空腔的非定常可压缩过流及相关气动声学问题

使用大涡模拟-声学比拟相结合的方法,研究三维开式空腔的非定常可压缩过流及其相关的气动声学问题.近场的声源流场部分使用大涡模拟,声音向远场的辐射使用Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)声学比拟,建立了适合于开式空腔的全三维计算气动声学预测方法.文中突出了声源采样时间和积分模数的选择问题.     

圆柱空腔内旋转流动中轴对称涡破裂现象的数值模拟

对于上端盖旋转圆柱空腔内旋转流动来说,当流动达到一定条件时,就会出现旋涡破裂现象。目前针对这种现象已经进行了大量的稳态和非稳态实验测量,获得了精确的实验数据。采用数值模拟方法,重现了涡破裂现象及其发生发展过程,同已经发表的相关实验数据进行了比较     

流体机械中高雷诺数流动的大涡模拟

本文应用大涡模拟方法建立了管道流在高雷诺数条件下的数值求解方法，推导了用求和下标所表示的三维控制方程在贴体坐标下的张量形式．应用有限差分法对控制方程进行离散求解，用编制的三维湍流场LES计算程序对方弯管内的流动进行了计算验证．     

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。     

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。     

提升管内稠密气粒两相流动大涡模拟

本文采用双流体模型,引入颗粒动力学理论,对提升管内的稠密气粒两相流动进行了大涡模拟。采用改进的分步投影法对滤波后的方程进行显式求解,小尺度量采用Smagorinsky亚格子模式模拟。模拟结果给出的颗粒相速度分布、浓度分布与实验值基本吻合,气固两相存在速度滑移。模拟结果合理预报出了提升管内的环-核流动结构。     

新型大涡数值模拟亚格子模型及应用

基于湍流大小尺度间动量输运的结构函数方程,提出了一种新的湍流大涡模型(LES)亚格子涡粘模式．新亚格子涡粘系数正比于纵向速度增量的扭率,它表征大小尺度湍流间的能量输运和耗散之比．新模式通过各向同性湍流直接数值模拟数据库的检验,并用于槽道湍流的大涡模拟计算,将所得结果与DNS结果进行了比较．     

超声速三维空腔流气动噪声被动控制

抑制超声速武器舱空腔流噪声是航空领域中一项重要课题。大量研究表明在空腔前缘采用主/被动控制技术可以在一定程度上抑制腔内噪声水平。利用大涡模拟(large eddy simulation, LES)技术计算分析了Mach 1.4开式矩形方腔及波形、弧形两种前后壁几何修形后空腔的流动及噪声, 探索超声速来流条件下几何修形被动控制技术对开式方腔流噪声的抑制能力。计算结果表明波形和弧形空腔对腔内噪声均具有一定的抑制作用, 且波形空腔噪声控制效果更优。分析认为空腔几何修形能够改变空腔上方剪切层及腔内大尺度涡结构的发展演化, 进而实现对腔内噪声的控制。此外, 还应用LES方法计算分析了增厚的来流边界层条件下超声速方腔流, 发现来流边界层增厚可显著降低腔内噪声水平。      

R-T界面不稳定性及湍流混合的大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法研究R-T(Rayleigh Taylor)不稳定性,显示了不稳定发展的小扰动阶段、变形阶段、规则非线性阶段、不规则非线性阶段和湍流混合阶段界面演化与特征,分析了湍流混合层厚度增长的规律,同时还研究了湍流二阶相关量如动量、质量和能量通量在大尺度和亚格子尺度所占分量,验证了LES方法是处理R-T界面不稳定性和湍流混合的一种有效方法.     

矩形腔体流场模拟及噪声研究

用大涡模拟方法对低速湍流引起的矩形腔体内流动进行了模拟,并应用FW-H声学类比方程分析了由流动诱发的气动噪声.数值模拟观察到了涡结构的脱体及腔体内部的自激振荡过程,通过分析得出了由流动诱发噪声的声压-频率曲线.研究发现在流速30 m/s时,流动噪声声压级在60 dB以下,348.48 Hz及其高次谐波是噪声的主要来源,流场与声场表现出耦合关系,辐射声场具有明显的方向性.腔体噪声的风洞实验研究得到了与数值模拟吻合的结果.     

