对流边界层湍流特性的数值研究

采用大涡模拟方法研究了存在逆温层的情况下大气对流边界层的湍流特性。实际大气边界层中出现逆温层是较常见的，逆温层会导致大气边界层湍流结构的变化，从而影响大气的湍流扩散和输运特性。本文比较了不同逆温梯度的工况，着重分析了逆温层对边界层中热量逆梯度输运（counter gradient heat transportation，CGHT）的影响。计算结果表明：逆温梯度越大，对流边界层的发展越受到抑制；逆温层高度降低会影响整个对流边界层的温度抬升；逆温梯度越大，垂直速度方差越小；在逆温梯度较大的情况下，其逆梯度输运区域要略微低一些，初步分析认为是由于逆温层对热对流的抑制造成的；对于逆温层高度不同的情况，高度越低的逆温层对逆梯度输运的抑制作用更明显。     

受对流边界层影响的过山气流

建立了一个自由大气与对流边界层相耦合的解析模式，利用该模式系统地讨论了对流边界层对过山气流的影响。     

超声速平板边界层斜波失稳转捩过程研究

以5阶迎风和6阶对称紧致格式混合差分求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程,对Mach 数为4.5, Reynolds数为10000的空间发展平板边界层湍流进行了大涡模拟. 时间推进采用 紧致存储3阶Runge-Kutta方法,亚格子尺度模型为修正Smagorinsky涡黏性模型. 通过在 入口边界叠加一对线性最不稳定第一模态斜波扰动,数值模拟得到了平板层流边界层失稳转 捩直至湍流的演化过程. 对流场转捩过程中瞬时量及统计平均量的分析表明,数值模拟结果 与理论吻合,得到的Y型剪切层、交替\Lambda涡结构以及转捩后期的发卡涡结构的发展 变化与相关文献结果一致,湍流流谱定性合理.     

对流传热边界层温度分布的激光干涉测量

本文介绍利用双镜干涉仪测量对流传热边界层中二维温度分布的方法。当冷空气流经热板模型时,附面层内的干涉条纹发生弯曲。根据条纹弯曲偏移量,由折射率与温度的关系,画出空气温度的二维分布图。整个过程由光学方法及微计算机全盘处理,是一种无接触测量方法。     

数值研究平板方舵激波-湍流边界层干扰

数值研究了平板方舵激波-湍流边界层干扰流场。模拟出了分离激波与弓型激波砬撞后形成的“λ”激波结构;消晰地显示了分离区中的旋涡结构,发现流场中会出现二次分离涡,并从理论上分析了流场对称面涡心形态与非定常的关系,得到了涡心为不稳定螺旋点或出现极限环是非定常流动特征的新结论。     

平板湍流边界层内的锥形涡

用拟三维流动显示技术观察与分析了平板边界层内的流动结构，讨论了雷诺数Ｒｅ在３００－６５０范围内大尺度结构间的联系，并指出锥形涡的形成是边界层中一系列复杂运动现象产生的关键。     

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.     

自然对流边界层中湍流的发生

自然对流边界层中从层流到湍流的转捩经历了浮力振型、无摩擦振型和黏性振型的三重流动不稳定性相继产生的前转捩过程,以及近壁迅速出现强湍流源,随之平缓地向自模拟的湍流边界层过渡的热转捩过程.浮力振型在修正Grashof数G>40时开始失稳并成为主要振型,在振幅分布中3种振型的临界层位置处出现3个峰值;在G>100时浮力振型消失,无摩擦振型失稳并成为主要振型,振幅分布中在近壁区还出现黏性振型的峰值;在G>170时无摩擦振型经非线性演化在外层形成较弱的湍流,但内层黏性应力仍远高于湍流应力,振幅分布中仅有与黏性振型相应的峰值,在频谱中黏性振型的基频、第一、第二、第三阶亚谐频随G的增加相继出现,此时黏性不稳定波的高频成分已转化为湍流,但低频成分仍按线性规律增长,直至湍流惯性子区开始形成;至G>800时黏性振型消失,并在G=850附近时近壁区出现强湍流源,湍流应力、湍能产生项和近壁湍流热流率剧增.在热转捩后期,湍流应力和湍能产生项明显下降,流动在内外层趋于平衡.     

搅拌槽内气液流动大涡数值模拟研究

为优化搅拌槽体型设计、提高搅拌效率,分别利用气液两相大涡模型和标准k-ε紊流模型,结合多参考系法,对搅拌槽内的气液混合过程进行了模拟计算;控制方程的离散使用了有限体积法;速度与压力耦合求解时使用了压力隐式算子分裂PISO(Pressure-Implicit with Splitting of Operators)算法;模拟自由水面采用了VOF(Volume of Fluid)法;通过计算得到了搅拌槽在相同通气率、不同转轮转速下的气液流动速度场以及不同截面含气率的分布规律。比较两种模型,模拟结果表明:叶片旋转区域紊流的各向异性随着转速的增加而明显加强;基于各向同性假设的标准k-ε紊流模型不能描述流体流速的波动变化,而大涡模拟能够捕捉叶片附近区域流场的分布规律;在通气率一定的情况下,转轮转速的大小对下叶轮附近区域的含气率影响较小,而对上叶轮附近区域含气率的影响较大。     

后台阶流动再附着过程的大涡模拟研究

应用自主开发的大涡模拟程序数值模拟研究了后台阶流动中再附着过程的演变。在流动几何参数不变情况下，给出了再附长度随雷诺数的变化规律，并与实验进行了比较，二者相符得比较好。在此基础上，给出了三种典型雷诺数下，后台阶流动的回流区特征。在湍流情况下，研究了突扩比对再附长度的影响，与实验结果吻合的比较好。详细讨论了湍流情况下大涡拟序结构的瞬时再附着过程。 这些研究结果对具有再附着现象的流动结构的工程应用具有指导意义。     

