湍流横向射流大涡模拟及大尺度结构的涡环模型

采用大涡模拟方法数值模拟了流向椭圆喷嘴的湍流横向射流,重点研究其旋涡结构的产生、发展等动力学演化过程．结果表明：文献中所报道的横向射流基本涡结构,如反向旋转涡对、前缘涡、后缘涡、悬涡、肾涡、反肾涡等并非独立的物理实体,而是分别对应于新发现的横向射流基本涡结构——起始于喷嘴的三维拉伸涡环的局部结构．     

矩形射流流动的大涡模拟

为探讨矩形射流中的拟序运动特征,用大涡模拟方法(LES)对三维矩形射流流动过程进行了数值模拟。统计平均的流向速度横向分布曲线在发展区某些位置上呈现"马鞍型"分布,速度峰值偏离中心轴线,与圆射流显著不同,这与已有的实验和直接数值模拟(DNS)结果吻合良好。计算结果表明,在发展区湍流脉动最强,且应力的横向分布不均匀。随着流向距离的增大,速度功率谱(PSD)曲线呈现峰值向低频移动的现象。速度的PSD分布表明:矩形射流中拟序运动主要位于射流的核心区末端和发展区,射流发展区中的拟序运动具有明显的时间准周期性。     

平面自由湍射流拟序结构的大涡模拟研究

对空间发展的平面不可压缩湍射流拟序结构的非定常演化过程进行了大涡模拟。采用标志物浓度等值线分布示踪平面射流气相流动 ,Reynolds数为 1130 0 ,模拟结果再现了平面射流中 Kelvin- Helm holtz不稳定性的发生以及展向大尺度涡的卷起、合并、破碎过程。捕获到了射流拟序结构剧烈相互作用的“偶极子”和“三极子”现象。在拟序结构的配对过程中 ,大尺度旋涡的尾迹混合形成了流向“发卡”型拟序涡结构。平面射流拟序结构的时空演化过程所呈现出的卡门涡街特征主要集中于初始段的后部和过渡段的前端。数值流场显示结果和染线法的实验结果吻合得很好     

平面射流拟序结构的离散涡模拟

采用离散涡方法对平面射流流场进行了数值模拟。显示了平面射流中的大尺度涡结构的卷起、旋转和合并过程,模拟结果揭示了平面射流中的大尺度拟序结构的时空演化特征和发展变化规律。得到了定点的瞬时速度和流场的时均速度分布,时均速度场的计算结果和实验值吻合,瞬时速度分布揭示了平面射流拟序结构的非定常、不稳定的非线性特征。     

大涡模拟二维平面尾迹湍流拟序结构

首先采用大涡模拟方法对二维平面尾迹流进行了数值模拟,分别分析了整个流场的流动特点和近壁处展向大涡结构的形成、发展、脱落和破碎过程.然后定量计算了流场下游不同断面上流向时均速度分布、流向时均湍流强度分布以及流向相均速度的分布情况,并与Yang等最近所做的实验进行了对比分析.数值结果表明大涡模拟方法可以较好地模拟二维平面尾迹流.     

稳定分层湍流的大涡模拟

稳定分层湍流是大气和海洋流动中常见的自然现象, 是预测大气和海洋流动的重要物理机制. 我们用大涡模拟方法研究稳定分层流体湍流, 以期获得与实际大气和海洋中稳定分层湍流相符的性质. 我们在不同初始条件的流场和不同的流动特征参数（雷诺数Re和弗罗德数Fr）下用大涡模拟方法获得充分发展湍流场. 通过分析湍动能和湍流特征尺度随时间的演化考察稳定分层湍流演化过程; 并通过三维能谱、水平和垂直能谱来检验数值模拟是否和真实大气、海洋中实测结果一致. 研究结果表明, 大涡模拟可以用较少网格数获得和实测一致的稳定分层湍流性质. 不同的初始流场都能演化为湍流, 并且发现演化过程的后期总是内波能量占优势. 研究证实要获得和实测一致的稳定分层湍流的关键是特征参数必须满足一定条件： 特征雷诺数和弗罗德数不一定要和实际大气和海洋中的参数相等, 但是要求雷诺数足够大, 弗罗德数足够小（例如Re〉102, Fr〈0.1）; 特别重要的是组合参数ReFr2必须大于10.     

