迎风通量差分分裂法对边界层特性的数值模拟

迎风通量差分分裂法作为一种高效率的数值方法,已被广泛地用于模拟各种复杂流场,但用这类方法模拟有边界层存在的超音速粘性流场时,必须保证通量差分分裂为守恒的;否则,将在边界层内引入一个可观的虚假人工扩散项和压力梯度项,歪曲了边界层特性。本文就这个问题进行理论和数值的研究。     

对管内湍流边界层结构与流动阻力特性的数值研究

在研究紊流边界层的过程中,本文考虑了分子粘性对紊流产生的作用、雷诺数以及壁面附近脉动动能的耗散不是各向同性对紊流产生的影响,采用Jones-Launder模型对管内紊流流动边界层厚度、边界层内的脉动动能K,动能耗散ε,管壁切应力τ0以及由此可得的管内流动摩擦阻力系数λ进行了数值计算,计算结果与实验值、理论计算值得具有较好的一致性。     

湍流水沙边界层扩散传质浓度和通量的精确解

为探索河道及消落带水沙传质效应对自然水体水质的影响,研究湍流条件下水沙边界层的传质机理,本文引入传质阻抗,在涡旋扩散封闭假设的基础上,通过水沙边界层阻抗分布预测物质浓度分布,数值模拟紊动对水沙边界层扩散传质浓度分布和传质通量的影响。研究结果表明：根据传质阻抗（mass-transfer resistance）分布预测物质浓度分布是研究水沙边界层传质的重要方法;由物质浓度分布推导的传质系数 mh 、剪切速度*u 、施密特数Sc的相互关系式( m 0.0827*h=u Sc?2/3)能为气液边界层传质通量的研究提供理论依据;由泥沙表面到自由水流的传质总阻抗关系式( R′=12.092 Sc u 2/3 T*)可得,总阻抗随施密特数的2/3次幂增长,且总阻抗与剪切速度成反比,即传质阻抗随剪切速度的增加而下降。     

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。     

一种激波稳定的对流-压力通量分裂格式

针对欧拉方程三种流行的对流-压力通量分裂方法(Liou-Steffen,Zha-Bilgen和Toro-Vázquez)进行特征分析,进而提出一种新的对流-压力通量分裂格式。采用Zha-Bilgen分裂方法将欧拉方程的通量分裂成对流项和压力项两部分,使用TV格式来计算这两部分的数值通量。利用压力比构造激波探测函数,并且在强激波附近的亚声速区域增加TV格式的剪切粘性来克服数值模拟中的激波不稳定性。数值算例的计算结果表明,新的对流-压力通量分裂格式不仅保留了原始TV格式精确分辨接触间断的优点,而且具有更好的鲁棒性,在数值模拟多维强激波问题时不会出现不稳定现象。因此,该格式是一种精确并且具有强鲁棒性的数值方法,可以广泛地应用于可压缩流体的数值计算中。     

数值求解Navier—Stokes方程的迎风紧致差分格式

从迎风紧致逼近^[1]出发,提出数值求解可压Navier-Stokes方程的一种高精度的数值方法。利用Steger-Warming的通量分裂技术^[2]将守恒型方程中的流通向量分裂成两部分,在此基础上据风向构造逼近于无粘项的三阶迎风紧致有限差分格式。对方程中的粘性部分采用通常的二阶差分逼近。所建立的差分格式被用来数值求解了三维粘性绕流问题。     

湍流边界层中固体颗粒运动的数值模拟

根据Ｌａｇｒａｎｇｅ颗粒运动微分方程及不可压缩湍流边界层中流体的壁面速度分布规律，数值求解了颗粒在湍流边界层中的运动，考虑了Ｓａｆｆｍａｎ升为对颗粒运动的影响，壁面对运动阻力的影响，给出了固体颗粒沉积边壁，在边界层外缘上所需的最小速度和最小入射角，计算结果还表明边界层对固体颗粒撞击边壁的速度和入射角有较大影响，从数值结果可可以发现一个重要现象。     

离心叶轮正冲角流场计算的边界层方法

本文使用stanitz快速分析法计算主流,用积分法计算带旋转和曲率的二维不可压湍流边界层.通过流量方程将两者紧密联系起来、同时求解,能够连续计算至分离区.可方便快速地用于估算离心叶轮在正冲角工况下的流场.     

管道凸起激波/湍流边界层干扰的数值模拟

采用基于部分平均的湍流方程组,模拟了管道凸起流动中两种不同强度的激波-湍流边界层干扰现象,对流场的时均参数与实验值进行了比较,计算得到的壁面压力分布、摩阻系数分布、边界层厚度和速度型与实验值比较吻合很好.结果表明基于部分平均的湍流方程组既能够准确模拟小分离的激波/湍流边界层干扰流动又能够准确模拟大分离的激波/湍流边界层干扰流动,较好地预测了典型的λ激波结构.     

