壁面展向周期振动的槽道湍流减阻机理的研究

利用直接数值模拟研究了带有壁面展向周期振动的槽道湍流.壁面在展向的周期运动使湍流受到抑制,并使壁面摩擦阻力减小.通过对雷诺应力输运方程的分析研究了壁面展向周期振动的减阻机理,进一步揭示了压力变形项在湍流抑制中的关键作用.     

基于输运方程类空化模型的通气空泡流数值模拟

超空泡流动涉及多相、相变、湍流、可压缩性和非定常特性等复杂情况,亟待发展相应的精细数值模拟方法和计算软件.本文基于均质平衡流理论和输运方程类空化模型,提出了复杂气、汽、水多相的通气空泡流数学模型,采用有限体积方法和SIMPLE算法,建立了求解混合介质的雷诺平均N-S方程、湍流方程、各组分质量分数输运方程的数值模拟方法,自主开发了相应的三维计算程序.模拟了绕圆盘的轴对称通气超空泡流,计算结果与经典的近似公式、半经验公式及试验数据吻合良好,验证了数学模型和数值计算方法能够正确预报通气空泡流场的基本空泡形态和流场动力特性.     

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.      

高阶矩湍流模型研究进展及挑战

高阶矩模型是湍流模式理论研究中的难点和前沿.自周培源先生首次建立一般湍流的雷诺应力输运方程起,为了更精确的预测复杂流动,人们从未间断过对高阶矩模型的研究.尤其进入新世纪以来,随着计算机硬件水平的飞跃和高精度数值算法的突破,湍流模拟方法正由RANS向LES转变.而无论对于RANS框架、LES框架还是两者混合,高阶矩模式都...     

高超声速激波湍流边界层干扰直接数值模拟研究

高超声速激波与湍流边界层干扰会导致飞行器表面出现局部热流峰值,严重影响飞行器气动性能和飞行安全. 针对高马赫数激波干扰问题,以往数值研究多采用雷诺平均方法,而在直接数值模拟方面的相关工作较为少见. 开展高超声速激波与湍流边界层干扰的直接数值模拟研究,有助于进一步提升对其复杂流动机理认识和理解,同时也将为现有湍流模型和亚格子应力模型的改进提供理论依据. 采用直接数值模拟方法对来流马赫数6.0,34°压缩拐角内激波与湍流边界层的干扰问题进行了研究. 基于雷诺应力各向异性张量,分析了高超声速湍流边界层在压缩拐角内的演化特性. 通过对湍动能输运方程的逐项分析,系统地研究了可压缩效应对湍动能及其输运的影响机制. 采用动态模态分解方法,探讨了干扰流场的非定常运动历程. 研究结果表明,随着湍流边界层往下游发展,近壁湍流的雷诺应力状态由两组元轴对称状态逐渐演化为两组元状态,外层区域则由轴对称膨胀趋近于各向同性. 干扰流场内存在强内在压缩性效应(声效应),其对湍动能输运的影响主要体现在压力--膨胀项,而对膨胀--耗散项影响较小. 高超声速下压缩拐角内的非定常运动仍存在以分离泡膨胀/收缩为特征的低频振荡特性,其物理机制与分离泡剪切层密切相关.      

高超声速激波湍流边界层干扰直接数值模拟研究

高超声速激波与湍流边界层干扰会导致飞行器表面出现局部热流峰值,严重影响飞行器气动性能和飞行安全.针对高马赫数激波干扰问题,以往数值研究多采用雷诺平均方法,而在直接数值模拟方面的相关工作较为少见.开展高超声速激波与湍流边界层干扰的直接数值模拟研究,有助于进一步提升对其复杂流动机理认识和理解,同时也将为现有湍流模型和亚格子应力模型的改进提供理论依据.采用直接数值模拟方法对来流马赫数6.0,34?压缩拐角内激波与湍流边界层的干扰问题进行了研究.基于雷诺应力各向异性张量,分析了高超声速湍流边界层在压缩拐角内的演化特性.通过对湍动能输运方程的逐项分析,系统地研究了可压缩效应对湍动能及其输运的影响机制.采用动态模态分解方法,探讨了干扰流场的非定常运动历程.研究结果表明,随着湍流边界层往下游发展,近壁湍流的雷诺应力状态由两组元轴对称状态逐渐演化为两组元状态,外层区域则由轴对称膨胀趋近于各向同性.干扰流场内存在强内在压缩性效应(声效应),其对湍动能输运的影响主要体现在压力-膨胀项,而对膨胀-耗散项影响较小.高超声速下压缩拐角内的非定常运动仍存在以分离泡膨胀/收缩为特征的低频振荡特性,其物理机制与分离泡剪切层密切相关.     

