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 .     

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.     

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。     

近壁湍流脉动的概率分布函数

采用大涡模拟方法,模拟槽道湍流,获得了不同雷诺数情形下的槽道流大涡模拟数据库．在此基础上,获得了流向和垂向脉动速度的概率分布函数,并运用假设检验,分析了其与正态分布的定量差别．进一步计算了流向和垂向脉动速度的偏斜度、平坦度,讨论了二者在粘性子层、过渡区和对数律区的变化．同时,讨论了粘性子层、过渡区和对数律区流向和垂向脉动速度概率分布函数的特点及其与湍流猝发的高速流下扫和低速流喷发事件的关系．最后,分析了雷诺数对流向、垂向脉动速度分布的影响．     

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．     

直接数值模拟／大涡模拟中数值误差影响的研究

通过比较湍流的能谱和总动能,对数值误差(包括混淆误差、离散截断误差)、亚格子模型以及它们之间相互作用对直接数值模拟和大涡模拟的影响进行了系统研究.算例采用了三维各向均匀同性湍流.为了研究复杂几何形状,数值格式采用了谱方法和Pade紧致格式.大涡模型采用了truncated Navior-Stokes(TNS)模型结合Pade离散滤波器.结果表明直接数值模拟中离散误差对结果有很大影响,低阶格式会导致计算发散.而大涡模拟中亚格子模型不仅能表征小尺度对大尺度的影响,而且还缓解了数值误差对计算结果的影响.因而低精度格式也可取得不错的结果.     

可压槽道湍流的直接数值模拟及标度律分析

采用基于非等距网格的紧致差分方法对Mach数为0.8,Reynolds数为3300的可压缩槽道湍流进行了直接数值模拟.建立了充分发展的可压缩槽道湍流数据库.该流场的统计特征（如等效平均速度分布,半局部尺度无量纲化的脉动均方根分布）与他人的数值计算结果吻合较好.在此DNS结果的基础上,作者对该流场进行了统计分析和机理研究.得到了可压缩槽道湍流场的高阶统计矩.同时分析了压缩性效应对近壁相干结构的影响机理,认为在可压壁湍流的近壁区,压力在压缩_膨胀上的做功部分吸收了脉动速度的动能,使得可压湍流的近壁速度条带结构更加平整.还对可压缩槽道湍流进行了标度律分析,指出可压槽道湍流中心线附近较宽的区域内存在标度律及扩展的自相似性.认为当Mach数不是很高时压缩性效应对标度指数影响不大.通过数值计算得到可压缩槽道湍流的标度指数.     

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.     

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.     

三维弹性管的涡致振动特性分析

采用有限体积法联合大涡模拟方法求解三维湍流流场,采用有限元法离散弹性管结构,对Re=1.35×104的湍流流动作用下三维弹性管的涡致振动进行了数值模拟,结构的动力学响应用Newmark算法来求解,管的运动采用基于扩散光顺方法的动网格模型来实现.利用建立的数值模型,分析了升力系数、阻力系数、位移、涡脱频率、相位差随频率比的变化特征,成功扑捉到锁定、相位开关,并联合运动轨迹、相图及Poincaré截面映射,研究了升力系数与横向位移的极限环与分叉等非线性特性.研究结果表明,在阻力系数的最小值处,横向振幅达到最大值,同时,横向响应的"锁定"也始于阻力系数最小值处;在"锁定"范围内,横向振幅随着频率比的增大而逐渐减小;在升力系数的最小值处,升力系数与位移间的相位由反相变为同相;在均匀湍流流动作用下,三维弹性管的升力与横向位移并未出现周期解的分叉.     

填充烧结铜球的T型管中流体混合的大涡模拟

在FLUENT软件平台上,运用大涡模拟湍流模型及Smagorinsky-Lilly亚格子尺度模型,对填充有烧结铜球多孔介质的T型管道内冷热流体混合过程的流动与传热情况进行了数值计算,与未填充多孔介质时混合区域内的平均温度和温度波动、平均速度和速度波动等数据进行了对比,并对温度波动进行了功率谱密度分析．数值结果表明,多孔介质可有效削弱T型通道流体混合区域内的温度和速度波动,有效降低1 Hz至10 Hz频域中的温度波动的功率谱密度．     

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．     

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．     

突然扩张方管中三维湍流流动的数值模拟

本文运用SIMPLEC算法计算了突然扩张方管中的三维湍流流动,湍流模型采用k-ε模型。计算结果详细反映了突然扩张方管中三维湍流流场。从本文结果可以看出,由于突然扩张方管几何形状非轴对称,且尺寸有限,边壁对流场的作用是不可忽略的。以往文献中常见的二维突然扩张湍流的数值模拟结果与三维情况有较大差别,在靠近边壁的区域差别很大,因此对于突然扩张方管中湍流流动的数值模拟应用三维模拟。本文计算所得突然扩张截面后主回流区长度与实验结果接近。本文方法可为数值模拟突然扩张方管中湍流流场及各物理参数的分布提供有效工具。     