一个高分辨率的矢通量分裂—TVD杂交新格式

本文提出了一个新的杂交格式,它将Steger-Warming的矢通量分裂与Harten的TVD格式紧密结合在一起,构造了一个高分辨率的新格式,用于计算跨声速流场和捕获激波。典型的定常跨声速叶栅流算例表明:当Courant数取6～100时,一般在90步内残差的二范数下降三个数量级,这样的收敛率要比Beam-Warming格式快得多;观察残差的收敛历史发现:收敛曲线并无大的波动;分析激波附近的数值结果,没出现“低亏,过跳”、伪振荡现象,叶盆和叶背面上激波前或激波后的参数无波动;在60×15网格下捕获的激波过渡区不超过2个网格,表明了该格式具有较高的分辨率,能在不人为附加耗散项的条件下给出高质量无数值波动的激波流场解。     

FLUX DIFFERENCE SPLITTING FOR THREE-DIMENSIONAL STEADY INCOMPRESSIBLE NAVIER–STOKES EQUATIONS IN CURVILINEAR CO-ORDINATES

A collocated discretization of the 3D steady incompressible Navier–Stokes equations based on a flux-difference-splitting formulation is presented. The discretization employs primitive variables of Cartesian velocity components and pressure. The splitting used here is a polynomial splitting introduced by Dick and Linden of Roe type. Second-order accuracy is obtained with the defect correction approach in which the state vector is inter-polated with van Leer's κ-scheme. The underlying solution technique to solve the discretized equations is a parallel multiblock multigrid method. Several 2D and 3D test problems such as driven cavity and channel flows are solved.     

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.     

对流边界层大涡自组织过程的数值研究

利用简化的边界层日变化干对流模式,结合非线性热力学观点,数值模拟并分析了日间对流边界层中大涡形成、发展及衰亡的动力和热力学特征.结果表明,对流边界层中大涡始终处于不稳定状态,大涡的自组织合并和破碎串级输送过程同时并存,前者与边界层系统的局部减熵相对应,后者与对流边界层的总体增熵效应对应;大涡的演变是对流边界层总体增熵这一稳定因素和局部减熵这一不稳定因素相互竞争的结果.     

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．      

改进虚拟边界算法在超声速流动问题求解中的应用

提出了一种改进的虚拟单元浸没边界法, 并与一种高阶格式的有限差分算法相结合, 运用于求解超声速复杂几何绕流问题.该算法的核心思想在于在固体边界的内部和外部分别施加满足边界关系的作用点, 使得几何边界离散更加细化, 起到了壁面附近网格局部加密的作用.采用源空间内流体点作为反距离插值算法的重构点, 有效避免了插值点数目过少而与作用点相重合情况.通过对二维激波反射现象 (马赫数为 2.81) 和三维超声速球体绕流问题 (马赫数为 1.2) 的数值模拟, 与实验结果对比表明, 本文改进算法相对一般的虚拟边界法来说能显著提高数值精度, 减小计算误差.计算结果揭示了球体绕流中剪切层、压缩波系和尾迹的相互作用导致自由剪切层失稳的机理.剪切层厚度和湍流雷诺脉动经历了线性增长、大幅度震荡和小幅度波动三个阶段, 导致剪切层表面褶皱因子变化呈指数规律增长.其湍流结构表现出明显的各向异性, 具体在流向雷诺正应力在湍流脉动中占主导地位, 激波的压缩作用对不同方向雷诺正应力的影响存在空间迟滞效应.      

考虑法向压力梯度的三维旋转边界层计算

本文以量级分析为基础,建立了一般曲线坐标系上的三维旋转边界层方程。对旋转在边界层中的影响进行分析之后,提出了一个能够处理壁面法向压力梯度不为零问题的压力梯度迭代方法。在传统的Box法的基础上发展了一套完整的求解三维旋转边界层的方法和程序,并对螺旋面、压气机转子叶面以及圆柱面上的旋转边界层进行了计算,与他人的计算和实验的对比分析表明,该方法和程序是正确的,可用于求解任意几何物面上的三维旋转边界层。     

THE NEW SOLUTION FOR THE AXIALLY SYMMETRICAL LAMINAR BOUNDARY LAYER EQUATIONS BETWEEN TWO PARALLEL SPHERICAL SURFACES

The transformations, which are similar to Mangler's transformations, are given in this paper. They change the entrance region flow of axially symmetrical laminar boundary layer between two parallel spherical surfaces into the flow of two-dimensional boundary layer, and simplify the problems. The simplified equattons can be solved by the two-dimensional boundary layer theory and numerical methods. Therefore, a new way is opened up to solve the diffusive laminar fiow in the entrance region between two parallel spherical surfaces.