海岸城市上空热力内边界层的基本特征

海岸热力内边界层内大气在热力驱动下产生垂向对流运动,对海岸带的大气运动规律产生深刻的影响.在海岸城市地区,受城市冠层复杂结构的影响,热力内边界层呈现诸多独特的性质.采用大涡模拟的方法,研究了海岸城市热力内边界层内的流动特征.将海岸城市建筑物拟形为一系列有序排列的立方体块,并基于浸入边界方法考虑其对大气流动的影响.和常见的区域尺度数值研究中将城市下垫面假设为均质属性平面的方法相比,模拟结果的精度明显提高,海岸热力内边界层内各种尺度的动力过程也能在一定程度上得以描述.模拟计算了海岸城市热力内边界层、中性海岸城市边界层和开阔的自然海岸热力内边界层共3种情况,对比研究了城市摩阻和海岸热力作用对海岸城市上空大气运动的影响.研究结果表明:在空间上,边界层中各紊流特征量均在街谷尺度呈现出有规律而非均匀分布的特点;在强度上,热力作用与城市构筑物的摩阻作用相互促进,使得紊流强度显著提升并大于两种作用线性叠加的结果.此外,还发现有城市冠层海岸的热力内边界层发展远快于相同热力条件下的自然海岸带,边界层的发展规律也有显著的不同.      

沿垂等温平板的自然对流问题的近似解析解

本文用加权残值得到了沿垂等温平板的自然对流问题的近似解析解。和已有准确解的比较表明，在平板表面附近，近似解有很好的精度，而且速度场的精度比温度场更好一些。文末还对配域法的准收敛问题作了说明。     

流对波边界层湍流运动的影响

采用大涡模拟方法和Smagorinsky亚格子模型,求解三维Navier-Stokes方程,研究了波流边界层中的湍流特性．将大涡模拟结果与相应的直接数值模拟结果和实验数据进行比较,吻合较好．获得了不同波雷诺数,不同波流比情况下的大涡模拟数据库,并由此分析了波流边界层中各种湍流统计量,如速度廓线、剪应力、湍流强度等的变化规律．     

A PSEUDOSPECTRAL CODE FOR CONVECTION WITH AN ANALYTICAL/NUMERICAL IMPLEMENTATION OF HORIZONTAL BOUNDARY CONDITIONS

A new code for simulating convection in a horizontal layer of fluid is described. The code can be used to study the usual Rayleigh –Bénard convection problem but can also incorporate internal heating, rotation and the vortex force responsible for Langmuir circulation. Boundary conditions in the horizontal directions are periodic, but a wide range of conditions may be imposed on the upper and lower boundaries. A novel feature of the method is the way in which these boundary conditions are implemented through the following analytical/numerical technique. The governing partial differential equations are reduced to a number of inhomogeneous second-order ODEs for the horizontal Fourier modes. The solutions to these are then written as the sum of a particular integral and a complementary function. The former is easily computed (numerically) without regard to the boundary conditions and the latter is then selected (analytically/numerically) to ensure that the boundary conditions are met. We apply our code to the problem of highly supercritical thermal convection in a shear flow. We compare our results with simulations in the literature and, by integrating over a longer time interval, find flow features not observed in the previous simulations, including stable time-dependent states, multiple stable equilibria and chaos. © 1997 John Wiley & Sons, Ltd.     

湍流边界层复涡黏模式的实验研究

在开口式循环水槽底部湍流边界层外区引入周期性扰动。利用X型热膜探针在扰动下游进行测量。用实验的方法研究了周期性大尺度结构下壁湍流涡黏模式中涡黏系数的形式，结果发现和周期性扰动对应的变形率及与之对应的雷诺应力间存在着相位差。这是目前许多最终导致涡黏系数的湍流模式理论都没有考虑到的一个重要因素。     

振荡边界层研究及其应用

综述了振荡边界展的研究现状,包括:层流边界层,转捩和湍流边界层的理论、数值和实验研究的最新进展．在自然界,最典型的例子是波浪、潮汐作用下的水底边界层．同时讨论了水底边界层的特点及其中物质输送的动力学过程,还给出了实际应用的例子．      

THERMAL BOUNDARY LAYER IN CFB BOILER RISER

Measurement of temperature profiles of gas-solid two-phase flow at different heights in commercial-scale circulating fluidized bed （CFB） boilers was carried out. Experimental results showed that the thickness of thermal boundary layer was generally independent of the distance from the air distributor, except when close to the riser outlet. Through analysis of flow and combustion characteristics in the riser, it was found that the main reasons for the phenomena were： 1 ） the hydrodynamic boundary layer was thinner than the thermal layer and hardly changed along the CFB boiler height, and 2） both radial and axial mass and heat exchanges were strong in the CFB boiler. Numerical simulation of gas flow in the outlet zone confirmed that the distribution of the thermal boundary layer was dominated by the flow field characteristics.     

THERMAL BOUNDARY LAYER IN CFB BOILER RISER

Measurement of temperature profiles of gas-solid two-phase flow at different heights in commercial-scale circulating fluidized bed (CFB) boilers was carried out. Experimental results showed that the thickness of thermal boundary layer was generally independent of the distance from the air distributor, except when close to the riser outlet. Through analysis of flow and combustion characteristics in the riser, it was found that the main reasons for the phenomena were: 1) the hydrodynamic boundary layer was thinner than the thermal layer and hardly changed along the CFB boiler height, and 2) both radial and axial mass and heat exchanges were strong in the CFB boiler. Numerical simulation of gas flow in the outlet zone confirmed that the distribution of the thermal boundary layer was dominated by the flow field characteristics.