各向同性湍流中颗粒引起湍流变动的直接模拟

本文通过直接数值模拟对均匀各向同性湍流中颗粒对湍流的变动作用进行了研究.颗粒相的体积分数很小而质量载荷足够大,以至于颗粒之间的相互作用可以忽略不计,而重点考虑颗粒与湍流间能量的交换。颗粒对湍流的反向作用使得湍动能的耗散率增强,以至于湍动能的衰减速率增大.湍动能的衰减速率随颗粒惯性的增大而增大。三维湍动能谱显示,颗粒对湍动能的影响在不同的尺度上是不均匀的。在低波数段,流体带动颗粒,而高波数段则相反.     

两相圆湍射流大颗粒调制作用的PDPA实验研究

采用相多普勒颗粒分析仪(PDPA)测量了雷诺数为8500的两相圆湍射流速度场,研究了两种大粒径颗粒对湍流的调制作用.发现在相同气载比条件下,大粒径颗粒加入后,在射流近场区域(X/D<10)气相湍流度增强,沿着射流中心轴线轴向和径向气相湍流度增强;较小粒径颗粒加入后削弱气相湍流度.在射流远场X/D=20截面,较大粒径颗粒的加入会削弱气相湍流度,但其削弱程度不如小粒径颗粒.随着粒径的增大,两相射流湍流的气相湍流度进一步增加.     

展向旋转平面库埃特湍流瞬时场的五分解方法

展向旋转平面库埃特湍流是旋转系统下壁湍流研究的经典问题,并且此湍流问题中的大尺度涡卷(roll cells)结构也受到广泛关注.本文采用五分解方法将存在二次流的瞬时场分解为五部分,包括平均流场、二次流场的流向和横向部分以及剩余场的流向和横向部分.通过五分解法,可以掌握湍动能各分量在能量平衡和能量传递方面的重要机制.研究结果表明:二次流和剩余场的流向运动(横向运动)是通过二次流涡量与剩余场剪应力相关项进行能量传递,二次流(剩余场)的流向运动和横向运动之间是通过旋转项进行能量传递;此外,剩余场的流向和横向运动之间还通过压力与应变率相关的再分配项进行能量传递;对于剩余场流向部分,在一定的旋转强度范围内,通过二次流涡量与剩余场剪应力相关项从二次流流向部分获取的能量大于从平均流获取的能量,说明二次流流向运动对剩余场流向运动有很大影响.     

基于POD方法的湍流大尺度信息提取与分析

本文用正交分解(POD)方法对径向旋转方通道内直接数值模拟得到的湍流数据进行处理得到了湍流大尺度结构和POD模态的能量分布。对于不同的工况,文中均采用了200个具有相同时间间隔的湍流瞬时主流速度场作为样本。为研究浮升力对湍流大尺度结构的影响及POD模态的能量分布,对四个不同格拉晓芙数Gr_τ下的主流速度场进行了POD处理和分析。结果表明:湍流大尺度结构主要集中在通道的非稳定壁面(y=0)附近和侧壁面附近,随着格拉晓芙数的增加湍动能分布于更多的模态中。     

考虑颗粒碰撞的三维混合层直接数值模拟

为了更细致地考察两相流动中颗粒间的碰撞现象及颗粒碰撞对颗粒相、流体相产生的具体影响,本文在双向耦合、颗粒St=3、满质量载荷工况下对气固两相三维平面混合层流场进行了直接数值模拟。其中对颗粒跟踪采用Lagrangian方法,颗粒间的碰撞采用硬球模型。数值结果表明:考虑了颗粒间的碰撞后,在流场发展末期,颗粒分布得更加均匀,流体相相互混合程度提高,两相平均流向速度降低,湍动能增强。     

等腰三角形湍流射流的流动特性实验研究

对喷嘴等效直径相同出口Reynolds数均为15000的3种等腰三角形（顶角分别为30,60和90°）以及圆形孔口射流进行了流场显示与速度场测量.结果表明:相比于圆形射流,等腰三角形射流的出口中心线速度衰减更快,湍流度更高,三角形射流卷吸周围流体能力显著增强.随着三角形顶角减小,近场区涡结构三维性更强,卷吸效果更明显.此外,对不同射流的中心线湍动能谱概率密度函数Taylor尺度和Kolmogorov尺度进行了分析讨论,发现出口形状对湍流小尺度运动的影响较小.      

