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。     

高雷诺数气固湍流射流的直接数值模拟

本文对流动雷诺数 Re=5990的空间发展的气固两相湍流射流进行了直接数值模拟。其中对流场的求解采用具有四阶精度的紧致差分格式,对颗粒场的跟踪采用拉格朗日方法。结果表明,湍流拟序结构逐渐由对称模式发展到非对称模式;较小 Stokes 数的颗粒在流场中均匀分布,较大 Stokes 数的颗粒沿横向没有明显的扩散,而 Stokes 数为 1的量级的颗粒则大量聚集在大涡结构的外围。     

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.     

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。     

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。     

基于大涡模拟的小型转子发动机缸内湍流研究

本文应用大涡模拟的方法对小型转子发动机的缸内流场进行了三维数值分析,分别从拟序结构、湍流脉动和湍动能三个方面研究小型转子发动机缸内的瞬态湍流特征。计算结果表明,大涡模拟结合Q准则可以有效的识别小型转子发动机缸内流场的大尺度拟序结构。进气过程中高强度的涡团主要分布于燃烧室的前部和后部,压缩过程中高强度的涡团分布从燃烧室中部向后部转移。湍流在垂直于转子截面上的法向脉动最为剧烈,其中中部区域的剧烈程度远高于两侧。湍流在平行于前后端面的截面上的法向脉动最弱,没有明显的波动。从进气口打开到压缩上止点期间,缸内亚网格湍动能和平均气流速度出现两次明显的峰值,这分别与进气能量和大尺度涡团的破碎有直接的关系。     

纵向涡强化换热特性及机理分析

本文在尼Re=190～1125范围内对两种不同形状纵向涡发生器(矩形、三角形)以两种不同方式(渐缩式、渐扩式)布置于平行通道内的流动换热特性进行了三维数值模拟研究,并利用场协同原理对其换热机理进行了分析.结果表明:纵向涡使通道换热得到很大提高,通道平均Num数最大可提高46%.比较了通道性能评价指标(Num/Num0)/(f/f0),综合性能三角翼优于矩形翼,对于三角翼布置方式不同对综合性能影响不大,对于矩形翼渐扩方式布置优于渐缩方式.纵向涡使速度与温度梯度的平均夹角减小,通道中流场和温度场协同程度得到改善.     

复杂地形下带自由表面水流的分离涡模拟

将分离涡模型(DES),即一种RANS和LES的混合模型,应用于带自由表面的地表水流运动,建立一套数值仿真模型.模型基于有限体积法,水平面内采用非结构计算网格,垂向为结构化网格,对流项离散格式采用二阶TVD格式,并行基于Open MP语言库.算例表明DES模型有助于揭示复杂地形条件下带自由表面水流的大涡拟序结构.     

二维槽道湍流拟序结构的大涡模拟

本文采用大涡模拟的方法,对二维槽道湍流流动进行了数值模拟。采用Chorin的分步投影法求解大尺度涡运动的Navier-Stokes方程,小尺度涡采用三种亚格子（SGS）模式分别模拟,给出了不同亚格子涡粘性模式下的模拟结果。对固壁面采用了壁函数。模拟结果再现了二维槽道流动拟序结构的发展演变过程。通过对不同入口速度下的瞬态流场的比较,揭示了入口速度分布对流场的影响。     

高速模型尾迹流场及其电磁散射特性相似性实验研究

高速目标再入大气层或在临近空间飞行时,空气电离形成的等离子体鞘套和尾迹对目标的雷达散射特性会产生影响.为了研究不同模型尾迹流场及其电磁散射特性规律和相似性,以氧化铝球模型为研究对象,在弹道靶设备上开展了双尺度参数相同的条件下高速球模型尾迹流场及其电磁散射相似性实验研究.由二级轻气炮发射模型,模型直径分别为8.0、10.0、12.0、15.0 mm,速度约6 km/s,靶室压力分别为6.3,5.0,4.2,3.3 k Pa,采用阴影照相系统测量模型激波脱体距离、电子密度测量系统测量模型尾迹的电子密度分布、X波段单站雷达系统测量在视角为40?的模型及流场的雷达散射截面(RCS)分布.实验结果表明:在速度不变、双尺度参数相同的条件下,随着模型尺寸的增加,激波脱体距离逐渐增加,激波脱体距离与模型直径之比近似相同;不同模型尾迹电子密度测量曲线的趋势和数量级一致,表明不同模型的尾迹流场适用于双缩尺律;不同尺寸模型尾迹的总体RCS与分布RCS均不相同,表明不同模型尾迹的电磁散射不适用于二元缩尺律;高速球模型全目标电磁散射能量分布在模型及其绕流区域、等离子体尾迹区域;高速球模型全目标电磁散射能量在模型及绕流场区域出现1个强散射中心,在模型湍流尾迹区域出现多个散射中心;高速球模型尾迹的RCS测量信号呈现随机性分布特性,幅度脉动和频率脉动均没有周期性;随着模型尺寸的增加,模型尾迹的总体RCS增加,尾迹脉动频率的变化范围减小.     