k-ω SST湍流模式三维激波分离流动修正

“激波?边界层分离”是航空气动领域的典型湍流非平衡流动问题, 准确模拟激波分离对于跨声速飞行器气动性能评估和优化设计具有重要意义. 然而传统涡黏性湍流模式中涡黏性系数的定义方式并不适用于非平衡流动, k-ω SST湍流模式为此引入的Bradshaw假设在应用于三维强逆压梯度和较大分离流动时反而限制了雷诺应力的生成, 导致包括k-ω SST在内的常用涡黏性湍流模式均无法对此类流动进行准确模拟. 同时, 现有的非线性雷诺应力本构关系也并不能有效提高模拟精度. 为此, 针对k-ω SST模式分别提出了基于Bradshaw假设和基于长度尺度的两种激波分离流动修正方法. 前者通过提高Bradshaw常数的方式放宽了对雷诺应力生成的限制, 后者则从湍流长度尺度概念出发, 利用混合长度理论、湍动能生成/耗散之比和一种新定义的长度尺度之比构造了ω方程耗散项修正函数, 提高了模式在三维激波分离流动中的建模长度尺度. 两种方法对ONERA M6机翼跨声速大攻角流动均能得到较雷诺应力模式更好的模拟结果. 进一步的雷诺应力分析表明, 三维激波分离流动中“主雷诺应力分量”的概念不再成立, 各雷诺应力分量大小接近. 网格收敛性分析、对其他攻角状态的验证以及湍流平板边界层壁面律验证进一步确认了所提出的两种修正方法的合理性、有效性和通用性.      

基于大涡模拟的移动粒子半隐式法研究

将大涡模拟(LES)和无网格的移动粒子半隐式法(MPS)相结合, 以求解湍流中的自由表面问题. 对N-S方程进行滤波计算可得到大涡模拟的控制方程, 大涡模拟的控制方程相对于以往的移动粒子半隐式法而言仅多出雷诺应力项, 通过亚粒子应力(sub-particle-scale,SPS)模型并引入Smagorinsky涡黏模型将雷诺应力模型化, 可实现移动粒子半隐式法的大涡模拟. 将MPS-LES应用至具有大变形自由表面的共振晃荡中, 其模拟结果同实验及其他数值模拟结果都相当接近.      

基于雷诺应力模型的平衡大气边界层模拟

基于雷诺应力湍流模型（简称RSM模型）,研究了平衡大气边界层风场数值模拟问题．假设流体不可压,且不计雷诺应力输运方程中的对流项、浮力产生项、系统旋转产生项和扩散项,在准各向同性的条件下,推导出RSM模型湍动能k的表达式是标准k-ε模型k常数表达式的0.893倍．考虑k沿高度变化的修正,根据在标准k-ε模型中满足水平均匀性的湍流来流边界条件,提出在RSM模型中产生平衡大气边界层的湍流来流边界条件．基于空风洞的数值模拟结果表明,与工程上常用的湍流来流边界条件相比,基于本文提出的湍流来流边界条件得到的风场水平均匀性更优,且在整个流域内,得到的雷诺应力剖面更合适．从而验证了该湍流来流边界条件的适用性．     

湍流燃烧中的概率密度函数方法

用求解速度和化学热力学参数联合概率密度函数(pdf)输运方程的方法,计算湍流燃烧问题时,湍流输运和化学反应等过程可以精确计算,无须模拟。它还可以提供比统计矩模型方法更多的信息,因此是一个很有潜力的方法。本文给出了湍流燃烧概率密度函数的输运方程,扼要地介绍了目前应用较多的随机过程模型,以及求解概率密度函数方程的Monte Carlo算法。最后引用两个例子说明概率密度函数方法的优越性。      

流体流动的边界滑移问题研究进展

最近十几年来,随着现代微/纳米测试以及分子动力学模拟技术的出现和发展,流体流动的边界滑移问题研究获得了突 飞猛进的发展.边界滑移相关研究大体可分为3个方面: 实验、分子动力学模拟和理论数值分析,前两者主要以发现边界滑移现象、探索边界滑移的产生机理以及各因素对边 界滑移的影响规律为主要研究目的,而后者主要研究边界滑移的物理模型、相关问题的计算方法以及边界滑移对流体系 统流体动力学行为的影响.本文首先简要回顾了液体流动的边界滑移及其相关问题的早期研究历史,随后对边界滑移问题 的研究现状进行了综述,最后展望了该领域今后的研究重点及其应用前景.     

