提高可计算的湍流Mach数, 是可压湍流直接数值模拟的有效方法. 分析了压缩性效应对湍流统计量的影响, 发现压缩性使得湍动能的衰减加快. 探讨了可压湍流中微激波产生的机理, 对流场进行了标度律分析. 发现在本文的Reynolds数和湍流Mach数条件下, 流场中扩展自相似性仍然成立, 同时发现压缩性对标度指数影响不大.     

三维可压缩Boltzmann模型及其在低Mach数湍流中的应用

改进了有限差分格子Boltzmann方法(FDLBM),以直接数值模拟气动噪声.基于LB求解器特性,采用动力学方程中的恒定对流速度以实施高阶迎风差分,提高了声波和湍流的分辨率.通过建立一个新的三维粒子模型,计算得到了任意比热容的三维可压缩Navier-Stokes系统.此外,利用Bhatnagar-Gross-Krook (BGK)碰撞算子,通过引入热流量修正,实现了Prandtl数的可变性.在激波管内弱声波以及伴随有温度梯度的Taylor-Couette层流的验证计算中,提出的新方法结果良好.此外也对NACA0012翼型绕流进行了三维模拟.其中,Reynolds数、Mach数和攻角分别取2× 105,8.75×10-2以及9°.计算发现,在机翼前缘附近的分离气流位置,以及表面压力波动强度的Maeh数依赖性方面,数值计算结果与实验结果相吻合.     

两层流体系统中含有悬浮粒子无平均剪切湍流混合层的增长

本文对两层流体系统中含有粒子的无平均剪切湍流混合层的增长(扩散)行为,进行了实验研究和理论分析,并提出一个估计湍流混合层扩散速率的理论方法,即势能模型。这种模型还包含了纯两层流体的湍流扩散的结果。实验结果与该模型符合很好。混合层中含有粒子时扩散距离D随时间t的变化、无因次扩散速率E与Richardson数及Ri₁的关系均与纯两层流体的相同,但还与初始体积浓度(?)₀有关,D和E分别以的负1/5和负1次幂变化。     

湍流不同尺度间的近程和共振作用规律及应用

从Navier-Stokes方程出发,研究了湍流不同尺度间的相互作用规律,给出相近尺度间近程粘性应力的积分和微分表达式．引入极相近尺度之间共振相互作用的概念,得到共振粘性应力的微分表达式．利用共振粘性应力张量获得不含经验关系和常数、近似封闭的大涡模拟（LES）方程组．利用近程和共振粘性应力张量获得不含经验关系和常数、近似封闭的湍流多尺度方程组．讨论了湍流多尺度方程的性质及用于湍流计算的优点,尺度间相互作用的近程特性说明:多尺度模拟是湍流计算很有价值的方法,并列举了算例．     

180°弯曲方管牛顿流体及一种非牛顿流体湍性流动的数值模拟

运用湍流k-ε模式及实测壁面函数分别模拟牛顿流体(清水)及一种非牛顿流体(聚合物稀薄减阻溶液)流经180°弯曲方管的湍性流动,取得与实测速度分布吻合较好的结果.对于湍流模式对存在大涡的复杂流动的适应性,根据计算和试验结果进行了分析和讨论.     

不可压缩均匀各向同性湍流的统计理论

本文根据均匀各向同性湍流的涡旋结构理论,从Navier-Stokes方程出发,引进了准相似性条件,认为均匀各向同性湍流场在衰变过程中具有相似性,相似性尺度由表征湍流强弱的湍流脉动速度均方差q以及与特征涡旋尺度具有密切关系的湍流广义Taylor微尺度λ所决定,在对均匀各向同性湍流场计算中,假定湍流脉动在空间呈周期性,周期性尺度正比于λ。 本文对脉动速度等物理量用Fourier级数展开,将在物理空间上的计算转化到谱空间上,利用快速Fourier变换,采用前差格式和Leap-frog格式,对不同Reynolds数的均匀各向同性湍流场从衰变后期到前期进行了计算,得出了与实验较符合的结果。