激波沿H2／空气界面绕圆、方柱强化混合的数值研究

用迎风TVD格式求解二维、层流全N－S方程,对激波沿H2和空气界面绕圆、方柱流动及其诱导的剪切混合进行了数值模拟,得到了流场的压力和组分密度分布,计算结果表明：激波在H2传播得快,剪切层中出现吸涡和调节激波,卷吸涡与柱体撞击后,反射出一道激波,H2沿柱体表面向下游扩散,H2／空气接触面与柱体分离后,形状畸变并产生新的卷吸涡。H2分布表明：在办面上加圆柱或方柱,可有效地强化燃料混合,方柱的增强效果更明显此,在圆柱表面,H2、空气中激波均发生由RR向MR的转变,两Mach杆在下游相互透射,对于方柱,H2中激波中激波沿下表面传播几乎不受影响,空气中激波沿上表面发生Mach反射,其Mach杆和H2中绕射激波相互透射,柱体左侧最终形成一脱体激波,流场存在激波、卷吸涡、接触面向的相互作用,但波系结构相似。     

基于OpenFOAM的风力机致动线模型研究

致动模型是一种较新的CFD计算模型,通过在N-S方程添加源项的形式模拟叶片对流场的作用,减少了网格数量和计算时间。在OpenFoam平台上对比了两种风力机尾流预测模型,包括PISO求解的致动线模型和多重参考稳态求解的CFD实体模型。进而数值研究了NREL 5 MW风力机在均匀来流中的近尾流区流场特性,结合大涡模型和致动线模型,通过对不同风速下尾流的流场特性分析,包括涡结构、尾流速度亏损、拟涡能等,验证了致动线模型的准确性,为近场尾流研究提供有利参考。     

脉动流方柱绕流特性研究

本文数值模拟雷诺数Re=100的条件下,脉动流振幅和频率分别为0.2≤A≤0.8和0≤f_P≤20 Hz时方柱绕流特性.通过数值计算得到方柱绕流的升、阻力系数,涡脱频率及尾涡特性,且稳定流下计算结果与文献结果一致。研究结果表明脉动流是一种有效的主动流动控制方法;在脉动流频率f_P为1.2~2.6自然涡脱频率f_(sn)时,旋涡脱落频率存在"锁定"现象;在锁定范围内,尾涡形成区域变短,时均阻力系数显著增大,且在脉动流频率等于两倍频率时,时均阻力系数达到峰值;随着振幅的增大,频率"锁定"范围增大。     

入流激励下可压缩剪切层中Kelvin-Helmholtz涡的响应特性

通过直接数值求解Navier-Stokes方程,研究了入流激励下可压缩剪切层中Kelvin-Helmholtz(KH)涡结构的响应特性,结果清晰地展示了KH涡的独特演化方式.基于流动可视化数据,采用两点相关性分析获得了流场拟序结构的空间尺寸和结构角分布.通过分析不同激励频率下涡结构的动态特性,揭示了入流激励下可压缩剪切层中KH涡结构的独特演化机理.研究结果表明,低频入流激励(f=5 k Hz)下KH涡尺寸在远场区域达到饱和后呈现锁频状态,KH涡量厚度稳定在12-14 mm之间;与自由剪切层涡结构通过配对合并的方式实现生长的机理不同,低频入流激励下剪切层的发展是通过中间涡核顺时针吞噬KH不稳定波诱导的一串外围小涡结构来实现生长.此外,针对高频激励(f=20 k Hz)下的剪切层流动,研究了涡结构特性和入流激励参数之间的定量关系,发现均匀分布涡结构的尺寸近似等于对流速度与入流激励频率之比.     

