湍流燃烧大涡模拟的最近研究进展

本文对湍流燃烧大涡模拟(LES)的最近国内外研究进展,各种亚网格燃烧模型的主要特点和应用效果,包括作者所在的研究组取得的研究成果,进行了论述,指出了今后燃烧LES研究应当加强的方向。     

贴体坐标系下模型加力室的大涡模拟

本文利用贴体网格对带V形槽稳定器模型加力燃烧室素流化学反应流流动进行大涡模拟的研究。采用区域法生成模型加力燃烧室的二维贴体网格,并采用多区域耦合法进行区域之间的数据传递,求解加力室整体流场。采用k方程亚网格尺度模型和亚网格EBU燃烧模型分别估算其亚网格紊流粘性和化学反应速率,用热通量辐射模型估算辐射通量,并用交错网格下SIMPLE算法和混合差分格式求解离散方程,壁面函数处理固壁边界条件。计算结果显示了稳定器后面的回流区气流结构,所得的热态流场模拟结果与实验比较吻合,表明采用贴体网格对模型加力燃烧室进行大涡模拟能真实反映流体流动及燃烧过程。     

尺度自适应模拟和大涡模拟的关联性分析

采用理论分析和数值模拟相结合的方法,系统研究了尺度自适应模拟（scale-adaptive simulation,SAS）和大涡模拟（large-eddy simulation,LES）的关联性问题.在理论分析方面,对比分析了系综平均和滤波的定义、Spalart-Allmaras（SA）湍流模型和动态亚格子（subgrid-scale,SGS）模型关于湍流黏性系数的求解方式.理论分析结果表明,系综平均等价于盒式直接滤波,SAS和LES的控制方程在数学形式上具有一致性;SAS存在过多的湍流耗散,主要来自于SA输运方程中的扩散项.在数值模拟方面,选取来流Mach数0.55,Reynolds数2×105的圆柱可压缩绕流为分析算例.计算结果表明,SAS和LES预测的大尺度平均流场信息几乎一致,SAS预测的湍流脉动信息略低于LES.SAS在圆柱近尾迹区的湍流耗散过大,而在稍远的尾迹区几乎能够完全等效于LES.      

加力燃烧室热态流场的大涡模拟

本文采用k方程亚网格尺度模型对带V形槽稳定器模型加力燃烧室紊流化学反应流进行大涡模拟的研究,采用亚网格EBU燃烧模型估算化学反应速率,用热通量辐射模型估算辐射通量。数值计算表明,在稳定器后面开始在短时间内出现涡的交替脱落和逐渐消失过程,然后形成稳定的回流区,数值计算结果与实验比较吻合,表明可用大涡模拟研究实际燃烧室瞬态燃烧流场。     

不同亚格子模式在后台阶湍流流动大涡模拟中的应用

本文用大涡模拟方法研究了湍流后台阶流场中的大涡演变过程,并在此基础上研究了目前大涡模拟中比较常用的六种亚格子模式。在相同的流动几何参数以及计算条件下,给出了不同亚格子模式下湍流流动瞬时压力场以及流场中瞬时粘性大小的分布,尤其给出了流场瞬时演变的大尺度涡结构。将六种亚格子模式从回流区长度、计算时间、计算结果的准确性和流场稳定性等不同角度进行了比较。为选取合适的亚格子模式深入研究湍流耗散机理奠定了基础。     

基于Lattice Boltzmann方法的圆柱绕流大涡模拟

Lattice Boltzmann(LB)方法是近年来出现的一种流体计算的新方法,在流体力学及相关领域取得了很大的成功。但LB方法在模拟湍流流动时常常引起计算的不稳定。本文基于一种结合大涡模型的LB方法对圆柱绕流问题进行的模拟,并与其他文献的实验结果和计算结果进行对比。计算表明:这种混合LB方法能获得比较满意的结果。     

壁面在展向作周期运动的槽道湍流的大涡模拟

分别采用3种亚格子模式:传统的Smagorinsky模式、动力Smagorinsky模式和Cui(2004)基于Kolmogorov方程所提出的新模式,对壁面在展向作周期运动的槽道湍流进行了大涡模拟,以考察这3种模式对平均运动为三维、非定常的湍流流动的模拟能力.通过对湍流基本统计量的分析,发现动力模式和新模式都可以较好地预测这种三维非定常的湍流流动;对相位平均的湍流统计量,动力模式的结果略优于新模式;传统的Smagorinsky模式对这种流动的预测结果是最差的.     