动脉粥样硬化成因和大分子跨血管的传质

动脉硬化形成机理是当前心血管系统中主要关心的问题。30多年来对这个问题的研究已取得了很大进展。本文介绍了当前最重要的两个课题,即动脉壁细胞对血液流动的反应和大分子跨血管壁传质的研究成果。指出一些现已认为不对的旧认识和目前关于动脉硬化的新观点,以及当前的热门课题。      

37mm冲压加速器试验和计算

气动中心超高速所自1995年正式开展冲压加速器研究以来,自行研制成功了国内第一座冲压加速器．给出冲压加速器这一新型超高速发射器的工作原理及国内外研究现状,然后介绍气动中心超高速所37mm冲压加速器系统组成、典型发射试验结果及有关的数值计算工作．     

离心叶轮机械内部流动的研究进展

随着测量技术及数值算法的不断进步,叶轮机械内部流动研究有了很多新的进展.本文就半个世纪以来离心叶轮机械内部流动的实验及数值模拟研究进行了评述,根据作者掌握的文献,着重在以下几方面展开综述:叶轮内部流动、叶顶间隙泄漏流动、扩压器内部流动及叶轮与扩压器相互作用的非稳态流动等等.文中分别阐述了国内外学者在上述流动研究方面的主要成果,指出了这些研究的特点及其不足,分析了我国在这些领域与国际水平的差距,并结合作者自己的研究工作对离心叶轮机械内流研究提出了建议.      

数值研究激波与旋涡的相互作用

从非定常形式的Euler方程出发,数值模拟了运动激波与旋涡相互作用的非定常流动过程。为保证激波具有较高的分辨率,采用对称型TVD格式进行了数值计算。结果表明。这样可以有效地模拟流场中一些复杂的流动现象,如激波变形、激波分叉和三波点的形成,以及旋涡结构的变化过程等,并与已有的实验流动显示相符良好。同时,也是对TVD格式求解这类问题的一次初步尝试。     

DC-DC开关功率变换器的非线性动力学行为研究

DC-DC开关功率变换器是一种典型的分段光滑动力学系统, 在一定的工作和参数条件下, 系统会出现各种分岔如倍周期分岔、Hopf分岔、边界碰撞分岔和混沌运动. 系统评述了DC-DC开关功率变换器的非线性动力学行为的研究进展;介绍了离散非线性映射、分段线性模型、平均值模型等3种建模方法;分析了这种电路系统中的分岔特点及通向混沌的途径与机制;结合我们的研究工作, 讨论了对这种电路系统进行混沌控制的必要性及相关策略;最后, 从应用的角度提出了未来的若干研究方向.      

关于热波理论的研究

当热传导服从经典的Fourier定律时,温度场由抛物型方程所控制,热扰动以无限大速度传播。在通常情况下,热波的迅速衰减掩盖了这种佯谬。但对于热爆炸,热核聚变,快速化学反应,强激光与物质相互作用这样一些时间尺度极短(与从非平衡态达到局部平衡态的时间相比)的情形,需对Fourier定律进行修正。本文从Cattaneo方程及其唯象修正,Boltzmann演化方程,分子动力学数值模拟以及连续介质热力学理论四个方面对热波理论近20年的进展进行了评述,并对热波的实验验证及数值分析的某些重要结果进行了介绍,且提出了关于热波非弹性理论的新认识,讨论了可能的应用前景。     

复合泡沫塑料力学行为的研究综述

复合泡沫塑料是一种重要的防护材料,它在国防工业和民用工业各部门均有许多重要的应用,对这类材料的力学行为进行研究具有重要的学术价值和应用前景.本文对复合泡沫塑料力学行为的研究文献进行了综述.首先,对复合泡沫塑料力学行为研究的早期工作进行了简介.然后,重点介绍了复合泡沫塑料力学行为研究的最新进展,其中也包括作者近期在该领域开展的一些工作;对复合泡沫塑料进行了静、动态压缩实验和细观加载实验,研究了材料的宏观变形规律和细观失效机制;在理论研究方面,探讨了复合泡沫塑料的能量吸收和缓冲特性,从宏、细观力学分析出发研究了复合泡沫塑料有关力学性能的理论预测问题;还利用计算机和通用软件对高密度复合泡沫塑料进行了有限元分析,研究了高密度复合泡沫塑料的失效行为.最后,给出对该领域研究工作的一些展望.      

微孔泡沫塑料力学行为的研究综述

对微孔泡沫塑料力学行为的研究文献进行了综述,简单介绍了微孔泡沫塑料的制备和表征方法,重点介绍了微孔泡沫塑料力学性能的研究工作,其中也包括作者近期在该领域的一些工作.这些工作主要讨论了微孔泡沫塑料的压缩、拉伸、冲击、疲劳和黏弹性效应.最后,给出了对该领域工作的一些讨论和展望.      

“力学2000”学术大会总结

通过求解微分方程组导出了追线函数和追击曲线上两个特殊点横坐标的关联方程,依此证明了猎狗能追上兔子的区域是椭圆这一结论,并给出了椭圆方程．