二气门汽油机缸内冷态流场的大涡模拟

通过修改发动机多维CFD计算程序KIVA-3V,建立了内燃机缸内冷态流场的大涡模拟(LES)计算模型。利用此模型对二气门汽油机进气与压缩过程中缸内流场进行了详细分析,并与κ-ε、RNGκ-ε模型进行了比较。结果表明与采用κ-ε、RNGκ-ε模型计算时相比,采用LES计算时显示了更为复杂的湍流结构。同时,采用LES计算时除能得到有序的大尺度涡团结构外,还能捕捉到大量不规则的小涡团结构,而采用κ-ε、RNGκ-ε模型进行计算时,基本上捕捉不到不规则的小涡团结构。     

转子发动机流场的测试和数值模拟

为了研究端面进气转子发动机工作过程中缸内气流的运动规律,建立了可视化转子发动机实验台,利用PIV对发动机内部的流场进行了测试。实验结果显示缸体中心截面上存在逆时针涡流结构,测试区域内的气流整体上呈现沿逆时针方向的运动趋势。同时为了进一步解释实验所发现的现象,在FLUENT软件的基础上通过编程实现了三维网格运动并选择了合理的湍流模型,在与实验数据进行对比的基础上建立了可靠的三维动态模拟模型。通过实验和数值模拟相结合的方法研究获得了转子发动机的三维流动机理。     

网格湍流对剪切层中预混火焰结构的影响

本文研究网格湍流对射流剪切层以及建立在其中的预混火焰的影响。利用热线风速仪测量射流的速度场,发现网格湍流使剪切层内湍流强度明显降低,抑制了低频速度脉动,同时增加了湍动能在小尺度脉动上的分配,使湍流更趋于各向同性,这表明网格湍流抑制了剪切层内的大涡和拟序结构。用细丝热电偶测量了火焰温度,结果显示网格湍流使火焰前峰的低频大幅摆动减少,小尺度皱褶增加,火焰区平均温度更高,说明网格湍流有利于剪切层中预混火焰的强化和稳定。     

双侧进气突扩燃烧室中三维湍流有施回流两相流动的数值模拟

双侧进气突扩燃烧室中三维湍流有施回流两相流动的数值模拟周力行，林文漪，廖昌明（清华大学工程力学系北京１０００８４）关键词：湍流两相流，数值模拟为提高整体式冲压发动机双侧进气突扩燃烧室火焰稳定能力，我们提出了进气管内装设有切向导角的中心管。流场显示及Ｌ...     

电磁力控制湍流边界层分离圆柱绕流场特性数值分析

在亚临界区高雷诺数Re=1.4×105下,采用脱体涡模拟结合湍流分离的方法对弱电解质中电磁力作用下湍流边界层分离圆柱绕流场及其升(阻)力特性进行了数值模拟和分析.结果表明,电磁力可以提高圆柱体湍流边界层内的流体动能,延缓圆柱体湍流边界层的流动分离,减弱圆柱体湍流绕流场中在流向和展向上大尺度漩涡的强度,减小圆柱体阻力时均值及其升力脉动幅值.当电磁力作用参数大于某个临界值后,湍流边界层流动分离消失,在圆柱体尾部产生射流现象,从而电磁力对圆柱体产生净推力作用,出现负阻力现象,而且升力脉动幅值接近于零,出现圆柱体升力消失现象.     

“反尖端”界面不稳定性数值计算分析

利用可压缩多介质黏性流动和湍流大涡模拟代码(MVFT),在超算平台上对"反尖端"界面不稳定性及其诱发的湍流混合问题进行了大规模三维数值模拟分析。数值模拟结果清晰地显示了冲击波加载界面后分解产生的冲击波、稀疏波、压缩波及其在SF6气体中的运动和相互作用,以及波多次加载界面的复杂过程,波和界面的每一次作用都会加速湍流混合区的发展和物质混合。"反尖端"界面受冲击波加载后发生反相而形成典型的大尺度壁面气泡和中心轴尖钉结构,该大尺度结构基本确定了湍流混合区的平均几何特征和包络范围而不依赖计算网格。高分辨率的计算网格下,捕捉到了更精细的小尺度湍涡结构和更强的湍流脉动,显示了湍流混合区所具有的复杂结构和特征。     