具有多孔介质覆面层的柱体绕流流场分析

建立多孔结构覆面柱体绕流模型, 采用含Darcy-Brinkman-Forchheimer作用力项的格子Boltzmann方程对覆盖多孔介质层的方柱绕流进行数值模拟, 研究多孔介质对钝体绕流流场特性的影响。结果表明: 相比于不可渗透壁的柱体, 引入合适参数的多孔介质覆面层后可以有效降低其升力脉动幅值, 但阻力有所增加。同时, 较高雷诺数下多孔方柱的数值模拟表明: 多孔介质壁面使得尾迹区域的剪切层相距更远, 降低了尾流处湍动能, 并将雷诺应力的峰值移动到尾迹区域, 抑制了方柱两侧的动量交换, 使动量交换的位置发生在尾迹区域, 继而使得尾迹的涡街更加规则化。     

超声速后台阶流动/射流相互作用的数值模拟

采用高精度格式求解二维Navier-Stokes方程研究超声速射流与同向超声速后台阶流动相互作用的流场基本结构及规律,分别应用5阶WENO格式、6阶中心差分格式离散对流项和黏性项,时间推进采用3阶Runge-Kutta格式,并应用消息传递接口（message passing interface,MPI）非阻塞式通信实现并行化.分别研究了超声速后台阶流动、超声速射流的基本结构特征,以此讨论和分析超声速后台阶流动/射流相互作用的特征,以及不同来流条件对波系结构、涡结构、剪切层、膨胀扇等的影响,尤其是来流剪切层和射流剪切层的相互作用,形成复杂的波系结构及相互干扰的流动现象.      

基于浸入式边界方法的串联双矩形柱绕流数值模拟

基于浸入式边界算法(Virtual Boundary Method)中力源反馈边界的思想,改进其原有内部流体处理方法以减少计算耗费,并结合非等间距网格以便工程应用计算,模拟雷诺数范围内(Re=200–10³)串联双矩形柱绕流,研究表明:Re=200–300时,前柱尾流涡脱处于双剪切层控制阶段;柱间涡街为Karman类涡街,在小间距条件下被抑制,形成涡环;前柱对后柱屏蔽效应体现为后柱阻力系数远小于前柱;临界间距时柱间涡街充分发展,后柱阻力系数等气动参数亦在此发生跃升,但仍小于前柱值;随雷诺数升高,尾流涡街尺寸缩小,临界间距及跃升幅度变小. Re=400时,前柱尾流涡脱进入冲击剪切层控制阶段,阻力系数不再呈现规律性振荡;此后随雷诺数升高,冲击剪切层逐步完善,前柱流动分离使其表面产生更多附着涡,导致尾流旋涡尺寸进一步减小,屏蔽效应消失,涡脱更为剧烈,进而对后柱产生脉动冲击效应;适当间距比条件下此类脉动冲击效应使得后柱阻力系数发生跃升,并略高于前柱. 关键词： 浸入式边界算法 串联双矩形柱 屏蔽效应 临界间距     

微通道内单柱绕流特性的实验研究

基于显微粒子成像测速(Micro-PIV)技术,对微通道内单柱绕流特性展开实验研究,分析了 10Re350范围内不同高度流层的速度场、涡量场及旋涡特性。结果表明:微尺度绕流现象相比宏观尺度存在滞后,首次出现旋涡的第一临界Re约为10。随着Re的增大,尾流区长度不断增加,旋涡尺度逐渐增大,旋涡中心位置向下游延伸。涡量强度随Re的增加而提高,涡量向下游扩散能力增强,高涡量区变窄。不同高度流层的速度场与涡量场存在差别,体现出三维效应。     

水平轴风力机尾流扩散特性的数值研究

本文采用Fluent软件对半径0.7 m,翼型NACA4415的水平轴风力机的三维非定常尾迹流场进行了大涡模拟(LES)计算,计算结果表明:轴向速度分布相对于尾迹中心不对称,同一风速下,在靠近叶根圆周区域,距离风力机旋转平面2R处风力机轴向速度达到最小,由2R~3R区域逐渐过渡,然后增大最终恢复周围环境速度;而在靠近叶尖的圆周区域,在距风轮旋转平面1R处达到最小值,由1R~2R区域逐渐过渡,最终达到周围环境速度;中心涡对尾流影响的长度要大于叶尖涡对尾流长度的影响。尾流区不仅存在叶尖涡和中心涡,还存在叶片尾缘涡;低风速对尾流长度的影响要小于高风速。     

