空间发展圆管转捩的直接数值模拟

利用直接数值模拟研究圆管流动中由局部壁面引入的周期性吹吸(PSB)扰动沿流向的空间发展,流动的雷诺数Re选定为3000.在临界幅值的PSB扰动下,在较短的圆管内,圆管中的扰动沿流向快速增长,在足够长的圆管内,扰动沿流向持续增长发生转捩,流动发展到湍流阶段.     

可压缩燃烧反应转捩混合层直接数值模拟

针对三维时间发展可压缩氢/氧非预混燃烧反应平面自由剪切混合层,采用5阶迎风/6阶对称紧致混合差分格式以及3阶显式Runge-Kutta时间推进方法,直接数值模拟了伴随燃烧产物生成和反应能量释放, 流动受扰动激发失稳并转捩的演化过程. 在转捩初期, 获得了${\it\Lambda}$涡、马蹄涡等典型的大尺度拟序结构,观察到了流动失稳后发生双马蹄涡三维对并的现象, 大尺度结构呈较好的对称性.在流动演化后期, 大尺度结构逐次破碎形成小尺度结构, 混合层进入转捩末期,呈明显的不对称性.      

倾斜吹吸控制下湍流边界层减阻的直接数值模拟

雷诺切应力是壁湍流高摩擦阻力的重要来源, 有理论认为可以通过壁面生成负雷诺应力(数值上为正)的方式来削弱湍流流场中雷诺应力的分布, 以此获得流动减阻. 而通过对雷诺平均运动方程的法向二次积分, 可以发现壁面生成正雷诺应力(数值上为负)对壁面摩擦阻力系数才有负贡献. 文中在湍流边界层流动的控制区域下边界设置一系列倾斜狭缝, 利用该装置通过周期性吹吸的方法产生壁面生成正(负)雷诺应力, 并采用直接数值模拟方法考察和验证上文提到的减阻理论. 文中采用的湍流边界层流动模型, 其流动雷诺数(基于外流速度及动量损失厚度)从300 发展到860. 文中通过多组数值模拟算例, 考察了射流强度和频率对壁面摩擦阻力系数的影响, 并对比了壁面生成正或负雷诺应力对流动的影响. 研究表明, 壁面生成正雷诺应力控制的减阻率能达到3.26, 而壁面生成负雷诺应力控制的减阻效果较壁面生成正雷诺应力控制的要差; 壁面生成的正雷诺应力对壁面摩擦阻力有负贡献, 而壁面生成的负雷诺应力对壁面摩擦阻力有正贡献; 通过考察控制的收支比, 发现控制方案不能获得能量净收益.      

可压缩自由剪切流混合转捩大涡模拟

针对湍流气动光学效应与冲压发动机气体混合机理问题,开展了可压缩混合层流动空间模式大涡模拟和时间模式直接数值模拟研究.通过对流场(包含亚/亚混合、超/亚混合两种情况)失稳、转捩直至完全湍流的空间发展过程的研究表明,对流Mach数0.4状态下流场失稳以二维最不稳定扰动为主;非线性发展中,基频涡对并及展向涡撕裂主控流动转捩,流场发生混合转捩;转捩后脉动流场基本达到局部各向同性,此时,湍流Mach数低于0.3,流动压缩性可近似忽略.     

高超声速粗糙元诱导转捩的数值模拟及机理分析

采用直接数值模拟方法细致刻画了钻石型粗糙元诱导的高超声速边界层从层流到湍流的转捩过程,从拓扑结构稳定性和边界层流动稳定性两个角度分析了钻石型粗糙元诱导转捩的机理. 流动结构的拓扑分析表明,钻石型粗糙元头部区域和底部区域分别存在不稳定的鞍点-鞍点(SS) 型轨线和鞍点-结点-鞍点(SNS) 型轨线,在扰动的作用下其会形成非定常、非对称的振荡结构. 边界层流动失稳过程计算分析表明,钻石型粗糙元会产生高波数扰动,并发现在扰动发展过程中大尺度结构会破碎. 两种不同类型的流动失稳效应同时存在. 此外,通过不同类型粗糙元(圆柱、斜坡及钻石型) 的对比,揭示了不同类型粗糙元诱导转捩机理的差异,为高超声速人工转捩装置设计提供了基础理论支撑.      

基于直接数值模拟的可压缩湍流模型评估和改进

对来流Mach数2.25和6的平板边界层湍流进行了直接数值模拟, 并通过与理论、实验及他人计算结果的对比对数值结果进行了验证. 基于直接数值模拟得到的湍流数据库, 对常用的湍流模型进行了先验评估. 评估的湍流模型有k-εvarepsilon模型(包括标准k-εvarepsilon 模型、可实现的k-εvarepsilon模型及低Reynolds数k-εvarepsilon模型)、SA模型及BL模型. 结果显示, 对于Mach2.25的平板边界层, 可实现的k-εvarepsilon 模型及低Reynolds 数k-εvarepsilon模型具有较好的预测能力, 而标准k-εvarepsilon模型预测的湍流黏性系数偏高; SA模型在边界层内层预测准确度较高, 而在外层预测值偏高. 而对于Mach6的平板边界层, k-εvarepsilon模型及SA模型预测的湍流黏性系数均偏高, 尤其是标准k-εvarepsilon模型. 对于Mach6的平板边界层, BL模型低估了内-外层交界位置, 造成湍流黏性系数预测值严重偏低. 作者通过修改模型系数及内-外层交界位置对BL模型进行了修改, 修改后模型预测的湍流黏性系数与DNS给出的值吻合较好.     

