甲烷平面射流扩散火焰的大涡模拟

本文对甲烷-空气平面自由射流扩散火焰进行了大涡模拟,采用分步投影法求解动量方程,湍流亚格子项采用动态模式模拟,化学反应速率亚格子项采用动态相似模式模拟,压力泊松方程采用修正的循环消去法快速求解,空间方向采用二阶精度的差分格式,在时间方向上采用二阶精度的显式差分格式。模拟结果给出了湍流扩散火焰的瞬态发展变化过程,表明射流扩散火焰的发展过程存在着“湍流控制”和“化学反应控制”两个不同阶段。 “湍流控制”阶段仅存在于火焰发展初期的极短时间内。     

浮力对矩形射流扩散火焰影响的大涡模拟

本文对浮力作用下的矩形射流扩散燃烧过程进行了三维大涡模拟。数值模拟结果展示了浮力作用下矩形射流扩散火焰的动态弯曲过程,比较分析了射流速度对火焰刚性的影响,发现射流速度越高火焰弯曲程度越小、燃料喷射距离越远。对浮力作用下的水平射流横截面流动分析结果表明,由于流向涡的卷吸作用在局部区域存在逆着浮力方向的流动。     

圆形射流湍流场的大涡模拟研究

使用发展的大涡模拟并行程序,数值模拟了圆形射流湍流场,与实验值进行详细比较,对大涡模拟程序进行检验,并分析网格尺度对计算结果的影响。结果表明,大涡模拟计算的平均速度场和雷诺应力场与实验值符合得非常好,验证了该大涡模拟计算程序的可靠性和精确度。同时发现一阶统计矩受网格尺度影响不大,二阶及高阶矩与网格尺度有较大的关系,因此使用大涡模拟方法计算湍流及湍流燃烧问题应对网格依赖性进行必要分析,至少保证二阶统计矩具有较好的精度。     

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。     

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。     

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...     

蒸发模型对乙醇湍流射流火焰模拟影响研究

航空发动机燃烧室高精度数值模拟需要合理的蒸发模型,目前蒸发模型对两相湍流燃烧模拟的影响定量研究不足。乙醇较其他燃料蒸发潜热大,对蒸发模型敏感。文章采用LES求解湍流、TPDF解决湍流和化学反应的相互作用,研究AbramzonSirignano(A-S)蒸发模型、Spalding蒸发模型和厚交换层(NC-TEL)蒸发模型对高雷诺数乙醇两相湍流射流火焰的数值模拟结果并与实验数据对比。定量分析不同蒸发模型对温度、混合物分数及液相分布等的规律性影响发现,A-S蒸发模型在射流中心区域与实验数据拟合较好,在其它区域表现欠佳;Spalding模型在x/d=10截面上模拟结果良好;NC-TEL蒸发模型在x/d>10截面及远离射流中心方向上的模拟结果表现最好。与其他模型相比,NC-TEL蒸发模型在液相速度上与实验数据相差最大为21.9%,表现最好。     

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。     

气膜冷却圆孔射流输运特性的大涡模拟研究

气膜冷却是燃机透平的关键冷却技术,其中射流问题又是气膜冷却的核心物理问题,本文采用大涡模拟方法研究了圆孔冷却射流的输运特性.文中首先采用流向准周期性方法实现了稳定的壁面湍流生成功能.通过对槽道湍流的大涡模拟验证,指出了在两种对流项格式下解析壁面湍流所需要的网格尺度,同时针对六种亚格子模型进行了验证.文中还发展了基于曲面...     