对称槽道涡波流场流动特征的POD分析

为深入分析层流状态下对称槽道内涡波流场的流动特性及其变化规律,对流场进行了二维粒子图像测速(2DPIV)测量获取瞬态速度矢量数据,利用本征正交分解(POD)技术进行模态分解以及涡波流场的重构,然后根据重构的流场对对称槽道内涡波流场进行了平均速度剖面、流场脉动强度以及特征点的速度和频谱分布等方面的分析。结果表明：POD的前15阶模态能够表征涡波流场的主导结构,第1,3阶模态主要表现为一对旋向相反的涡对特征,第2阶模态具有涡旋和波状主流的特征;提取了5个涡旋涡核的位置作为流场流动特性的特征点;根据POD重构流场分析发现流向平均速度呈抛物线形状分布,法向平均速度呈对称分布特征;流向脉动强度受壁面的影响较大,法向脉动强度呈现抛物线形状分布;距离中心主流较近的1^#,4^#,5^#特征点的速度脉动程度受主流的脉动强度影响较大,速度的脉动主频0.15 Hz与次频、流场的自然频率0.35 Hz共同影响特征点的速度分布;2^#,3^#特征点的流向速度呈衰减趋势,法向速度在初期幅度变化较大。     

用晶格玻尔兹曼方法研究颗粒在涡流中的运动

用晶格玻尔兹曼方法研究小颗粒在涡流中的运动.涡流由流经空腔的流体产生.用动量交换法和压力张量积分法计算颗粒在涡流中的运动轨迹、速度和角速度.最后用张量积分法计算两个不同半径的颗粒在涡流中的运动. 关键词： 晶格玻尔兹曼方法 涡流 颗粒     

On mean flow universality of turbulent wall flows. I. High Reynolds number flow analysis

ABSTRACT

The universality and mathematical physical structure of wall-bounded turbulent flows is a topic of discussions over many decades. There is no agreement about questions like what is the physical mean flow structure, how universal is it, and how universal are theoretical concepts for local and global flow variations. These questions are addressed by using latest direct numerical simulation (DNS) data at moderate Reynolds numbers Re and experimental data up to extreme Re. The mean flow structure is explained by analytical models for three canonical wall-bounded turbulent flows (channel flow, pipe flow, and the zero-pressure gradient turbulent boundary layer). Thorough comparisons with DNS and experimental data provide support for the validity of models. Criteria for veritable physics derived from observations are suggested. It is shown that the models presented satisfy these criteria. A probabilistic interpretation of the mean flow structure shows that the physical constraints of equal entropies and equally likely mean velocity values in a region unaffected by boundary effects impose a universal log-law structure. The structure of wall-bounded turbulent flows is much more universal than previously expected. There is no discrepancy between local logarithmic velocity variations and global friction law and bulk velocity variations. Flow effects are limited to the minimum: the difference of having a bounded or unbounded domain, and the variation range of mean velocity values allowed by the geometry.     

高超临界雷诺数区间内二维圆柱绕流的实测研究

实测强风工况下高度167 m的徐州彭城电厂冷却塔的表面风荷载,并归纳历史上其他研究人员给出的实测结果,以丰富高超临界雷诺数(Re)区间二维圆柱绕流的试验成果.在低湍流度均匀流场和高湍流度大气边界层流场中分别开展4种风速8类粗糙度条件下的冷却塔刚性模型测压风洞试验,通过对比低雷诺数(Re=2.1×10~5—4.19×10~5)条件下的风洞试验结果和高雷诺数(Re=5.4×10~7—1×10~8)条件下的现场实测结果研究各种静动态绕流特征随雷诺数的变化规律,重点考察雷诺数无关现象的产生条件.研究结果表明,对于物表相对粗糙度在0.01以上的圆柱绕流,雷诺数不相关现象存在于很宽的雷诺数范围(2×10~5Re1×10~8)内;增大来流湍流度亦能引起的雷诺数无关现象,但此时该现象可能仅存在于一个较窄的低雷诺数范围内.     

