视密度加权的时平均统一二阶矩两相湍流模型

在气粒两相湍流的双流体模型中,颗粒相的视（表观）密度是有脉动的,在时平均的统一二阶矩（USM）模型中出现了和颗粒数密度或视密度脉动有关的项和方程,使模型方程比较复杂。实际上,用LDV或PDPA测量的流体（用小颗粒代表）和颗粒速度都是颗粒数加权平均的结果。因此,在视密度加权平均基础上推导两相湍流模型更为合理。通过推导和封闭了视密度加权平均的统一二阶矩模型（MUSM）方程组,改进了两相速度脉动关联的封闭,并引入了颗粒遇到的气体脉动速度及其输运方程。MUSM模型可以减少所用方程数,节省计算量。视密度加权平均的统一二阶矩两相湍流模型是一种对原有时间平均的统一二阶矩模型和改进和发展。     

二阶矩两相湍流模型中的改进算法

建立了融合SIMPLEC算法在内的考虑了浓度修正影响的颗粒压力修正方程。提出了二阶矩湍流模型下考虑浓度修正值影响的两相湍流流动的算法,并将它和没有考虑浓度修正值影响的二阶矩湍流模型进行了对照。结果表明在二阶矩模型中是否考虑浓度修正影响会不同程度地影响流场的速度以及浓度等参数分布,考虑浓度修正影响的二阶矩湍流模型更能有效地预测稠密两相湍流流动。     

可压缩均匀剪切湍流的二阶矩模拟

基于对可压缩湍流中脉动压力场和脉动速度场特征的理论分析以及ＤＮＳ结果,建立了可均匀剪切湍流中压力－变形率关联的压缩性修正模式,应用这个模式,加上Ｓａｒｋａｒ等建立的脉动体胀率项（ｄｉｌａｔａｔｉｏｎａｌ ｔｅｒｍｓ）的模式,预测可压缩均匀剪切湍流随时间的发展,所得雷诺应力各是性张量的平衡值与Ｂｌａｉｓｄｅｌｌ等的ＤＮＳ数据非常一致。这个模式准确地预测出均匀剪切湍流中压缩性导致的雷诺应力结构的“流向     

环形通道内湍流旋流流动的数值模拟

本文应用一种考虑湍流－旋流相互作用及湍流脉动各向异性的新的代数Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力模型,对环形通道内的湍流旋流流动进行了数值模拟,研究了改主为旋流流数,进口轴向速度及半径比等参数对环形通道内湍流流动的影响,以及对强化环形通道内传热的作用。     

不同参数下环形通道内湍流旋流流动的模拟

应用一种合理考虑湍流一旋流相互作用及湍流脉动各向异性的新的代数ＲｅｙｎｏｌｄＳ应力模型,对环形通道内的湍流旋流流动进行了数值模拟．研究了旋流数、进口轴向速度和内外半径比等参数对环形通道内湍流旋流流动的影响,以及由此产生的流场变化对强化环形通道内传热的作用．     

强旋湍流气粒两相流动的PDPA研究

采用相多普勒颗粒分析仪（ＰＤＰＡ）对切向进气，轴向缩口出口的旋风筒内强旋单相和气粒两相流动进行了实验研究，给出了强旋流场中，两相湍流的运动及相互作用规律     

强旋湍流气－固两相流动的颗粒随机轨道法模拟

应用颗粒随机轨道模型，并与一种新的代数Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力模型相结合，对新型煤粉涡旋燃烧炉内强旋湍流气。固两相流动进行了数值模拟。得到了与实验相符合的颗粒相密度分布和质量流分布。计算结果表明，在涡旋燃烧炉内的强旋湍流流场中，外壁附近颗粒浓度最高，颗粒停留时间加长，气－固两相间滑移速度增大。     

强旋湍流气－固两相流动的颗粒随机轨道法模拟

应用颗粒随机轨道模型，并与一种新的代数Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力模型相结合，对新型煤粉涡旋燃烧炉内强旋湍流气。固两相流动进行了数值模拟。得到了与实验相符合的颗粒相密度分布和质量流分布。计算结果表明，在涡旋燃烧炉内的强旋湍流流场中，外壁附近颗粒浓度最高，颗粒停留时间加长，气－固两相间滑移速度增大。     

密相液固两相湍流流动研究

在ＩＰＳＡＲ算法基础上推导了适用于考虑液度变化影响的密相液固两相湍流流动数值计算的ＤＩＰＳＡＲ算法，并采用低雷诺数模型，对竖直上升管中密相液固两相湍流分别采用ＩＰＳＡＲ算法和ＤＩＰＳＡＲ算法进行了数值计算，计算值与实测值较符合，计算结果的比较表明ＤＩＰＳＡＲ算法能更有效地预测密相液固两相湍流流动     

管内湍流旋流的数值计算

本文用有限差分法对直管内的湍流旋流进行了数值模拟。计算中采用Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ湍流涡粘性假设的基本思想和Ｋ－ε双方程模型来求解雷诺应力各分量。为了反映旋流中湍流转输的非均匀性和各向异性特征，对雷诺应力各分量及与之相主尖的各湍流粘性系数分别进行计算。计算结果表明该模型能较好地反映直管内湍流旋流的流动结构。     

