基于直接数值模拟的可压缩湍流模型评估和改进

对来流Mach数2.25和6的平板边界层湍流进行了直接数值模拟, 并通过与理论、实验及他人计算结果的对比对数值结果进行了验证. 基于直接数值模拟得到的湍流数据库, 对常用的湍流模型进行了先验评估. 评估的湍流模型有k-εvarepsilon模型(包括标准k-εvarepsilon 模型、可实现的k-εvarepsilon模型及低Reynolds数k-εvarepsilon模型)、SA模型及BL模型. 结果显示, 对于Mach2.25的平板边界层, 可实现的k-εvarepsilon 模型及低Reynolds 数k-εvarepsilon模型具有较好的预测能力, 而标准k-εvarepsilon模型预测的湍流黏性系数偏高; SA模型在边界层内层预测准确度较高, 而在外层预测值偏高. 而对于Mach6的平板边界层, k-εvarepsilon模型及SA模型预测的湍流黏性系数均偏高, 尤其是标准k-εvarepsilon模型. 对于Mach6的平板边界层, BL模型低估了内-外层交界位置, 造成湍流黏性系数预测值严重偏低. 作者通过修改模型系数及内-外层交界位置对BL模型进行了修改, 修改后模型预测的湍流黏性系数与DNS给出的值吻合较好.     

湍流基础研究新进展——————湍流973项目实验标模会议概况

在第3届国际流体物理会议召开的间隙,"湍流973项目实验标模研讨会"于2009年6月15～19日在四川九寨沟"九寨天堂"国际会议中心成功举行.该项目是2009年开始启动的科技部综合交叉领域973项目:"飞行器气动力学与光学设计中的关键湍流问题",由北京大学、航天11院、天津大学、北京航空航天大学、中国空气动力研究中心、中科院力学所、国防科大等7所单位联合承担.     

不可压缩湍流非对称脱体涡流场数值分析

采用拟压缩性方法，Ｂｅａｍ－Ｗａｒｍｉｎｇ近似因式分解格式数值求解三维定常不可压Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程。对Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型，采用Ｄｅｇａｎｉ－ｓｃｈｉｆｆ修正。计算绕尖头正切拱型旋成柱体的大迎角大雷诺数脱体涡流场，计算结果中的非对称脱体涡与实验相符．     

可压缩均匀剪切湍流的二阶矩模拟

基于对可压缩湍流中脉动压力场和脉动速度场特征的理论分析以及ＤＮＳ结果,建立了可均匀剪切湍流中压力－变形率关联的压缩性修正模式,应用这个模式,加上Ｓａｒｋａｒ等建立的脉动体胀率项（ｄｉｌａｔａｔｉｏｎａｌ ｔｅｒｍｓ）的模式,预测可压缩均匀剪切湍流随时间的发展,所得雷诺应力各是性张量的平衡值与Ｂｌａｉｓｄｅｌｌ等的ＤＮＳ数据非常一致。这个模式准确地预测出均匀剪切湍流中压缩性导致的雷诺应力结构的“流向     

网格湍流微结构的实验研究

本文试验研究了网格湍流从前期到后期整个连续衰变过程即湍能和Taylor微尺度随时间的变化规律,以及高阶速度相关系数的变化规律,试验结果是在一个低湍流度、低速风洞内,用TSI热线风速仪测得的,而拟均匀各向同性湍流是用在风洞试验段入口处加网格产生的,本文的试验结果与文献[1]提出的涡旋结构理论的计算结果做了比较,发现理论计算的和曲线与本文实测值非常吻合,本文的实测结果与Townsendt早年的试验以及Beanett七十年代末的试验也做了比较。结果表明,这些试验结果彼此也很一致,因而,所有这些试验结果与理论计算值都相互获得了验证。     

在我国开展工程湍流研究的设想

本文包括三部分:１）提出开展工程湍流研究的背景;２）工程湍流研究的特征和内容;３）开展工程湍流研究的设想,其中包括:ａ）湍流理论的概念鉴别和在工程中的应用,ｂ）湍流模式理论的应用和完善,ｃ）湍流测量和ｄ）湍流控制．      

低雷诺数沟槽表面湍流/非湍流界面特性的实验研究

湍流/非湍流界面是流动中湍流和无旋流的边界,其相关研究在加深对湍流与无旋流之间的物质、动量和能量交换的理解有重要意义.本文采用时间解析的二维粒子图像测速技术,分别对零压梯度光滑、顺流向锯齿形沟槽表面平板在不同雷诺数下对湍流/非湍流界面的几何特征及动力学特性进行了实验研究.实验雷诺数为$Re_{\tau } =400\sim1000$.本文采用了湍动能准则对湍流/非湍流界面进行了识别,并分析界面高度分布、分形特征及界面附近的条件平均速度和涡量.结果表明在不同雷诺数下, 无论是光滑壁面还是沟槽壁面,界面平均高度在0.8 $\sim$ 0.9$\delta_{99} $附近. 对于沟槽壁面而言,减阻时对应的界面高度的概率密度分布与光滑壁面基本一致, 均遵循正态分布,而当阻力增大时, 界面高度分布偏离正态分布出现正的偏度. 在本实验情况下,界面分形维度、跨界面速度跳变均会随着雷诺数增大而增大. 此外,不同壁面情况下无量纲条件平均涡量在界面附近的分布相近,而界面附近无量纲速度梯度最大值近似为常数.      