平面湍流射流拟序结构与颗粒的双向耦合作用

运用大涡模拟方法研究了气粒两相平面湍流射流中拟序结构与颗粒间的双向耦合作用。在考虑颗粒相的反作用后，气相运动采用Smagorinsky提出的亚网格尺度模型模拟，颗粒相运动采用Lagrangian方法跟踪。在不同的质量携带率条件下，对Stokes数等于2．5的颗粒，考察了颗粒相对气相流场拟序结构的反作用以及颗粒自身的运动扩散特性，发现了颗粒对流场的反作用存在两面性：低质量携带率的颗粒在流场发展的初期阶段延迟了湍流拟序结构的发展；对于质量携带率较高的情况，在流场发展到一定阶段后则促进了湍流拟序结构的发展，颗粒的扩散反过来也得到了相应的加强，形成了气粒两相间的“共振”。此外，颗粒对流场的反作用随着颗粒质量携带率的增加而增大。     

180°方形弯管中湍流流动的大涡模拟

把大涡模拟应用于复杂几何形状的流域是一个重要研究课题。对１８０°方形弯管中的湍流流动作大涡模拟,以网格节点为中心的交错网格作为离散网格,用有限体积方法和中心差分进行空间离散,用Ａｄａｍｓ－Ｂａｓｈｆｏｒｔｈ格式进行时间离散,用简单的Ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ模型来作为次网格湍流模型。用多重网格方法求解压力方程以提高计算效率。数值模拟结果与实验结果取得了很好的一致。     

不同密度气体射流混合过程的大涡模拟

对不同密度气体在圆管射流情况下的湍流混合过程进行了大涡模拟计算,研究气体密度比对下游气体混合过程的影响.考虑了氦气和二氧化碳分别射入空气中的两种情况,其雷诺数分别为7 000和32 000.计算得到的速度、质量分数等各项参数均与试验结果吻合良好,研究表明在相同的射流动量通量下,低密度射流比高密度射流混合发展得更快.同时验证了变密度射流的准相似性,并分析了其中的相干涡结构.计算研究了CO_2射流在不同射流速度下的湍流场,发现低速射流相比于高速射流具有更高的混合速率.     

旋转效应对近壁湍流特性和流场结构的影响

采用大涡模拟方法, 结合非线性动力学亚格子尺度应力模型, 数值计算了轴向旋转圆管湍流问题, 研究了旋转效应对近壁湍流特性和流场结构的影响. 文中基于脉动速度的联合概率密度函数和脉动螺旋度的概率密度函数的变化特性, 发现旋转效应显著地改变了近壁湍流的脉动螺旋度, 有助于流动在周向的进一步失稳, 从而使得周向湍流强度增强. 从大涡Reynolds应力输运方程的分析表明, 旋转效应增强了湍动能的再分配作用, 促进了周向湍流脉动的生成, 改变了近壁区湍流拟序结构, 揭示的物理现象为构造合理的湍流模型提供了必要的信息和物理基础.     

不稳定近地面层湍流的大涡模拟

采用加密网格的大涡模式获取边界层风、温场的高分辨率模拟结果,并据以分析近地面层大气的湍流特性。结果表明,较小的网格尺度使次网格湍流贡献率大为降低,模式计算结果对次网格参数的依赖性减小,边界层整体特征得到更好的反映。同时,模拟出的近地面层通量 廓线关系及湍流速度特征与实际观测结果吻合甚好,表明模式具有反映近地面层平均运动和湍流特性的能力。     

声激励对圆射流流场结构控制的大涡模拟

为研究声激励对圆射流流场结构的控制作用,采用大涡模拟方法计算相锁定全局声激励下的圆射流(Re=2 020)流场.计算得出的未加激励时射流的优势频率与实验符合得很好.从多角度描述声激励对射流速度场和涡量场的影响,分析流场对声激励响应的频率选择特性.通过速度场的平均值、均方根值,概率密度函数,偏度,峰度,以及动量厚度的分布,显示声激励引起速度场和混合特性的改变.涡量和Q准则揭示流场拟序结构的演化,发现激励控制流场的主导涡结构是希尔球涡.研究表明,声激励是流场控制非常准确和有效的手段,当激励频率在优势频率附近时影响尤其明显,很小的能量输入便可以引起流场结构的显著改变.     

