颗粒圆孔射流碰撞并行直接数值模拟算法研究

本文对空间模式发展的颗粒圆孔射流碰撞进行了并行直接数值模拟算法研究。气相采用可压缩的N-S方程直接求解。颗粒相采用Lagrangian方法跟踪实际的颗粒运动。利用并行求解算法,实现了颗粒穿越边界面的模拟以及高效颗粒碰撞算法。考虑了颗粒和流体的双相耦合以及颗粒之间的碰撞。在本文的计算条件下,颗粒的直径远小于网格的间距,平均的Kolmogorov尺度和网格的间距在一个量级。气相和颗粒相的应力与实验的对比研究表明,本文的颗粒并行程序是可信的。     

直接模拟离散颗粒对湍流射流的影响

发展了一种基于双向耦合的直接数值模拟方法,研究了两相湍流射流中离散颗粒对气相射流的影响。流场采用高分辨率的算法直接耦合求解,颗粒相采用拉格朗日方法跟踪。结果表明不同Stokes数的颗粒对射流的影响不同。所有的颗粒都降低了射流速度半宽,但对流向平均速度剖面的影响比较复杂.Stokes数为0.01和50的颗粒降低了横向平均速度,使得湍流强度剖面变的更宽更低;而Stokes数为1的颗粒则增加了横向平均速度,降低了湍流强度。     

转捩射流中涡结构与颗粒扩散的直接模拟

为考察转捩射流中拟序结构的空间演化过程及其对不同Stokes颗粒扩散的影响,采用有限容积方法和分步投影算法对三维气固两相射流进行了直接模拟。其中流体控制方程组的时间积分采用低存储三阶精度的Runge-Kutta格式; 颗粒的跟踪在拉格朗日框架下进行。模拟结果发现,在流场拟序结构由大尺度转化为小尺度的过程中,中、小Stokes数的颗粒能自发地调整它们的扩散方式,分别由非均匀状态向均匀状态以及由均匀状态向非均匀状态转变。     

三维射流中颗粒碰撞的直接数值模拟

采用硬球模型对三维气同两相射流中Stokes数为10的中等颗粒的碰撞行为进行了直接数值模拟,以初步考察两相流动中颗粒碰撞的特件.颗粒的跟踪采用单向耦合的Lagrangian方法,计算分析了颗粒碰撞随空间、时间的演化及其对颗粒分布不均匀性的影响.模拟结果表明颗粒碰撞主要分布在流场巾颗粒局部浓度较高的区域;由于射流初期大尺度涡结构的影响,颗粒的浓度分布最为不均,因此碰撞次数在这一时期随时间呈线性增加,达到最大值后逐渐回落趋于平缓.此外,对网格中颗粒个数分布的矩的统计发现,碰撞对颗粒分布不均匀性的影响随时间呈现不同的特性.     

三维可压缩圆孔单相射流近场DNS并行数值模拟研究

本文对圆孔射流近场的湍流统计量进行了DNS模拟研究.模拟的Re=5000,计算网格3000万,计算CPU个数为60.采用MPI并行求解了可压缩的射流守恒方程,包括连续性方程、动量方程、能量方程和理想气体的状态方程.对射流近场(30d以内,d为喷口的直径)的湍流统计量的迁移规律进行了系统的分析.研究了入口湍流条件对射流统...     

气固两相平面混合层的直接数值模拟

本文采用直接数值模拟(DNS)方法研究了气固两相混合层的涡量场和颗粒扩散,分析了湍流混合层中涡结构的卷起和配对过程,并讨论了大尺度涡结构的配对过程对平均速度、雷诺应力的影响。同时分析了混合层中不同Stokes数的颗粒在涡结构的作用下的混合和扩散。结果显示Stokes数为1的颗粒主要分布在流场大尺度涡结构的外边界,而Stokes数为0.01在涡结构的作用下,在流场中充分混合。     