突扩燃烧室中气-固两相湍流相互作用与颗粒弥散的数值模拟

一、前言 突扩流动中流体和颗粒的湍流相互作用对流动、燃料与空气的混合和燃烧效率影响很大。文献[2]的测量表明:在大突扩比,即小的R_1/R_2(R_1为进口半径,R_2为燃烧室半径)下,在近壁回流区中,颗粒湍流度大于气相,在正流区中小于气相;在其它两种突扩比,即较小突扩比下,在回流区中颗粒相的湍动能小于气相。这些测量结果不能用轨道模型或基     

三维颗粒有序列阵多孔介质湍流方程改进研究

本文首先对三维颗粒有序列阵孔隙单元内的湍流特性进行数值研究,并在此基础上采用体积平均方法对多孔介质宏观湍流方程进行改进。结果表明:三维颗粒有序列阵内的湍流特性与二维棒束模型存在较大差异,在相同雷诺数及孔隙率下,颗粒有序列阵多孔介质内由颗粒骨架导致的宏观湍动能及耗散率附加净产生项明显偏低;传统基于二维棒束模型得到的多孔介质宏观湍流模型(N-K模型)高估了湍流方程中k_∞/|V_D|~2和ε~∞H/|V_D|~3项的值,本文对此进行了修正和改进。     

圆管突扩气固两相流动湍流变动研究

采用PDA测量竖直向下圆管突扩流动中的气相与颗粒相运动参数,研究了小颗粒(55.2μm)、低雷诺数(1.98×10~4)的稀疏流动中湍流变动的规律。结果表明,在主流区和回流区中,颗粒均削弱气相脉动,而在下游则出现增强的现象,这是由于颗粒延缓了突扩流动的发展所致.在入口段的壁面剪切区域,湍流削弱幅度与平均速度梯度呈线性关系;由于壁面的限制,回流区内的剪切作用沿流动方向逐渐增强,使得相应的各横截面内气相脉动的最大值基本保持不变,同时整体脉动程度增强.     

横向磁场作用下Taylor-Couette湍流流动的大涡模拟

采用大涡模拟方法对横向磁场作用下导电流体Taylor-Couette湍流流动进行数值模拟,以研究其运动规律.计算模型为无限长度,半径比为1/2.雷诺数分别选取为3000和5000,磁场加载方式为全局磁场,哈特曼数取值0—50.对磁场作用下泰勒涡的演化过程、速度分布和湍动能分布进行分析,并与轴向磁场作用下泰勒涡演化过程进行对比.结果表明:磁场对流场有显著的抑制作用,扭曲的泰勒涡在横向磁场的作用下破裂成小尺度涡结构,并沿磁场方向排列;在外圆筒和垂直于磁场方向的区域,磁场抑制效果较强;随着雷诺数的增加,磁场抑制效果减弱,在流场不同区域,流动呈现出不同的特点.与轴向磁场相比,横向磁场对流场的抑制效果较弱,流场分布呈现出明显的各向异性.     

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。     

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.     

三维湍流气粒两相流的k—ε—k_p模型

本文用气粒两相流双流体模型,气相湍流的k-ε模型及颗粒湍能k_p输运方程模型,即k-ε-k_p模型,对大速差射流燃烧室内三维回流湍流气粒两相流动进行了模拟,给出了各纵剖面内气相及颗粒时均轴向速度分布、气粒两相各自的湍流强度分布、颗粒轴向质量流分布及各横截面内气粒两相时均周向速度分布。预报结果与激光多普勒仪测量结果定性上类似,特别是正确地预示出实验中观测到的流场某些区域内颗粒湍流度大于气相湍流度的现象,又一次表明,全面计及颗粒湍能输运过程的模型比经典的局部追随的颗粒湍能代数模型更合理。     

二维U型弯管流动中湍流模型的性能研究

采用FLUENT中8个湍流模型以及曲率修正后的模型对U型弯管中的二维流动进行了模拟,详细对比了两个雷诺数10~5和10~6下速度、湍动能、湍流剪切应力、摩擦系数和静压力系数的实验和模拟结果。研究发现,当Re=10~5,Realizable k-ε模型、Spalart-Allmaras模型、RNG k-ε模型能准确模拟出流动分离的位置;当Re=10~6,所有模型预测到的分离位置都滞后。曲率修正对SKE以外的湍流模型预测性能基本上没有改善;SKE模型对曲率修正的影响最为敏感,对速度、湍动能、内壁面处的摩擦系数的模拟结果都有一定的改善。     

平板通道内充分发展湍流直接数值模拟

采用有限差分法对平板通道内充分发展湍流进行了直接模拟(DNS),Reτ=150,网格数64×64×64。得到了湍流脉动速度沿y 分布的等值线图,分析了近壁面脉动特性研究的重要性,为理解湍流物理机制提供数据。获得了雷诺应力的变化、雷诺应力输运方程中各项的平衡关系以及湍动能方程中各项的变化曲线,为进一步评价和改进湍流模式提供依据。     