稳态燃烧室进气过程的大涡模拟

为精确描述燃烧室进气过程中的流场动态特性,本文应用大涡模拟模型对燃烧室稳态进气过程进行三维瞬态数值模拟研究,着重考察了三种不同亚网格模型(SGS)的性能,这三种SGS模型是:代数Smagorinsky模型、动态Smagorinsky模型和单方程动态动能输运模型(LDKEM)。计算结果表明LEDKEM模型和动态Smagorinsky模型均能较好地反映流场的瞬变性和随机性,前者性能最佳;而代数Smagorinsky模型精度较差,且不能模拟流场的微结构。     

湍流边界层拟序结构的大涡模拟研究

采用动力亚格子模型,利用大涡模拟方法模拟了雷诺数为13000的充分发展槽道湍流流动。从瞬时速度和脉动 速度场、脉动速度相关、均方根脉动涡量分布、以及瞬时涡量场等多个方面,对湍流边界层流动的拟序结构进行了分析, 包括近壁区小尺度湍流结构和瞬态过程,如条纹结构、喷射和扫掠过程、以及近壁旋涡结构等。     

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在开源的CFD工具包OpenFOAM环境下开发了基于低磁雷诺数的磁流体湍流数值模拟求解器,对2π×1×1的方管中无磁场湍流和磁流体湍流进行直接数值模拟研究,给出了截面瞬时速度、平均速度的分布,截面对称中心线上的脉动速度的均方根值、湍动能的分布。计算结果表明,外加磁场对磁流体湍流具有抑制作用和并且这种抑制作用具有各向异性。     

三维气固两相混合层湍流拟序结构的直接数值模拟

本文对三维气固两相混合层湍流拟序结构进行了直接数值模拟。气相流场应用拟谱方法对Ｎ－Ｓ方程组进行直接求解,通过模拟时间模式的混合层流动,分析流场失稳后涡的卷起、配对、合并及撕裂过程,研究三维混合层湍流拟序结构的演变特征;计算颗粒场时,采用Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ方法,针对颗粒不同的Ｓｔｏｋｅｓ数,模拟了颗粒场的瞬态分布,并分析流场三维大涡结构对颗粒分布的影响。     

磁流体管流的直接数值模拟研究

在开源的CFD 工具包OpenFOAM 环境下开发了基于低磁雷诺数的磁流体湍流数值模拟求解器,对 2π ×1×1的方管中无磁场湍流和磁流体湍流进行直接数值模拟研究,给出了截面瞬时速度、平均速度的分布,截面对称中心线上的脉动速度的均方根值、湍动能的分布。计算结果表明,外加磁场对磁流体湍流具有抑制作用和并且这种抑制作用具有各向异性。     

二维槽道湍流拟序结构的大涡模拟

本文采用大涡模拟的方法,对二维槽道湍流流动进行了数值模拟。采用Chorin的分步投影法求解大尺度涡运动的Navier-Stokes方程,小尺度涡采用三种亚格子（SGS）模式分别模拟,给出了不同亚格子涡粘性模式下的模拟结果。对固壁面采用了壁函数。模拟结果再现了二维槽道流动拟序结构的发展演变过程。通过对不同入口速度下的瞬态流场的比较,揭示了入口速度分布对流场的影响。     

采用一维湍流模型对瞬态煤粉气化火焰的数值模拟

煤的气化火焰中,湍流脉动与煤颗粒气化过程间存在着强烈的相互作用。为了在全尺度范围内直接模拟这种相互作用,本文采用一维湍流模型(ODT)与煤的气化过程相耦合,在Kolrnogorov尺度下对煤气化火焰区域进行数值模拟,得到了二维平面煤气化火焰的瞬态结构。模拟结果表明,大尺度涡团能够显著改变火焰的结构,并诱发局部小尺度涡团的产生。颗粒粒径决定湍流-气化过程作用的尺度范围,粒径较小的煤颗粒容易受到气体温度和速度脉动的影响,从而改变其运动轨迹和气化反应进程。     

标量湍流的能量传输特性

应用直接数值模拟数据,从标量湍流传输的三波关系出发,进行湍流及标量湍流传输谱的多尺度分析,研究不同尺度间的能量传输性质,证实标量能量的传输与湍动能传输具有不同性质,大尺度速度脉动对标量传输有较大贡献,尤其是与标量小尺度脉动的相互作用,使标量模拟需要有比速度场更高的网格分辨率;并发现标量湍流的能量传输具有明显的非局部性;另外,定义了能量传输系数,发现在相同的Re数和Pe数条件下,标量湍流的对流惯性较速度脉动的惯性子区宽.     