非等温气固两相各向同性湍流的直接数值模拟

本文对非等温气固两相各向同性湍流中颗粒及颗粒所见流体温度的统计行为进行了直接数值模拟研究,系统地讨论了颗粒惯性的影响。对于Tp/Tk<1的颗粒,其温度脉动随惯性增大而减弱;对于Tp/Tk>1的颗粒,其趋势相反。颗粒及颗粒所见流体温度的自相关都随颗粒惯性的增加而减弱,而且随颗粒惯性的增加,颗粒所见流体温度的自相关比颗粒自身温度的自关联下降得快。     

气固两相三维圆柱绕流的直接数值模拟

本文采用直接数值模拟(DNS)方法研究了气周两相三维圆柱绕流的涡量场和颗粒扩散,并着重讨论了圆柱绕流中卡门涡街的形成和涡结构的转捩过程。同时分析了圆柱绕流中不同Stokes数的颗粒在涡结构作用下的横向扩散。结果显示Stokes数为1的颗粒主要分布在流场大尺度涡结构的外边界,而Stokes数为0．01的颗粒在涡结构的作用下,在流场中充分混合。     

三维射流中颗粒与流体的双向耦合作用

采用基于欧拉一拉格朗日的双向耦合模型对三维气固两相平面射流中颗粒与流体的双向耦合作用进行了直接数值模拟.在考虑颗粒相的反作用后,气相运动采用直接耦合求解,计算颗粒场时,选取Stokes数为0.1的较小颗粒,采用Lagrangian方法跟踪其运动.重点考察了颗粒相与流体相之间的相互作用,分析了不同固相载率的颗粒对流场特性以及对自身扩散的影响.模拟结果表明由于颗粒的影响,在射流入口处流场最初生成的两个大涡沿横向被拉伸,而在射流下游区域,涡结构则沿流向被拉伸;在射流的下游,颗粒降低了流场中心区域的流向平均速度,削弱了流场中心区域的湍流强度.此外,跟单向耦合相比,双向耦合情况下的颗粒分布更加均匀,并且均匀程度随固相载率的增加而增大.     

气固两相圆柱绕流的直接数值模拟

本文运用谱元方法对气固两相圆柱绕流进行了直接数值模拟。在获得高精度计算流场信息基础上,进行颗粒扩散运动的研究。通过研究颗粒大小对颗粒扩散运动的影响来刻画气固两相圆柱绕流的物理特征。研究时发现,由于圆柱尾流独特的涡结构特征,颗粒在流场中心轴线附近区域的扩散机理主要是决定于吸力作用,该作用会驱使小颗粒卷吸进入圆柱尾部近壁区,甚至与圆柱后壁发生碰撞,这种扩散机理与混合层中颗粒扩散机理明显不同。     

H_2/N_2湍射流抬升火焰的直接数值模拟

使用上海超算中心的并行计算机模拟了一个实验参数下的湍流射流抬升火焰。该实验的喷口直径为4.57 mm,实验雷诺数达到了23600。为了完成这个高雷诺数射流燃烧的直接数值模拟,共采用了1024个CPU,共计2.85亿网格。主要介绍了采用的直接数值模拟方法,实验的具体参数以及选取该实验作为模拟对象的原因。最后用直接数值模拟的结果具体分析该实验的着火机理。     

一种限制周期气固两相流直接数值模拟中整体质量流率的新方法

全周期边界条件的气固两相流系统是研究气固相互作用的一个常用计算模型。为平衡周期气固系统在流向上的受力,常对系统施加平衡系统总重力的固定压力梯度,但由于数值误差的影响,这种固定压力梯度的方法会使得气固系统整体不断加速进而导致模拟失真。为了降低系统质心加速度的影响,本文先后采用了前人提出的固定整体质量流率方法和本文提出的压力梯度后验修正方法,并对两种方法的模拟结果进行了对比。     

颗粒碰撞的直接模拟算法

为研究细微颗粒间平均碰撞率,构建了直接模拟三维空间内颗粒碰撞的数值方法.对剪切流内夹带的无惯性颗粒和自由运动颗粒的碰撞过程分别进行了数值模拟,得到的颗粒平均碰撞率的模拟值与理论值的相对误差小于1%.在碰撞颗粒对的搜索过程中,引入网络排除法等优化措施,使计算量降低两个量级以上,而不增大相对误差.采用不同的Δt模拟同一颗粒群的运动,发现较小的时间步长可以避免因为截断误差增大的相对误差.在不遗失颗粒碰撞的条件下,较密的计算网格可明显减少计算量.     