基于有限差分法刚性圆柱体涡激振动响应特性数值研究

基于尾流振子模型对刚性圆柱体涡激振动响应特性进行数值研究.建立圆柱体结构振子及尾流振子之间的耦合方程,基于二阶精度中心差分格式对耦合模型先离散后迭代进行求解.对不同质量比及不同阻尼比圆柱体涡激振动响应的无量纲位移、无量纲升力、频率比及锁定区间等参数进行分析.结果表明数值方法可以很好地模拟刚性圆柱体的涡激振动响应特性.随着质量比的增加,锁定开始点逐渐延后,锁定结束点逐渐提前,锁定区间宽度逐渐变窄.     

有厚度平板尾缘可压缩剪切层中的涡结构数值模拟

采用一个新型Fu Ma高精度UCD5 SCD6紧致差分算法,通过直接求解二维Navier Stokes方程,成功实现了有厚度平板尾缘可压缩剪切层中涡结构的数值模拟,并考查了平板厚度对其的影响.计算对流马赫数M_c=0.3,平板厚度分别为1,2,3,4个参考长度.结果表明,增加平板厚度可促使平板尾缘可压缩剪切层中的涡提前卷起,有利于两股气流混合.     

大雷诺数下方柱绕流PIV试验及数值模拟

基于风洞试验利用粒子图像测速技术(PIV)研究了大雷诺数(Re=3.42×10~4)下方柱绕流流场,并应用本征正交分解(POD)法分解PIV瞬态速度场,获得了方柱尾流的低阶模态和重构流场结果,研究方柱绕流的流动机理.采用γ-Re_θ和k-ωSST两种湍流模型研究了大雷诺数下方柱尾流的速度分布以及湍动能变化。风洞PIV试验可准确的观测方柱尾流脉动流场,基于POD方法得到的前6阶模态占总能量的78.7%,前6阶模态即可较准确重构流场并捕获流场的主要特征。通过对比,γ-Re_θ模型是较优的湍流模型,可较好地得到尾流的湍动能及其变化规律。     

确定分布的展向Lorentz力调制下的槽道湍流涡结构

采用直接数值模拟方法,对槽道湍流中确定分布的Lorentz力的流动控制与减阻问题进行研究.讨论了Lorentz力作用于槽道湍流后,流场的特性和涡结构的特性,并对此类Lorentz力对槽道湍流的控制与减阻机理进行了讨论.研究发现:1)Lorentz力诱导的层流流场壁面附近存在梯度极大的展向速度剪切层,该剪切层容易形成流向涡结构;2)在给定合适参数的确定分布的Lorentz力作用下,湍流流场仅剩周期分布的准流向涡;3)与未控制流场相比,控制后的流场中,准流向涡的抬升高度大大降低,从而减小猝发强度,使壁面阻力下降.     

热激励器对超音速自由射流流动特性的影响

本文研究热激励器对超音速自由射流流动特性的影响,用S-A湍流模型得到马赫数为1.3的自由射流的准稳态流场,然后用LES方法模拟热激励器的热效应对射流流场不同区域的激励作用。文中讨论了持续式加热和脉动式加热对超音速剪切层涡发展的不同影响。前者通过提高局部区域温度,影响自由射流流场结构和超音速剪切层的涡结构;后者则通过凹槽内的脉动式热效应,产生压力扰动作用于主流场来改变涡的发展特性。     

热激励器对超音速自由射流流动特性的影响EI北大核心CSCD

本文研究热激励器对超音速自由射流流动特性的影响,用S-A湍流模型得到马赫数为1.3的自由射流的准稳态流场,然后用LES方法模拟热激励器的热效应对射流流场不同区域的激励作用。文中讨论了持续式加热和脉动式加热对超音速剪切层涡发展的不同影响。前者通过提高局部区域温度,影响自由射流流场结构和超音速剪切层的涡结构;后者则通过凹槽内的脉动式热效应,产生压力扰动作用于主流场来改变涡的发展特性。     