气管支气管树内气流和颗粒运动的大涡模拟

为更精确地描述真实人体呼吸道内的空气流动,明晰颗粒的运动沉积规律,本文从直接医学CT扫描得到的原始数据出发,利用图像辨识技术,重构了一个男性真人气管支气管树前三级的三维几何模型.采用大涡模拟的方法计算了非规则几何曲面结构内的气体流动现象,并在拉格朗日框架下跟踪颗粒的运动规律.数值计算得到了气流场的三维分布,以及颗粒的运动轨迹情况,结果表明现有基于Weibel的对称模型与真实人体的几何结构有较大的差异,而几何结构对流动影响较大;受非对称复杂结构影响,在不同截面的二次气流速度的分布规律不同;分叉后颗粒进入左右支气管的数量有明显的不同.     

空腔靶激光能量沉积的数值模拟

本文采用随机模拟方法和几何光学追踪方法。研究了不同条件下空腔靶中的激光传播光路:采用线性收缩假设,考虑了激光入射时注入孔的堵口问题 激光在等离子体中吸收的物理机制,包括了逆韧致吸收和共振吸收,还考虑了反向布里渊散射对吸收的影响。在此基础上,改变靶的不同尺寸,计算了不同激光入射条件下激光能量在腔内的沉积,并对一些计算结果进行了讨论     

圆孔与侧扩孔气膜冷却的大涡模拟

本文对圆孔和带有侧向扩散出口的侧扩孔气膜冷却进行了大涡模拟计算,对温度场和流场的发展进行了比较和分析.计算结果表明,圆孔形成的成股的冷却射流,与壁面分离明显,使得高温主流被卷席入气膜区域;侧扩孔所形成的冷却气膜没有脱离壁面,并且通过两侧的小股冷却气膜扩宽了横向扩散,可以很好地将高温主流排挤到气膜的两侧,因此可以获得更好的冷却保护效果.     

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。     

气泡-液体闭式多股射流的大涡模拟研究

采用气泡-液体两相流动的欧拉-拉氏大涡模拟,研究了矩形通道内多股射流形成的气泡-液体两相湍流流动,得到了气液两相湍流瞬态结构,产生和发展过程。研究结果发现气泡和液体都有瞬态大涡结构,气泡脉动比液体的强。大涡模拟统计结果给出了有无气泡两种情况下的液体湍流脉动速度均方根值分布。瞬态和统计结果都表明,气泡增大了液体湍流,液体湍流来源于其自身的剪切产生和气泡的作用。这与二阶矩模型模拟结果定性一致。     

三维槽道两相流颗粒运动的大涡模拟

利用基于动态粘性亚网格模型的大涡模拟方法,分别模拟了Reτ=180的三维槽道湍流内的三种颗粒,以及Reτ分别为180和395时的塑料颗粒的运动状况。其中气相控制方程的求解采用分步投影方法,泊松方程采用基于FFT的快速求解,颗粒的拉氏控制方程采用二阶龙格-库塔积分．模拟统计得到了流体和颗粒的平均速度、脉动速度等,不同的颗粒在流场中(特别是近壁区)表现出来了不同的行为,并再现了颗粒在壁面附近局部富集的现象．随Reτ提高,颗粒各方向上的速度脉动都有所增强．     

恒热流加热开口腔自然对流的可视化实验和数值模拟

本文采用激光全息干涉和激光片光照射烟可视化方法获得了恒热流加热的二维开口腔自然对流问题的温度场和流场,并进行了数值分析.实验结果与数值模拟结果吻合.数值计算表明方腔内流体的流通量与Ra*和深高比B有关,当Ra*＞104时随深高比B增加流通量增加;B×Nu与深高比B呈线性关系.利用B×Nu与深高比B的线性关系,通过引入当量导热系数λc,本文还给出了加热壁面的平均温度的简单计算方法.     

射流温度场与拟序结构间相互作用的大涡模拟

本文分别对常温空气和高温空气的平面自由射流进行了大涡模拟,采用分步投影法求解动量方程,亚格子项采用标准Ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ亚格子模式模拟,并同时求解了标志物输运方程以实现数值流场显示。模拟结果给出了湍流的瞬态发展过程以及流动中拟序结构的发展演变过程,通过对常温射流和高温射流瞬态流场的比较揭示了射流中温度场与拟序结构间相互作用的细节过程。