变燃速发射药两相流内弹道模型及数值模拟

 为了更好地描述变燃速发射药的膛内燃烧及内弹道过程,对中心开孔式双层结构的变燃速发射药建立了一维两相流内弹道数学模型,在Φ30 mm火炮装填条件下采用二阶精度的Lax-Wendroff差分格式进行计算,得到了数值解。计算结果表明：膛内压力和炮口初速度变化曲线的计算值与实测值符合较好,说明此两相流内弹道模型可以准确地反映变燃速发射药的内弹道过程;变燃速发射药可以有效地减少膛内压力波的产生,对于安全射击具有重要意义。通过对气、固相速度及膛内压力波等计算参数进行分析,可以对变燃速发射药的内弹道过程研究起指导作用。     

低温气液两相流数值计算

低温工质两相流动在很多场合都存在,研究深冷剂在两相流动时参数的分布有着很重要的作用.文中采用一维均相流模型对液氮循环流动过程进行稳态数值模拟,得到了循环流动过程中液氮含汽率、压力和温度沿管程方向的分布情况,并对由于不同回路条件引起的不同结果进行了分析.     

超音速过流串联双空腔流场的DNS研究

本文采用直接模拟方法对超音速气流过流串联双空腔的流场进行研究,并与单空腔模型对照,分析了马赫数分别为1.5和2.5时双空腔之间的相互作用。结果显示空腔剪切层振荡对全场流动的控制作用,上游空腔对下游空腔中剪切层的运动有加强的趋势,它同时还可降低下游空腔壁面上的声压级;而下游空腔对上游空腔的影响则很微弱。串联双空腔产生的噪声辐射具有明显的方向性,其传播方向受马赫数的影响。     

湍流分层燃烧的直接数值模拟和小火焰模型研究

湍流分层燃烧广泛应用于工业燃烧装置,但是目前还比较缺乏适用于湍流分层燃烧的高精度数值模型。本文利用直接数值模拟数据库,对高Karlovitz数分层射流火焰的小火焰模型表现进行了先验性评估。考虑了两种小火焰模型,一种是基于自由传播层流预混火焰的小火焰模型M1,另一种是基于分层对冲小火焰的小火焰模型M2。研究发现M1和M2在c-Z空间的结果与直接数值模拟在定性上是一致的。在物理空间,M2对过程变量反应速率脉动值的预测结果要优于M1.     

Direct Numerical Simulation of a Spatially Evolving Supersonic Turbulent Boundary Layer at Ma = 6

Direct numerical simulation is carried out for a spatially evolving supersonic turbulent boundary layer at freestream Mach number 6. To overcome numerical instability, the seventh-order WENO scheme is used for the convection terms of Navier-Stokes equations, and fine mesh is adopted to minimize numerical dissipation. Compressibility effects on the near-wall turbulent kinetic energy budget are studied. The cross-stream extended self-similarity and scaling exponents including the near-wall region are studied. In high Mach number flows, the coherence vortex structures are arranged to be smoother and streamwised, and the hair-pin vortices are less likely tO OCCUr.     

双颗粒在溶解条件下沉降的多相流动特性

对牛顿流体内溶解双颗粒在垂直管道中的沉降运动进行了直接数值模拟. 流体运动由守恒方程计算, 密度和黏性的变化考虑流场温度变化的影响, 通过积分粘性应力和压力获得颗粒的受力跟踪颗粒运动, 溶解引起的相变及其形状的变化由溶解潜热、溶解质量与分散相边界处的温度梯度的关系建立的方程决定. 通过颗粒和流体间相互的作用力和力矩及边界条件的施加实现相间耦合. 对双颗粒在等温流体无溶解条件和非等温流体溶解条件下的沉降过程进行了计算. 结果表明, 在一定雷诺数内, 热对流产生的颗粒尾迹处涡的脱落以及溶解引起的颗粒质量、颗粒表面形态的变化引起了颗粒的横向摆动, 并使颗粒沉降速度发生了变化.