湍流燃烧二阶矩模型的大涡模拟验证

对美国Sandia国家实验室测量的甲烷-空气湍流射流火焰进行了三维大涡模拟(LES),其统计的时均量以及脉动量符合实验测量值,且和RANS代数二阶矩湍流燃烧模型模拟结果大致符合。LES统计得到的化学反应率系数脉动和甲烷浓度脉动的互关联与对应的时均量梯度的乘积分布趋势相同,大小幅值的位置也相对应,与二阶矩湍流燃烧模型的封闭假设相符,验证了二阶矩代数燃烧模型的合理性。     

基于格子Boltzmann方法的平板射流大涡模拟

应用多GPU技术,将格子Boltzmann方法与大涡模拟相结合(LBM-LES),使用1.12×10⁸网格,对雷诺数Re=4 000,倾斜角α=30°,吹风比M=0.5工况下的平板单孔射流进行了大规模高性能数值模拟研究.合理的定性与定量结果验证了LBM-LES模拟平板射流的有效性与可行性.使用上亿的计算网格捕捉了精细的湍流拟序结构,有利于主流与射流之间的掺混机理研究.此外,使用6个K20M GPU并行计算,模拟了71 680 LBM时间步长,仅耗时15 402秒,计算性能达到521.24MLUPS,即每秒更新5.212 4×10⁸个网格点的数据.     

变密度随机涡模型在湍流射流扩散火焰中的应用

采用变密度随机涡模型,对H₂/O₂/N₂湍流射流扩散火焰进行数值模拟,湍流过程通过涡的采样、涡的抑制和涡的翻转实现.其中,针对变密度反应流问题,提出一种大涡抑制的新机制,并详细讨论各种参数对模型预测效果的影响.计算结果表明,修改后的模型可以合理预测H₂/O₂/N₂射流火焰结构,能够反映湍流的涡特性;模型中与涡采样和涡抑制有关的参数对预测结果有一定影响.     

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。     

混合分数PDF及其简化模型的大涡模拟研究

通过大涡模拟得到三维等密度平面射流中的混合分数的动态演化过程并统计其概率密度(PDF)的分布,对非预混燃烧雷诺时均模拟中常用的简化模型,包括β函数和截尾高斯函数,进行了定性和定量分析。混合分数的PDF分布在流场的不同区域上定性存在较大的区别,可以分为四类:追随型单峰分布、非追随型单峰分布、平板型分布和双峰分布。单峰追随型主要分布在湍流充分发展区,对不同的简化模型都有较好的适应性;单峰非追随型PDF通过β函数模拟可以得到很好的结果;平板型分布PDF,定性上难以模拟但定量模拟效果好;双峰分布主要分布于湍流外问歇性较大的区域,现有简化PDF模型难以得到满意的结果。     

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。     

三维超声速射流火焰的直接模拟研究

本文使用了直接模拟（DNS）程序计算了三维超声速湍流射流火焰。首先介绍了本程序使用到的计算方法,包括热物性参数和输运参数的计算、反应机理、边界条件、离散方法。然后,本文使用该方法计算了马赫数为1.2的三维超声速H₂-AIR湍流射流火焰,描述了火焰的整作结构。最后,本文对火焰底部的稳燃的机理—自燃进行了分析和论证。     

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．     

尾流的双尺度简化模型及其大涡模拟建模

叶轮机中存在着复杂的湍流流动结构,如何准确地模拟湍流流动一直是工程界关注的核心问题。由于湍流在大部分区域都处于强非均衡态,根据均衡能量传输假设建立起来的RANS湍流模型和大涡模拟亚格子模型都不再适用。非均衡湍流的一个经典的模型流动是尾流,但通常意义上的尾流往往是无数不同尺度相互作用的结果,难以进行简化分析。本文构造了一个极度简化的双尺度尾流模型进行了直接数值模拟(DNS),结果显示在转捩前期就存在反向的非均衡能量传输。分别采用各种传统的RANS湍流模型和大涡模拟亚格子模型进行了数值模拟,发现各种模型都无法准确预测尾流转捩。在考虑非均衡能量传输机制后,通过流向速度梯度扭率构造的理性亚格子应力模型可以使大涡模拟模拟的转捩位置相对于标准Smagorinsky模型有所改善;不采用涡粘假设的改进速度增量(IVI)模型可以得到更加接近DNS的结果。这些结果为湍流模型进一步的改进提供了思路。     

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.