基于有限体积法的非结构网格大涡模拟离散方法研究

非结构网格下的大涡模拟是解决复杂几何体高Reynolds(雷诺)数流动的有效途径.首先,基于有限体积法,研究了对流项和扩散项非结构网格下的离散方法.研究结果表明:基于TVD(total variation diminishing)限制器的限制中心差分格式保证了对流项的二阶精度并抑制了非物理振荡,同时,线性迎风格式虽然稳定,但数值耗散过大,且不能保证有界,中心差分格式引起了周期性非物理振荡;扩散项的超松弛非正交修正减小了网格非正交带来的离散误差,但修正系数须根据网格非正交的程度进行合理选取.为验证所述离散方法对大涡模拟的适用性,数值计算了Re=1.14×10~6下的非定常三维小球绕流,计算方法包括:计算网格用基于Delaunay三角剖分和Netgen前沿推进算法的四面体非结构网格;湍流模型用改进的延迟分离涡大涡模型;在离散格式的选取上,对流项用限制中心差分,扩散项加入非正交修正,插值格式用最小二乘法,时间项用二阶后向差分.计算结果表明,所用离散方法稳定收敛并且与实验数据基本吻合.     

应用于非惯性系湍流模拟的扩展内禀旋转张量

研究扩展内禀旋转张量在非惯性系湍流模拟中的作用,特别是对代数Reynolds应力湍流模式(如非线性K-ε模式)的重要性．为此,采用几个近年来发展的非线性K-ε湍流模式模拟旋转坐标系下均匀剪切湍流,并且和大涡模拟的结果进行比较．计算结果和分析表明,需要发展更先进的非线性K-ε模式从而更好地描述非惯性系下的复杂湍流．     

基于时空最优低维动力系统的多尺度可压缩湍流数值模拟方法（英文）

按照周培源教授关于研究湍流数值模拟建模时必须分析和求解脉动速度场的思想,该研究基于第一性原理,系统地建立了基于时空低维最优动力系统的多尺度可压缩湍流数值模拟方法(LMS方法),并将其应用于多次冲击Richtmyer-Meshkov问题的数值模拟中,首次得到了可压缩湍流的中尺度流场和不同于DNS近似解的湍流近似解.数值结果表明,LMS方法可以用较少的网格获得更精确的湍流近似解.首先解决了研究中遇到的几个问题,为LMS方法的构建铺平了道路.这些问题是:基于湍流的物理特性,提出了湍流大、中、小尺度分解的新概念;找到了box滤波空间相关性的计算方法;指出了湍流建模理论中长期存在的逻辑错误,提出了多尺度湍流模型的概念;讨论了湍流封闭问题的本质和关键,给出了克服湍流封闭问题的数值方法.采用box滤波方法/空间网格平均方法且在大尺度网格的意义下,LMS方法的本质是一种将RANS、LES、DES和DNS等湍流数值模拟方法统一的全新湍流数值模拟方法.需要指出的是,LMS方法也可以作为湍流模型研究的辅助工具,以检验SGS尺度方程/脉动方程中各项所对应的湍流模型是否正确.     

冲击波作用下Air/SF6斜界面不稳定性实验和数值模拟研究

开展了Mach数为1.23和1.41的冲击波作用下的Air/SF6斜界面不稳定性激波管实验,并利用王涛等人发展的可压缩多介质粘性流体和湍流大涡模拟程序MVFT(multi-viscous-fluid and turbulence),对该激波管实验进行了数值模拟,二者相比较一致性较好,包括界面图像、湍流混合区TMZ(turbulent mixing zone)宽度、气泡和尖钉位移,确认了该计算代码对界面不稳定性问题模拟的可靠性和有效性.数值模拟再现了冲击波作用下,Air/SF6斜界面的演化过程及流动中复杂波系结构的发展如冲击波的传播、折射和反射.结果还显示冲击波Mach数较大时,冲击波和界面相互作用时混合区获得的能量也较大,扰动界面发展的也更快.     

基于多GPU的格子Boltzmann法对槽道湍流的直接数值模拟

采用多GPU并行的格子Boltzmann方法（lattice Boltzmann method, LBM）对充分发展的槽道湍流进行了直接数值模拟．GPU(graphic processing unit)的数据并行单指令多线程（single-instruction multiple-thread, SIMT)特征与LBM完美的并行性相匹配,使得LBM求解器在GPU上运行获得了极高的性能,亦使得大规模DNS(direct numerical simulation)在桌面级计算机上进行成为可能．采用8个GPU,网格数目达到6.7×107,全场网格尺寸Δ+=1.41．模拟3×106个时间步长,用时仅24 h．另外,直接模拟结果无论是在平均流速或湍流统计量上均与Moser等的结果吻合得很好,这也证实了二阶精度的格子Boltzmann法直接模拟湍流的能力与有效性