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。     

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.     

湍流动量、标量及能量的逆梯度输运模型

运用单影响函数的双尺度直接相互作用原理(简称TSDIA)研究了湍流中广泛存在的动量、标量、能量的逆梯度输运现象,得到了可定性描述动量、标量及能量逆输运的模型表达式.然后运用惯性子区的理论对所得结果进行了简化,在计算中对标量与动量采用了不同的时间尺度,同时仅引入了动量的低波数截断k_m.所得结果对于低阶的情形与前人的结果一致.最后利用所得结果分析了非对称槽道流与圆柱尾流中出现的动量、被动标量及湍能的逆梯度输运现象.     

槽道湍流中拟涡能输运对反向控制的瞬时响应

利用直接数值模拟研究了槽道湍流中脉动拟涡能输运对反向控制的瞬时响应． 发现流向和展向拟涡能的衰减首先由拉伸产生项的抑制引起,而法向拟涡能的减小是因为控制阻碍了平均剪切的倾斜．在控制的初始阶段,流向拟涡能的演化远远落后于其它两个分量的变化．法向涡量快速单调减小,并对其它两个分量的减弱起到了重要作用．     

湍流速度和耗散率联合几率密度函数的输运方程

根据湍流动能耗散率满足对数正态分布的假定,给出耗散率的随机模型,并对速度的Langevin模型进行了修正,从而建立起完全封闭的湍流速度和耗散率联合几率密度函数的输运方程.为检验模型的可靠性,用Monte Carlo方法对输运方程进行了数值求解,给出衰变湍流和均匀剪切湍流的满意结果.     

均匀二维湍流标量场谱动力学

本文应用非平衡统计力学方法,建立二维湍流标量场谱动力学的一组封闭方程,推导出惯性-对流区内对应速度场Kolmogorov型能谱的标量场方差谱G(k)=CA^-1/2η(?)^-1/3k^-5/3,并数值计算得到普适常数C=0.56。这里A是Kolmogorov系数,η是标量场方差耗散率,(?)是速度场能量耗散率,k是波数。     

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．     

湍流边界层外区大尺度相干结构的理论模型及与实验的比较

本文基于流动稳定性理论,提出了一种解释湍流边界层外区大尺度相干结构产生机理的理论模型.将计算所得流线、等涡线分布及利用相干结构理论模型计算湍流边界层中平均温度分布的结果与实验比较,结果是比较满意的.     

颗粒湍能输运方程的两相湍流模型和平面闭式两相射流的数值模拟

在现有的两相湍流数值模拟中,对颗粒湍流普遍采用以局部追随概念为基础的代数模型,其预报结果在很多情况下与实验不符。本文提出了以颗粒湍能输运方程为基础的κ-ε-kκ两相湍流模型,并以平面闭式两相射流为例进行了数值模拟,预报结果与实验符合良好,表明此模型明显优于k-ε-A.P.的颗粒湍流代数模型。     

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 .     

带有不连续系数的线性输运方程差分格式的收敛性

提出了一个基于三角形网格的显式差分格式逼近带有不连续系数的线性输运方程. 通过对数值解的有界性、TVD(total variation decreasing)和空间、时间方向的平移估计, 利用Kolmogorov紧性原理证明了数值解在L¹_loc模下收敛于初值问题的唯一弱解.从而得到了初值问题解的存在唯一性和关于初值的稳定性. 数值算例表明本文提出的格式计算方便而且比 Lax-Friedrichs格式更有效.       

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。     

确定待定系数的一种方法

本文利用复变函数的理论，推导出一种确定待定系数的方法．     

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．     

完全发展的非对称槽道湍流的标度指数研究

以子波变换为分析工具,研究了完全发展的非对称槽道湍流的局部标度指数和整体标度指数．其中整体标度指数通过正交子波和广义自相似定律得到,其结果表明非对称槽道流动呈现出与对称槽道流极为不同的间歇性,随着壁面距离的增大,横向脉动速度与流向脉动速度呈现出不同的间歇性,而且间歇性并非一直减弱．另外,比较分析了几种不同方法得到的局部标度指数,发现连续子波方法计算局部标度指数并不可靠,对于湍流研究中出现的负局部标度指数的情况需要慎重考虑．     

壁湍流多尺度湍涡结构推广的自相似标度律

在水槽中测量了中等雷诺数下平板湍流边界层中的瞬时流向速度的时间序列,验证了Benzi提出的推广的自相似标度律,用子波变换将壁湍流脉动速度分解为多尺度湍涡结构的速度,研究了每一个尺度的湍涡速度结构函数的推广的自相似标度律。主要结论如下:湍流的统计性质是自相似的,这不仅适用于充分发展湍流,而且适用于中等雷诺数和低雷诺数湍流,而且具有相同的标度指数;推广的自相似标度律的适用的尺度范围远远大于惯性子区的范围,可以一直延伸至耗散区的尺度范围;推广的自相似标度律不仅适用于均匀各向同性湍流,也适用于剪切湍流如边界层湍流。     

应用谱理论研究压力脉动的湍流模式

本文应用谱分析理论研究了剪切湍流场中的压力脉动,包括功率谱、均方值等.通过对压力脉动Possion方程的Fourier变换,首先将压力脉动谱表示成速度脉动谱的形式.利用Navier-Stokes方程的形式解及准正态分布假设,可以进一步将压力脉动功率谱表达式中所包含的速度脉动的三阶相关与四阶相关表示成速度脉动的二阶相关（功率谱）.最后,引入高雷诺数流的速度脉动功率谱模型,导出了由湍动e₀,耗散ε,雷诺应力-iu_j>及时均速度梯度表示的压力脉动均方值的湍流模式,并同现有数据进行了比较.     

不可压缩流体三维Rayleigh-Taylor不稳定性的大涡模拟

对不可压缩流体三维Rayleigh-Taylor不稳定性问题建立被动标量输运模型,用大涡模拟方法计算了正弦初始扰动和随机初始扰动下不稳定性发展各个阶段的瞬时速度场和标量场,以及混合过程中计算尺度和亚格子尺度上的平均湍流脉动能、平均剪切应力和被动标量通量;分析了界面形状、被动标量浓度分布的演化规律及气泡、尖钉速度和混合层宽度随时间的变化规律,计算结果与其他数值模拟和实验结果相吻合,验证了大涡模拟方法应用于该问题的可行性.     

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.     

湍流边界层中固体小颗粒湍流运动的Lagrangian模型

给出了固体小颗粒在边界层中的Lagrangian运动方程,方程中包括受壁面影响的粘性阻力,Saffman升力及Magus升力等.使用频谱法,得到了颗粒响应流体的Lagrangian能谱的表达式,使用这些结果研究了各种响应特性.本文的结果清楚地表明了固体个颗粒在湍流扩散过程中,其湍流扩散是可能大于流体的.