可压缩各向同性衰减湍流直接数值模拟研究

采用五阶有限差分WENO格式直接模拟了高初始湍流Mach数的可压缩均匀各向同性湍流,主要分析了湍流的统计特性 和压缩性的影响,包括能谱特征、激波串、耗散率、标度律等. 研究表明,湍动能主要来自于速度场螺旋分量的贡献;各向同性湍流的小尺度脉动对压缩性更为敏感,并且压缩性的增强加快了湍流大 尺度脉动向小尺度脉动的湍动能输运;随着湍流Mach数的升高,胀量(压缩)耗散率所占比率也显著增长. 标度律分析表明,强可压缩湍流的横向速度结构函数仍然具有扩展自相似性;当阶数较高(p ≥ 5)时,纵向速度结构函数的扩展自相似性则不再成立. 对于压缩性较弱的湍流,与不可压缩湍流一致,横向湍流脉动的间歇性要强于纵向湍流脉动;而对于强可压缩湍流,纵向湍流脉动的 间歇性要强于横向湍流脉动.     

实验研究湍流附面层分离

本文应用二维激光多普勒测速技术和压强探针测量了二元非对称曲面扩张通道内的湍流附面层分离,得到了时均速度、流动平均方向角、正反向间歇流动因子以及静压分布.实验结果表明:附面层沿高度方向存在着明显的压强差,并可用位移厚度曲率做二阶近似修正.分离附面层的位移厚度曲率极大值对应于间歇瞬时分离点.瞬时流动平均方向角与正反向间歇流动因子成线性变化.     

收缩湍流场中标量扩散的实验研究

在近似均匀各向同性湍流场中加一个收缩段,对所得到的非各向同性湍流中温度混合层和热尾流作了初步实验研究。实验测量结果表明,它们在收缩段被“压缩”后又继续扩展,在实验的范围内(即发展初期)两者的T,(?)和(?)剖面具有相似性。     

RESEARCH ON IMPROVEMENTS OF LRN TURBULENCE MODEL BASED ON FLOW AROUND AUTOMOBILE BODY 1)

本文将汽车绕流模块化为各典型局部流动,通过常用湍流模型对各典型局部流动进行数值模拟,结果验证了湍流模型对转捩的捕捉能力是准确模拟汽车绕流的关键. 在分析汽车绕流分离及转捩机理的基础上,优化了稳态和瞬态求解方法,改进了湍流模型对转捩的预测能力,进而提高了湍流模型在汽车流场模拟上的精度. 针对汽车绕流的稳态问题,将流线曲率因子及 响应阈值引入 LRN $k$-$\varepsilon $ (low Reynolds number $k$-$\varepsilon $) 模型,获得了一种能够更准确预 测转捩的改进低雷诺数湍流模型 (modified LRN $k$-$\varepsilon $),改善了原模型对湍流耗散率的过强依赖性及全应力发展预测不足等问题;针对汽车绕流瞬态求解,通过分析 RANS/LES 混合湍流模型的构造思想及特点,引入约束大涡模拟方法,结合本文提出的改进的 LRN $k$-$\varepsilon $ 湍流模型,提出了一种能准确捕捉转捩现象 的转捩 LRN CLES 模型. 分别将改进的模型用于某实车外流场和风振噪声仿真中,通过 Ansys Fluent 求解器计算,并将计算结果与常用湍流模型的仿真结果、HD-2 风洞试验结果和实车道路实验结果进行对比,表明改进后的湍流模型能够更准确模拟复杂实车的稳态和瞬态特性,为汽车气动特性的研究提供了可靠理论依据及有效数值解决方法.     

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。     

近壁湍流统计性质研究

采用大涡模拟方法,模拟了槽道湍流,得到了不同雷诺数下槽道湍流的结果. 在此基础上,研究了平均速度、雷诺应力、脉动动能和脉动速度均方根的分布;讨论了平均速度的壁面律问题;给出了雷诺应力、脉动动能和脉动速度均方根随雷诺数的变化规律,其中雷诺应力、脉动动能给出了定量公式.      

基于紊流状态的阻尼阀缝隙节流解析计算

提出了一种基于紊流状态的缝隙节流解析计算方法. 运用边界层理论给出紊流状态下流体的三层速度分布表达式,通过积分定理推导出平行平板的缝隙流量解析式,与CFD 软件数值解对比偏差很小,验证了方程的正确性. 以此为基础根据阻尼阀的结构特点又推导出同心环形缝隙的紊流流量公式,并分析不同物性参数对缝隙压差和流量的影响规律,填补了工程设计中没有紊流状态下缝隙节流解析式的空白,为提高阻尼阀的设计精度奠定了基础.     

关于湍流拟序结构的思考

本文在简要地回顾了30多年来湍流拟序结构研究的进展之后,评述了目前拟序结构研究的动态。笔者强调准确的湍流场数据库建立的重要性,它是定量描述和研究拟序结构的基础。笔者评述了关于拟序结构目前流行的几种观点和方法,认为应当把研究拟序结构的动力学作为我们研究的目标。笔者深信准确掌握拟序结构的动力学规律,对于预测和控制湍流将有极大的推动。      

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．