CH4-O2 混合气中爆燃爆震转捩的数值模拟

运用化学流体力学基本理论和两步燃烧反应模型原理，建立了一维封闭体系可燃气爆燃爆震转变现象的数学模型，利用拉格朗日质量坐标变换下的Ｌａｘ－Ｗｅｎｄｒｏｆ和Ｍｅｃｏｒｍｉｃ气动差分与Ａｄａｍｓ化学差分格式，求解基本方程，成功地完成了过程的数值模拟，清楚地说明了可燃气中ＤＤＴ现象由压缩波到激波达到稳态爆震的发生机制和火焰带引生爆震波的过程行为。     

置换通风的数值模拟

首先介绍了用于数值模拟置换通风室内空气分布的N点风口模型、新零方程湍流模型，以简化和加快实际工程中对置换通风的模拟计算。然后利用这些模型对某办公室置换通风的室内温度场和速度场进行了模拟，并和实验数据进行对比。结果表明，计算所得速度和温度分布与实测值吻合得很好，所用的风口模型和湍流模型能将置换通风的温度分层特性和速度场合理地模拟出来，可用于指导和优化置换通风气流组织设计。     

槽道湍流近壁区相干结构的数值模拟

从流动稳定性理论中的共振三波出发，采用类似湍流直接数值模拟中的最小单元概念，用伪谱方法，对槽道湍流近壁区的单个相干结构进行了数值模拟，得到了与实验基本一致的结果，同时也搞清楚了在谱方法中用Ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ－τ方法和配置点法哪个更精确的问题。     

流向磁场作用下圆柱绕流的直接数值模拟

绕流是托卡马克装置中液态包层内常见的流动形态,对流场与热量分布有着重要的影响.本文通过直接数值模拟(DNS),研究了不同磁场强度下$Re=3900$的圆柱绕流,分析了磁场强度对于湍流尾迹的影响.无磁场情况下,直接数值模拟的结果与前人的实验及模拟结果吻合很好.圆柱下游的尾迹中,随着流向距离的增大, 流向速度剖面逐渐从U型进化呈V型, 并慢慢趋于平缓,这表明尾迹中的流动结构受圆柱影响逐渐减小.圆柱后方两侧的剪切层中,由于Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响,可以清晰地看到小尺度剪切层涡的脱落.通过对无磁场的计算结果施加流向磁场,本文计算了哈特曼数($Ha$)分别为20, 40和80的工况,以研究磁场效应对于湍流的影响.结果表明磁场较弱时,流动依然呈三维湍流状态.随着磁场增强, 近圆柱尾流区受磁场抑制明显,回流区被拉长,剪切层失稳位置向下游转移.圆柱后方的涡结构由于受到竖直方向洛伦兹力的挤压作用,随着哈特曼数的增加尾迹区域逐渐变窄.相比于无磁场情况的涡结构,由于磁场的耗散作用,相应的涡结构尺度变小.该研究不仅扩展了现有磁场下湍流运动的参数范围,对于液态包层的设计及安全运行同样具有重要的理论指导意义和工程应用价值.      

圆管湍流减阻电磁力控制的直接数值模拟

利用直接数值模拟研究了圆管湍流减阻的电磁力控制问题. 在圆管表面布置一层交替排 列的条形电极和磁极,施加电压后在导电的流体介质中产生周向随时间变化的电磁力,通过 改变电磁力的大小和变化周期等参数可以使阻力大幅减少. 研究减阻率和控制参数的 关系,并研究了电磁力减阻的机理. 电磁力控制存在最优周期,阻力最大降 低24.2{\%}; 电磁力控制抑制了流向和法向速度的脉动,而周向脉动速度随振荡周 期的增大而增大.     

A DIRECT NUMERICAL SIMULATION OF CHANNEL FLOW TRANSITION UNDER AN EXTERNAL BODY FORCE

This research seeks to increase our understanding on the laminar-turbulent transition under an external body force. Direct numerical simulation by the spectral method with a weak formulation is used to solve the transient 3-D Navier-Stokes equations. Initial disturbances consist of the finite-amplitude 2-D Tollmien-Schlichting wave and two 3-D oblique waves. Competitions among different modes were computed during transition for different Richardson numbers.

It is found that the body force can modify the transition mechanism of flows between two vertical plates. The body force was found to hasten the formation of three-dimensional flow. A non-laminar flow induced by the body force may present when the background flow is still laminar.     

