湍流边界层拟序结构的大涡模拟研究

采用动力亚格子模型,利用大涡模拟方法模拟了雷诺数为13000的充分发展槽道湍流流动。从瞬时速度和脉动 速度场、脉动速度相关、均方根脉动涡量分布、以及瞬时涡量场等多个方面,对湍流边界层流动的拟序结构进行了分析, 包括近壁区小尺度湍流结构和瞬态过程,如条纹结构、喷射和扫掠过程、以及近壁旋涡结构等。     

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...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

横向磁场作用下Taylor-Couette湍流流动的大涡模拟

采用大涡模拟方法对横向磁场作用下导电流体Taylor-Couette湍流流动进行数值模拟,以研究其运动规律.计算模型为无限长度,半径比为1/2.雷诺数分别选取为3000和5000,磁场加载方式为全局磁场,哈特曼数取值0—50.对磁场作用下泰勒涡的演化过程、速度分布和湍动能分布进行分析,并与轴向磁场作用下泰勒涡演化过程进...     

基于雷诺应力模型的高精度分离涡模拟方法

基于Speziale-Sarkar-Gatski/Launder-Reece-Rodi(SSG/LRR)-ω雷诺应力模型发展了一类分离涡模拟方法,结合高精度加权紧致非线性格式在典型翼型及三角翼算例中进行了验证,并和传统基于线性涡粘模型的分离涡模拟方法进行了对比.结果表明:基于SSG/LRR-ω模型的分离涡模拟方法,提高了原雷诺应力模型对非定常分离湍流的模拟能力;同时相比于传统基于线性涡粘模型的分离涡模拟方法,尤其是在翼型最大升力迎角和三角翼涡破裂迎角附近,该方法在平均气动力预测的准确度、分离湍流模拟的精细度等方面更加优秀.     

粗糙壁面湍流边界层流动和拟序结构的大涡模拟研究

采用LES方法和虚拟粗糙元模型,,模拟了Rer=180有粗糙壁面的充分发展槽道湍流流动.从流向平均速度、脉动速度均方根、雷诺剪切应力、脉动速度相关,以及瞬时近壁准流向涡结构等多个方面,对粗糙壁面湍流边界层流动和拟序结构进行了分析.结果表明,粗糙壁面处雷诺剪切应力、脉动速度均方根以及近壁条带平均距离和准流向涡尺度都大于光滑壁面,且随着粗糙元高度的增加这种趋势更加明显.本工作为进一步研究颗粒在近壁区域的弥散规律奠定了基础.     

有大分离的压气机高压级静叶分离涡模拟研究

将分离涡模拟方法应用于高雷诺数压气机静叶有大分离的复杂流动计算中,研究该方法对分离的模拟能力.采用约280万网格,SA计算仅能得到定常结果.DES计算在叶片中部小分离区域,所得到的非定常波动较弱,尾迹掺混略慢于SA,结果整体上与SA类似.在叶片端壁附近有大分离的区域,DES结果捕捉到了明显的非定常现象与压力波动,计算表明吸力面涡脱落会加强掺混,而端壁分离则会加强尾迹.另外,DES计算比SA更详细地描述了涡结构.这表明DES有比SA更好的模拟大分离的能力.计算结果也加深了对静叶角涡与尾迹发展的认识.     

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。     

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。     

逆压梯度下层流分离泡转捩的大涡模拟

本文采用有限体积法,发展了适合复杂几何边界条件的可压缩流动大涡模拟程序,通过对槽道湍流的计算,验证了程序的可靠性。对低雷诺数、逆压梯度环境中的层流分离泡转捩现象进行了数值模拟,分析了其统计特性及大尺度相干结构的演化规律．初步的结果表明:大涡模拟可以很好地处理层流分离泡转捩问题,既能给出满意的统计平均结果,又可以通过相干结构的演化细致描述分离泡转捩的动力学过程。     

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.     

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.