Simulating high Reynolds number flow in two-dimensional lid-driven cavity by multi-relaxation-time lattice Boltzmann method

By coupling the non-equilibrium extrapolation scheme for boundary condition with the multi-relaxation-time lattice Boltzmann method, this paper finds that the stability of the multi-relaxation-time model can be improved greatly, especially on simulating high Reynolds number (Re) flow. As a discovery, the super-stability analysed by Lallemand and Luo is verified and the complex structure of the cavity flow is also exhibited in our numerical simulation when Re is high enough. To the best knowledge of the authors, the maximum of Re which has been investigated by direct numerical simulation is only around 50,000 in the literature; however, this paper can readily extend the maximum to 1000,000 with the above combination.     

Numerical simulation of LBGK model for high Reynolds number flow

A principle of selecting relaxation parameter was proposed to observe the limit computational capability of the incompressible LBGK models developed by Guo ZL (Guo model) and He SY (He model) for high Reynolds number flow. To the two-dimensional driven cavity flow problem, the highest Reynolds numbers covered by Guo and He models are in the range 58000－52900 and 28000－29000, respectively, at 0.3 Mach number and 1/256 lattice space. The simulation results also show that the Guo model has stronger robustness due to its higher accuracy.     

Lagrangian coherent structures analysis of gas-liquid flow in a bubble column

The objective of this paper is to apply a new identifying method to investigating the gas-liquid two-phase flow behaviors in a bubble column with air injected into water.In the numerical simulations,the standard k-?turbulence model is employed to describe the turbulence phenomenon occurring in the continuous fluid.The Finite-Time Lyapunov Exponent(FTLE)and Lagrangian Coherent Structures(LCS)are applied to analyze the vortex structures in multiphase flow.Reasonable agreements are obtained between the numerical and experimental data.The numerical results show that the evolution of gas-liquid in the column includes initial and periodical developing stages.During the initial stage,the bubble hose is forming and extending along the vertical direction with the vortex structures formed symmetrically.During the periodical developing stage,the bubble hose starts to oscillate periodically,and the vortexes move along the bubble hose to the bottom of column alternately.Compared to the Euler-system-based identification criterion of a vortex,the FTLE field presents the boundary of a vortex without any threshold defined and the LCS represents the divergence extent of infinite neighboring particles.During the initial stage,the interfaces between the forward and backward flows are highlighted by the LCS.As for the periodical developing stage,the LCS curls near the vortex centers,providing a method of analyzing a flow field from a dynamical system perspective.     

Imaging of supersonic flow over a double elliptic surface

The coherent structures of flow over a double elliptic surface are experimentally investigated in a supersonic lownoise wind tunnel at Mach number 3 using nano-tracer planar laser scattering(NPLS)and particle image velocimetry(PIV)techniques.High spatiotemporal resolution images and velocity fields of both laminar and turbulent inflows over the test model are captured.Based on the time-correlation images,the spatial and temporal evolutionary characteristics of the coherent structures are investigated.The flow structures in the NPLS images are in good agreement with the velocity fluctuation fields by PIV.From statistically significant ensembles,spatial correlation analysis of both cases is performed to quantify the mean size and the orientation of coherent structures.The results indicate that the mean structure is elliptical in shape and the structural angles in the separated region of laminar inflow are slightly smaller than that of turbulent inflow.Moreover,the structural angles of both cases increase with their distance away from the wall.     

不同压力下介质阻挡放电等离子体诱导流场演化的实验研究

采用粒子图像测速技术, 获得了不同环境压力下介质阻挡放电等离子体诱导流场启动涡随时间的演化规律和诱导流场分布的变化规律. 实验表明: 不同环境压力下, 诱导流场都会出现启动涡, 压力较高, 启动涡逐渐向右即向植入电极一侧扩散并最终消失, 扩散速度随时间递减, 压力较小, 诱导漩涡不会随放电时间的增大而消失; 环境压力减小, 等离子体诱导流场的启动时间减小, 诱导流场的法向分量增强、横向分量减弱, 诱导流线形状的变化规律是:L→U→V, L 型流线没有诱导漩涡, U 型流线有两个诱导旋涡, 分别分布在U 型凹槽和右侧, V 型流线有一个诱导漩涡, 分布在V 中间. 关键词： 介质阻挡放电 诱导流场 启动涡 演化