关于无振荡、无自由参数有限元格式的研究

利用双曲守恒律方程的Ｔａｙｌｏｒ弱解表达式，建立了有限元法修正方程，选择合适的展开式系数能得到一系列数值格式．通过稳定性分析研究了格式的稳定性、色散误差与有限元修正方程导数项系数之间的关系，该关系与差分法的ＮＮＤ格式一致．在选定格式下，通过ＣＦＬ数可控制有限元离散解的振荡而使格式不含自由参数．最后，用数值算例验证了这一关系，并在二、三维欧拉方程作了推广应用．     

基于滑移速度壁模型的复杂边界湍流大涡模拟

采用滑移速度壁模型实现了浸入边界方法与壁模型相结合的大涡模拟.本文首先分别采用平衡层模型和非平衡壁模型对周期山状流进行数值模拟,以考查在壁模型中考虑切向压力梯度的作用.数值结果表明,流场的压力对本文所采用的壁模型形式并不敏感,但是考虑切向压力梯度可以显著改进壁面摩擦力的计算结果,并且能够准确的预测强压力梯度区以及分离区内的流动平均统计特性.不考虑压力梯度效应的平衡层模型显著低估了壁面摩擦力的分布,同时无法准确预测分离区内的平均速度剖面.非平衡模型的修正项正比于切向压力梯度和壁面法向距离,因此在强压力梯度区或者网格较粗时,计算得到的平均压力和摩擦力分布以及流动的低阶统计量均与参考的实验和计算结果吻合.在此基础上,通过回转体绕流的大涡模拟考查了该方法用于模拟高雷诺数壁湍流的适用性,非平衡壁模型可以准确地捕捉流动的物理结构并较准确地预测其水动力学特性.结果表明,将浸入边界方法与非平衡滑移速度壁模型相结合的大涡模拟,有望成为数值模拟复杂边界高雷诺数壁湍流的工具.      

激励小尺度模式在湍流圆管射流中的应用

采用非涡黏性的激励小尺度（Stimulated Small Scale)模式对空间发展的轴对称湍流圆管射流进行了大涡模拟。以雷诺数为10000的流动为例,考证了激励小尺度模式在自由剪切流模拟中的可行性,描述了湍流强度、雷诺应力和湍流耗散量的变化,同时与标准的Smagorinsky涡黏性模式的计算结果进行了比较。数值结果显示,激励小尺度模式能够更为合理地描述湍流的耗散特性和能量传输特性,从而较为准确地展示出空间发展射流中由于流动不稳定而出现的旋涡产生、发展、破碎及合并等过程。     

基于碰撞模型的斜坡滚石颗粒速度预测

滑坡滚石灾害是西部山区常见的地质灾害类型,具有突发性和随机性强的特点,是山区地质灾害预测和防治工作的重点和难点. 本文基于颗粒接触理论,考虑影响斜坡滚石碰撞过程中的随机因素,建立了用于预测斜坡滚石颗粒碰撞后速度的理论模型. 根据冲量及冲量矩定理建立滚石颗粒碰撞基本方程,得到斜坡滚石颗粒碰撞后反弹速度的解析解. 结果表明:斜坡滚石碰撞后反弹速度的解析解包含了坡角、坡体上被碰颗粒速度以及角度、入射速度和角度以及撞击角度等随机因素;当考虑入射滚石颗粒与坡体上被碰颗粒的撞击角度变化时,模型预测结果与试验结果吻合较好;本文进一步预测了滚石颗粒碰撞后颗粒反弹线速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布情况. 结果显示,反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布均服从高斯分布;当坡体上被碰颗粒速度和坡角发生变化时,其对反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度概率分布定性上没有影响,但是对概率分布的中心参数有显著影响.      

再悬浮底泥中非吸附性污染物释放的数值模拟

环境水动力学中, 湖库底泥中污染物释放是人们研究的主要问题之一. 在水动力学条件作用下, 污染底泥再悬浮使大量污染物被重新释放出来, 造成水体的二次污染. 本文基于水槽实验研究提供的大量实测数据, 建立上覆水体-底泥-污染物的耦合力学模型. 在上覆水体不同流速条件下, 数值模拟底泥起动再悬浮过程以及污染物释放过程. 分析流场特性和污染物浓度之间的关系, 得到速度、颗粒体积分数、污染物浓度、湍动能以及时间等参数之间的定量关系. 研究表明, 底泥再悬浮污染物释放过程, 是由上覆水体-底泥-污染物构成的耦合过程. 迅速进入上覆水体的底泥颗粒, 影响了上覆水体流动特性, 进而影响到污染物的释放. 对于非吸附性污染物, 底泥起动后复杂的流场特性是底泥再悬浮污染物释放的主要影响因素. 当流场特性(如雷诺数)改变时, 对流和湍流扩散作用在污染物输运过程贡献不同. 建立上覆水体-底泥-污染物的耦合模型, 研究水动力学条件与底泥污染物释放规律的定量化关系, 可为构建湖库区域水污染模型提供支撑.