淹没水射流流场的DES模拟与实验研究

为了深入分析淹没水射流流动特征,综合采用数值模拟和流场测量进行研究。数值模拟应用基于S-A模型的DES方法,并通过圆柱绕流验证数值方法的有效性;流场测量采用粒子图像测速技术。研究表明:采用的数值模拟方案可以准确预测圆柱的升力系数、阻力系数和尾流中旋涡脱落的斯特劳哈数;模拟和实验获得的射流速度沿轴向和径向的衰减规律吻合;模拟获得的射流半值宽度线的斜率小于实验结果,主要是由于对剪切层厚度的预测不足所致;在垂直于射流束横截面上,涡量呈现双峰分布;射流的涡量随着射流发展呈总体衰减趋势。     

Reynolds数22 000的孤立方柱绕流的大涡模拟

方柱绕流是典型的钝体绕流问题,蕴含了丰富的流体力学现象,对这类流动的准确预测面临着诸多挑战.采用自主发展的大涡模拟程序,对来流Mach数M=0.3,Reynolds数Re_D=22 000的绕孤立方柱流动进行了细致模拟,亚格子模型使用动力涡黏模型.对计算结果的分析表明,大涡模拟所得的平均流场及Reynolds应力分布与已有实验数据和直接数值模拟结果均吻合较好,验证了预测结果的可靠性;在此基础上对瞬态流场进行了研究,展示了计算条件下方柱绕流分离转捩及尾迹区旋涡交替脱落形成Karman涡街的全过程,为更细致的流动机理探索奠定了基础.      

基于Omega涡识别方法的诱导轮内非定常空化流动分析

为精确捕捉诱导轮中空化的行为特征并揭示其非定常流动机理,采用大涡模拟(LES)对一凝水泵诱导轮在设计工况、临界空化数下单独进行数值分析。基于Omega涡识别方法,对诱导轮内空化流动的流动结构及空化泡的关系进行研究。结果表明,Omega涡识别技术可以很好反映流动结构(剪切流与旋转流)与空化泡的关系：设计流量、临界空化数下,诱导轮叶片入口附近空化泡主要集中在轮缘附近的回流区内,回流区内部流动主要以剪切流的形式存在;而在流道中的回流区内流动主要以旋转运动为主,且空化泡主要集中在回流区与主流的剪切层区。     

空冷岛扁平管外翅片空间的大涡模拟研究

本文基于计算流体力学软件FLUENT采用大涡模拟方法(LES)及Smagorinsky-lilly亚格子模型,对空冷岛扁平管外翅片空间的流动与换热特性进行了三维瞬态湍流数值模拟。计算结果表明大涡模拟方法能较好地模拟空冷岛扁平管外翅片空间的瞬态流动特性,能够捕获更多的流场细节信息。可得出流场中温度、压力、涡量等各参数的瞬态变化特性以及翅片空间尾流区瞬态三维涡的发展演化过程,更好地预测多尺度湍流。为进一步揭示扁平管温度场和流场的协同关系以及大型空冷系统多尺度输运规律和非线性尺度效应机理打下基础。     

强磁场对突扩管中液态金属剪切层的影响

在聚变堆中,由于强磁场的影响,液态金属流动呈现准二维流动的特征。本文基于SM82模型,对不同磁场强度下突扩管内的流动进行数值研究。计算结果表明,随着磁场强度增大,流动从不稳定状态向稳定状态转变,剪切涡脱落逐渐消失,并伴随着剪切涡纵向尺寸变窄,横向关联尺度变长,剪切层脉动特征频率趋于一致。同时,脱落后的剪切涡与壁面相互作用是影响管道换热的主要因素,随着磁场强度增加,壁面平均努塞尔数逐渐减小,换热效率降低。