钝体燃烧室热态流场的大涡模拟

对圆盘凸台钝体燃烧室的热态流场进行了大涡模拟,利用PIV实验数据,显示了大涡模拟对平均速度及均方根速度脉动量的预测与实验中的测量值基本吻合,模拟获得的钝体后回流区、钝体边缘存在的切应力层等湍流特征信息也得到了实验验证。采用两种不同亚网格模型的大涡模拟结果与实验对比表明,在流动情况特别复杂的区域,Germano动态亚网格模型对流场,尤其是湍流脉动的预测准确性要高于标准Smagorinsky亚网格模型。     

气固两相圆湍射流颗粒对气相湍流调制的机理分析

对空间发展的气固两相圆湍射流进行了双向耦合的大涡模拟,采用对拖拽力源项扰动进行频谱分析的方法揭示了大小颗粒对气相湍流不同调制规律的物理机制.结果表明:大颗粒的拖拽力源项扰动具有较强的低频特征,其与上游区域以大尺度涡为特征的气相低频特征一致,从而强化了气相湍流,而小颗粒却类似无特征频率的噪声,难以与气相脉动特征发生正向耦合而弱化了气相湍流.     

气动光学效应湍流脉动模型系数修正

以光学窗口的气动光学效应研究为背景,研究影响光学传输预测的流场湍流脉动量预测.选取平板、压缩拐角、凹腔流动模型,采用大涡模拟（LES）方法研究超声速湍流脉动工程预测模型的系数修正.结果表明：LES方法能够获得无激波干扰、强激波干扰及底部大分离条件下,湍流密度脉动的定量分布,并据此给出脉动工程模型的系数修正,结果已经应用于型号飞行器的光学窗口气动光学效应预测.     

横向粗糙元壁面槽道湍流的大涡模拟研究

采用大涡模拟和浸没边界法相结合对不同高度和不同间距横向粗糙元壁面槽道湍流进行了模拟,得到了光滑壁面和粗糙壁面湍流的流向平均速度分布,雷诺剪切应力,脉动速度均方根和近壁区拟序结构。结果发现横向粗糙元降低了流向平均速度,增大了流动阻力,粗糙壁面湍流的雷诺剪切应力大于光滑壁面。粗糙元降低了流向脉动速度,增强了展向和法向脉动速度。粗糙元高度越高,对湍流流动影响越大,而粗糙元间距对湍流统计特性的影响不大。粗糙壁面仍然存在着和光滑壁面类似的条带结构。     

基于FGM的旋流预混燃烧室超大涡模拟

针对航空发动机燃烧室等复杂工程中的预混燃烧问题发展高精度、高效的数值预测方法,本研究发展了火焰面生成流型(FGM)详细化学反应建表方法结合超大涡模拟方法(VLES),对工程中的GE LM6000预混旋流燃烧室燃烧开展了高精度数值研究,并与实验结果进行了比较。计算结果表明,VLES-FGM方法可以较准确地预测出旋流预混燃烧室内的流场及温度场分布。为了进一步模拟航空发动机真实的燃烧工况,对原始单头部燃烧室使用周期性边界条件来类比全环燃烧室。计算结果表明,VLES-FGM方法计算得到的周期性燃烧室流场回流区相比较固壁边界燃烧室较小,并且固壁边界燃烧室温度场具有明显的颈部结构,燃烧室下游的高温区分布更为均匀。本文计算结果表明基于FGM燃烧模型的自适应湍流模拟方法VLES对于模拟复杂航空发动机相关的旋流预混燃烧具有很大的应用潜力。     

基于DDES的透平端区湍流特性和损失机理研究

高负荷透平叶片端区存在多种涡系结构的相互作用和强的非定常特性,以致端区损失可占到叶片通道内总损失的三分之一。本文采用精细的混合RANS/LES方法,研究某高负荷透平动叶端区的湍流特性和损失机理。研究采用湍动能方程方法分析叶片端区流场湍流脉动的主导因素,采用Lumley三角形方法分析叶片通道内不同位置处的湍流特性,应用基于热力学第二定律的熵生成率方法分析端区的损失机理。研究结果可为降低高负荷透平叶片端区损失提供理论指导。