Gamma-gamma海洋各向异性湍流下脉冲位置调制无线光通信的误码率研究

采用脉冲位置调制(pulse position modulation, PPM)的水下激光通信系统模型,根据弱大气湍流球面波闪烁指数与弱海洋湍流球面波闪烁指数相等的关系,推导出海洋湍流参数和各向异性因子表示的结构参数,利用该结构参数结合已有大气湍流中的平均光功率公式,计算各向异性海洋湍流的平均光功率;此外,基于PPM通信系统误码率(bit error rate, BER)公式、gamma-gamma湍流信道和渐近Rytov理论,数值模拟研究了在不同的各向异性海洋湍流下,海洋湍流参数、平均雪崩光电二极管(avalanche photodiode, APD)增益、PPM调制阶数M、数据比特率对误码率的影响.结果表明,随着温度与盐度对功率谱变化贡献之比、温度方差耗散率和比特率的增加,误码率增大;当黏度系数增加时,误码率减小;但是随着平均APD增益的增加,误码率先减小后增大;当海洋湍流各向异性增大到一定程度时,误码率并不随着湍流动能耗散率的增加而一直减小;海洋湍流的各向异性因子越强,误码率越小.     

平面倾斜冲击射流场的数值分析

采用SIMPLE算法和RNGk-ε湍流模型,对平面射流倾斜冲击平板的半封闭空间内的流场进行了数值分析。针对喷口宽度B=10mm、冲击高度H=2B和射流雷诺数Re=20000的流场,分别得到了三种射流倾角下的速度、流函数、压力和湍动能分布。计算结果表明,射流倾角的变化对流场结构具有显著的影响。当倾角减小时,左侧回流区变小,而右侧回流区变大,最大压力区和最大湍动能区都随着滞止点的左移向流场的左侧移动。     

基于大涡模拟的小型转子发动机缸内湍流研究

本文应用大涡模拟的方法对小型转子发动机的缸内流场进行了三维数值分析,分别从拟序结构、湍流脉动和湍动能三个方面研究小型转子发动机缸内的瞬态湍流特征。计算结果表明,大涡模拟结合Q准则可以有效的识别小型转子发动机缸内流场的大尺度拟序结构。进气过程中高强度的涡团主要分布于燃烧室的前部和后部,压缩过程中高强度的涡团分布从燃烧室中部向后部转移。湍流在垂直于转子截面上的法向脉动最为剧烈,其中中部区域的剧烈程度远高于两侧。湍流在平行于前后端面的截面上的法向脉动最弱,没有明显的波动。从进气口打开到压缩上止点期间,缸内亚网格湍动能和平均气流速度出现两次明显的峰值,这分别与进气能量和大尺度涡团的破碎有直接的关系。     

κ-ε湍流模型可压缩性修正在超音速混合层中的应用研究

对标准κ-ε两方程湍流模型进行Durbin可实现性、Heinz湍流产生项以及Sarkar可压缩性修正三部分修正.尝试考虑结构可压缩性修正的影响,发展了一个同时考虑结构可压缩性修正和膨胀可压缩性修正的湍流模型.以超音速混合层为基础,分析了各个可压缩性修正的相对重要性,并将混合层厚度增长率、湍流动能的计算结果与实验结果进行比较,验证、分析修正模型的效果.结果表明,修正模型能够准确地预测到超音速混合层的发展,使模拟结果和实验结果更加接近.     

高聚物减阻溶液对壁湍流输运过程的影响

基于相同雷诺数下清水和高分子聚合物溶液壁湍流的高时间分辨率粒子图像测速技术(time-resolved particle image velocimetry, TRPIV)的对比实验, 从高聚物溶液对湍流边界层动量能量输运影响的角度分析其减阻的机理. 对比两者的雷诺应力发现高聚物的存在抑制了湍流输运过程. 这一影响与高聚物对壁湍流中占主导地位的涡旋运动和低速条带等相干结构的作用密切相关. 运用条件相位平均、相关函数和线性随机估计(linear stochastic estimation, LSE)等方法, 分析提取了高聚物溶液流场中的发卡涡和发卡涡包等典型相干结构的空间拓扑形态. 相比于清水, 高聚物溶液中相干结构的流向尺度增大, 涡旋运动的发展及低速流体喷射的强度受到削弱, 表明了添加的高聚物阻碍了湍流原有的能量传递和自维持的机理. 正是通过影响相干结构, 高聚物抑制了湍流边界层中近壁区与外区之间的动量和能量输运, 使得湍流的无序性降低, 从而减小了湍流流动的阻力.