圆环管煤粉浓淡分离器内气固二相流动的数值计算

本文用数值模拟的方法模拟分离器内两相流流场，能成功地确定挡环角度的最佳值和分离环位置的最佳值，对工程应用有一定的意义．给出了气固两相模拟的结果，并与实验结果作了比较，其分布趋势是一致的．     

DIRECT NUMERICAL SIMULATION OF TURBINE CASCADE FLOW WITH HEAT TRANSFER EFFECTS

低雷诺数流动对高空动力装置, 特别是涡轮部件的性能产生重要的影响. 本文采用具有7阶精度的差分格式, 通过直接求解二维瞬态可压缩Navier-Stokes方程组, 对雷诺数为241 800 (基于叶片弦长)时的叶片表面带有热传导效应的平面涡轮叶栅流动进行了二维直接数值模拟, 对低雷诺数平面涡轮叶栅流动的非定常流动现象作了初步的探索.数值结果表明:在叶栅通道入口处, 流场的非定常性很弱;在叶栅尾缘处, 具有正负涡量的尾涡交替地从压力面和吸力面上脱落;周期性的涡脱落使得叶栅通道内和尾迹区的总压发生(准)周期的变化, 并且, 尾迹区总压变化主频率是通道内总压变化主频率的2倍;在时均流场中, 叶片表面压力的分布与实验值吻合良好, 表征热传导效应的斯坦顿数除湍流区外与实验值基本吻合;尾迹区速度脉动的2阶统计量与圆柱绕流尾迹区速度脉动2阶统计量具有基本相似的分布特征.     

气动载荷下防热材料剥离颗粒输运特性的直接数值模拟研究

高超声速飞行器防热材料在气动载荷下发生机械剥蚀,进而影响绕流流态、气动性能、热载荷等,相关颗粒剥离动力学是高超声速热防护系统设计及防热材料体系评价中的共性基础性科学问题.研究通过近壁流动量纲分析,将烧蚀颗粒剥离过程模化为单个圆球惯性烧蚀颗粒在Couette流动中的动力学问题,并采用颗粒解析的直接数值模拟方法开展数值研究,获得了烧蚀颗粒关键特征参量对颗粒输运动力学的影响规律.研究发现,随着颗粒/流体密度比ρr越大,颗粒惯性St越大,则颗粒水平和法向输运速度均减小;随着颗粒粒径d p越大,颗粒惯性St越大,则颗粒水平输运速度减小,但是,法向输运速度和位移均因大颗粒受到更大的Saffman升力而增大.此外,烧蚀颗粒法向位移远小于水平位移,颗粒以水平输运为主.本研究最终建立了颗粒启动速度归一化表达式,发现归一化颗粒启动速度是颗粒和流体惯性的函数,即颗粒水平输运速度等于流体微团或中性浮力颗粒的速度减去惯性修正项.研究结果为烧蚀颗粒调制边界层作用机理研究提供支撑.     

低Pr数流体自然对流边界层流动的直接数值模拟

在太阳能采暖通风系统中,空气在太阳辐射作用下于吸热壁上所形成的非稳态自然对流边界 层流动是决定系统热性能的关键所在. 对于线性分层的低普郎特数($Pr<1$)流体而言,标度分 析表明在起始阶段边界层的发展是与高度无关而只依赖于时间的,而处于稳态时,各项标度 关系与处于起始阶段终结时刻的大不相同,且都与高度和时间无关,而只与$Pr$数和线性分 层度相关. 直接数值模拟计算结果表明由标度分析所得的各项标度关系揭示了流动的特性参 数与控制参数之间的决定性内在联系. 但同时也表明标度关系并没有充分体现出 对$Pr$数的所有依赖关系,这一不足可利用直接数值模拟计算结果得到弥补.     

含能材料密实床燃烧转爆轰的数值模拟

本文建立了含能材料密实床燃烧转爆轰的全粘性欧拉二维非定常两相反应流数学模型。将SIMPLE型的数值计算方法引入燃烧转爆轰的二维数值计算。对跨音速流动的处理和可压缩流体压力校正方程的建立提出了改进方法,并以无起爆药雷管作为算例。结果表明,本方法较好克服了二维两相流数值解的振荡现象。     

二维混合层拟序结构的直接数值模拟

本文是在文[1]的基础上,引用Cain等人(1981)提出的映射函数将无穷远的边界变换到有限距离处,用伪谱方法对N-S方程组进行直接数值模拟,研究时间发展的二维混合层的不稳定性,再现了大涡的卷起,涡对的合并与撕裂以及三个涡、四个涡之间的相互作用过程,并将过程进行了动态显示。     

二维混合层拟序结构的直接数值模拟

本文是在文[1]的基础上,引用Cain等人(1981)提出的映射函数将无穷远的边界变换到有限距离处,用伪谱方法对N-S方程组进行直接数值模拟,研究时间发展的二维混合层的不稳定性,再现了大涡的卷起,涡对的合并与撕裂以及三个涡、四个涡之间的相互作用过程,并将过程进行了动态显示。