喷孔内流对射流初始扰动影响的大涡模拟研究

本文利用大涡模拟方法对喷孔内流和近喷孔区域的燃油雾化过程进行数值模拟研究。为了能更加准确地模拟喷孔内流,本文根据实际喷油器结构设定了计算域,能够考虑针阀、油囊和喷孔结构对喷孔内流的影响。结果表明:在考虑了具体的喷油器结构参数情况下,采用气液两相流大涡模拟能够获得与实验非常接近的喷束结构;喷孔内流的非轴对称分布是引起射流非轴对称型扰动的原因;这种非轴对称扰动使喷束变为非轴对称结构。结果还显示这种非轴对称扰动具有远大于表面波的振幅和波长。     

低阶格式在大涡模拟计算中的适用性

采用三维Taylor-Green涡作为研究对象,利用工程中常用的低阶数值格式,研究格式本身的数值误差对大涡模拟计算的影响.结果表明:三种数值格式的数值耗散行为都与亚格子模型行为类似,即在小雷诺数下,流场比较光滑时,耗散很小,当雷诺数增加,流动转捩为湍流,流场梯度增大,耗散显著增大.对于MUSCL格式和二阶有界中心格式,在高雷诺数下,亚格子尺度模型没有明显改善计算结果,但也没有使计算结果恶化.中心格式相比其它两种格式,数值耗散最小,但是在高雷诺数湍流情况下,中心格式的数值耗散仍然主导了能量的耗散,再添加亚格子模型,计算结果反而变得稍差.对于工程中的低阶格式而言,采用中心格式计算大涡模拟是比较好的选择,而且在计算不存在稳定性问题时,采用不添加亚格子模型的隐式大涡模拟效果更好.     

双大涡模拟方法模拟提升管内气固两相流动

基于Smagorinsky涡黏模型以及颗粒动理学理论,建立了气固两相流双大涡模拟模型。考虑大涡模拟中过滤尺度的影响,给出颗粒相亚格子压力和热传导系数计算模型。考虑颗粒聚团对两相作用的影响,给出了考虑颗粒聚团作用的气固两相多尺度曳力系数模型。数值模拟了提升管内气固两相流动特性,合理地预测出了提升管内气固两相环-核流动结构。模拟结果与Knowlton等实测结果相吻合。     

基于FGM的湍流射流扩散火焰超大涡模拟

为了研究超大涡模拟(VLES)预测湍流燃烧问题的能力,本文采用VLES结合基于假定概率密度函数的火焰面生成流型(FGM)建表湍流燃烧模型对值班甲烷/空气湍流射流扩散火焰(Sandia Flame D)开展了高精度数值研究,并与实验结果进行了详细比较.结果表明本文发展的VLES-FGM方法可以较准确地预测出湍流射流扩散火...     

风电场的大涡数值模拟

本研究小组开发了一个应用于风电场微观选址的大涡数值模拟程序,本文介绍了利用该程序分别模拟气流通过方柱、半圆柱和半球等障碍物的流场,并通过比较一段时间内非稳态流场的模拟平均值与实验测量结果,检验了程序的准确性和精确度,同时对模拟结果和实验结果进行了误差分析。     

各向同性紊流能量衰减的大涡模拟

在多重网格驱动的,高效且得到充分验证的有限体积方法的基础上发展了可压缩流大涡模拟的方法.空间离散采用Jameson的中心格式附加二阶和四阶耗散的方法,时间推进则采用了双时间步长的方法.亚格子剪切应力张量和亚格子热通量用Smagorinsky模型进行模拟.通过对各向同性紊流能量衰减的模拟来验证本方法的准确性和高效性,模拟得到的能量谱和紊流动能衰减历程与过滤后的CBC实验数据吻合良好.     

方柱绕流大涡模拟

采用有限体/有限元混合格式、非结构网格和大涡模拟方法求解可压缩的N-S方程,对Re=22 000的方柱绕流进行数值模拟,并对不同的边界条件进行详细的分析比较.通过对以往研究经验的总结和利用精细的边界条件,使得采用二阶精度的数值格式和较稀疏的网格仍然得到了令人满意的计算结果,甚至优于以往采用密网格的模拟结果.     

后台阶气固两相流动的大涡模拟

本文基于开源计算流体力学软件OpenFOAM,开发了气固两相流动双向耦合求解器,并对Re=13800、颗粒直径为150μm的玻璃球的后台阶两相流动进行了计算。其中气相采用大涡模拟方法,用盒式过滤函数对流体相控制方程过滤求解。颗粒相采用拉格朗日方法对颗粒进行跟踪。将计算结果和实验数据进行对比,以此来检验颗粒受力计算模型和亚格子气固两相求解器的准确性。     

Large eddy simulations of a circular orifice jet with and without a cross-sectional exit plate

The effect of a cross-sectional exit plane on the downstream mixing characteristics of a circular turbulent jet is in- vestigated using large eddy simulation （LES）. The turbulent jet is issued from an orifice-type nozzle at an exit Reynolds number of 5 ×104. Both instantaneous and statistical velocity fields of the jet are provided. Results show that the rates of the mean velocity decay and jet spread are both higher in the case with the exit plate than without it. The existence of the plate is found to increase the downstream entrainment rate by about 10% on average over the axial range of 8-30de （exit diameter）. Also, the presence of the plate enables the formation of vortex rings to occur further downstream by 0.5-1 .Ode. A physical insight into the near-field jet is provided to explain the importance of the boundary conditions in the evolution of a turbulent jet. In addition, a method of using the decay of the centreline velocity and the half-width of the jet to calculate the entrainment rate is proposed.     

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。