结合大涡模型的等离子射流Lattice Boltzmann模拟

基于一种结合大涡模型的Lattice Boltzmann方法对等离子体射流湍流流动状态进行模拟，并将模拟结果与实验结果和其他文献的计算结果进行对比。结果表明，与传统的差分法相比，这种混合Lattice Boltzmann方法收敛速度快，且能获得比较满意的结果。     

离心泵叶轮内部清水湍流的动态大涡模拟

提出旋转坐标下的单相液体湍流的二阶双系数动态亚格子应力大涡模拟模型并加以验证。考虑亚格子应力的对称性和量纲一致性 ,在基于应变率张量和旋转率张量的不可约量及 Smagorinsky模型和亥姆霍兹定理的基础上 ,提出亚格子应力应表示为可解的应变率张量和旋转率张量的函数。在贴体坐标系下 ,利用交错网格系统和有限体积法离散湍流控制方程 ,采用 SIMPL EC方法求解方程。水泵叶轮中湍流的流速分布规律和压力分布等计算结果都与试验结果基本吻合 ,从而证明了此模型的可行性 ,以及计算方法和程序的可靠性     

矩形射流中的流向涡分布特性及作用

为研究矩形射流中的流向涡形态及其作用,对矩形射流流动过程进行了三维大涡模拟。计算结果表明在矩形射流的发展区中流向涡才开始逐渐增强,在射流中远场流向涡和展向涡在涡强度、前后涡间距等方面大致相当。与规则匀称的展向涡相比流向涡比较杂乱,在射流的横截面上分布很不均匀,旋向相反的流向涡比邻存在。分析结果表明通过流向涡的旋转运动中心射流和环境流体互相掺混,流体在横截面上不同流向涡之间的游走极大地强化了射流的混合过程。     

湍流强化传热反馈控制机理

对流换热与湍流结构密切相关,运用大涡模拟方法,在湍流流场中进行强化传热反馈控制,分别采用3种反馈控制速度,研究反馈控制对传热的影响机理和效果,并建立目标函数,研究平均强化传热效果．结果表明：在湍流流场中输入适当反馈控制,强化传热效果明显;当劝5．0、10．0和15．0时,努塞尔数最天增幅分别为8．78％、11．17％和14．08％,平均增幅分别为4．80％、6．88％和9．09％;当劝15．0时,y＋=5处流场温度比未输入反馈控制的流场高10℃左右．     

线性波中二维射流的大涡模拟

采用物理分步法对线性波中二维射流进行了大涡模拟（LES）．物理分步法将N-S方程剖分为对流、扩散及波动过程,对不同的物理过程分别采用适宜的方法进行求解．对流过程采用逆风-中心差分格式求解;扩散过程采用中心差分格式求解;压力方程采用SOR迭代法求解．LES模型模拟出了射流的成长过程及表面波的影响过程．表面波的影响使得射流轴线扭曲摆动,加强了射流与周围水体的动量交换．表明了LES理论对紊流细部结构具有独特的数值模拟能力,可望用以解决大量的工程实际问题．     

离散涡丝方法模拟矩形射流场的研究

采用三维离散涡方法对不可压矩形射流场进行了数值模拟,结果发现与圆射流不同的是,即使在不加扰动的情况下,封闭涡丝也极不稳定,不再呈现矩形,而是波浪形,并有流向涡产生.矩形涡丝失稳和演变的程度都比圆形涡环的情形更快,本文结果对于矩形射流的利用具有指导意义.     

方柱绕流的大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法对雷诺数为2.2×104的方柱绕流流场进行了数值模拟.使用非交错网格的有限差分法,分别对准三维物理模型和真实三维物理模型求解不可压N-S方程,将沿流向方向方柱水平中心线上的时均速度的计算结果与实验数据进行了比较,结果表明,三维模型的模拟结果优于准三维模型的模拟结果.比较升力系数和阻力系数发现,与二维模拟(RNG)方法相比, 三维模拟的结果更加接近实验测试数据.