提升管内稠密气粒两相流动大涡模拟

本文采用双流体模型,引入颗粒动力学理论,对提升管内的稠密气粒两相流动进行了大涡模拟。采用改进的分步投影法对滤波后的方程进行显式求解,小尺度量采用Smagorinsky亚格子模式模拟。模拟结果给出的颗粒相速度分布、浓度分布与实验值基本吻合,气固两相存在速度滑移。模拟结果合理预报出了提升管内的环-核流动结构。     

高密度CFB提升管内气固两相曳力修正模型及冷态实验验证

通过实验和模拟方法考察了高气速,高固体通量循环流化床提升管内B类颗粒的流动情况.根据EMMS(energyminimization multi-scale)理论提出了改进的曳力修正表达式,同时与传统的曳力模型如Gidaspow,O'Brien-Syamlal,Koch-Hill-Ladd的计算结果进行了比较.结果表明:使用本文提出的修正曳力模型的计算模拟结果与实验值得到了较好的吻合.     

提升管喷嘴进料段内气固两相流动的数值模拟

本文采用κ-ε-κ_p-κ_(pg)-θ模型,模拟了提升管喷嘴进料段内三维稠密气固交叉射流的复杂流动现象.结果表明,实验值和模拟值具有相同的变化趋势,再现了提升管喷嘴进料段内颗粒相的流动特点.     

数值模拟颗粒旋转对流化床内气固两相流动特性的影响

流化床内颗粒自旋转将影响颗粒相的流动特性.本文运用基于颗粒动理学理论的欧拉-欧拉气固多相流模型,考虑颗粒自旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散的影响,数值模拟流化床内气体颗粒两相流动特性.计算结果表明颗粒的自旋转使得床内更容易形成气泡,颗粒浓度分布变化增大.颗粒自旋转运动将导致床内非均匀结构更明显.     

后台阶气固两相流动的大涡模拟

本文基于开源计算流体力学软件OpenFOAM,开发了气固两相流动双向耦合求解器,并对Re=13800、颗粒直径为150μm的玻璃球的后台阶两相流动进行了计算。其中气相采用大涡模拟方法,用盒式过滤函数对流体相控制方程过滤求解。颗粒相采用拉格朗日方法对颗粒进行跟踪。将计算结果和实验数据进行对比,以此来检验颗粒受力计算模型和亚格子气固两相求解器的准确性。     

基于拟颗粒的气固两相曳力模型研究

为了研究气固两相流动大涡模拟中合适的曳力计算模型,本文引入拟颗粒和拟颗粒表面能的概念,通过拟颗粒表面能与外界输入能量之间的平衡关系来确定拟颗粒的粒径。根据拟颗粒粒径,得到运算量较小且考虑颗粒团聚效应的曳力计算模型。应用本文的曳力计算模型对二维竖直槽道内稠密气固两相流动进行了大涡模拟,结果表明颗粒的浓度分布具有上稀下浓,壁面附近浓中心稀及颗粒聚集等特点。这与实验结果在定性上是一致的。对气相和颗粒相的瞬时速度场进行了分析,发现气相和颗粒相速度场分布的非对称性是形成颗粒浓度分布壁面附近浓中心稀的重要原因之一。     

圆形射流湍流场的大涡模拟研究

使用发展的大涡模拟并行程序,数值模拟了圆形射流湍流场,与实验值进行详细比较,对大涡模拟程序进行检验,并分析网格尺度对计算结果的影响。结果表明,大涡模拟计算的平均速度场和雷诺应力场与实验值符合得非常好,验证了该大涡模拟计算程序的可靠性和精确度。同时发现一阶统计矩受网格尺度影响不大,二阶及高阶矩与网格尺度有较大的关系,因此使用大涡模拟方法计算湍流及湍流燃烧问题应对网格依赖性进行必要分析,至少保证二阶统计矩具有较好的精度。     

多组分颗粒稠密气固两相流动的数值模拟

基于气体分子运动理论和颗粒动理学方法，建立多组分颗粒气固两相流等温流动模型。模型考虑了颗粒相各组分颗粒温度的差异、气相与颗粒相以及颗粒相各组分之间的动量和能量的传递和耗散，以及相间作用。建立颗粒相粘性系数、颗粒相压力等物性参数计算模型。模拟计算颗粒相浓度、粒径分布等参数与实测值相吻合。     

尺度自适应模拟和大涡模拟的关联性分析

采用理论分析和数值模拟相结合的方法,系统研究了尺度自适应模拟（scale-adaptive simulation,SAS）和大涡模拟（large-eddy simulation,LES）的关联性问题.在理论分析方面,对比分析了系综平均和滤波的定义、Spalart-Allmaras（SA）湍流模型和动态亚格子（subgrid-scale,SGS）模型关于湍流黏性系数的求解方式.理论分析结果表明,系综平均等价于盒式直接滤波,SAS和LES的控制方程在数学形式上具有一致性;SAS存在过多的湍流耗散,主要来自于SA输运方程中的扩散项.在数值模拟方面,选取来流Mach数0.55,Reynolds数2×105的圆柱可压缩绕流为分析算例.计算结果表明,SAS和LES预测的大尺度平均流场信息几乎一致,SAS预测的湍流脉动信息略低于LES.SAS在圆柱近尾迹区的湍流耗散过大,而在稍远的尾迹区几乎能够完全等效于LES.      

基于Lattice Boltzmann方法的圆柱绕流大涡模拟

Lattice Boltzmann(LB)方法是近年来出现的一种流体计算的新方法,在流体力学及相关领域取得了很大的成功。但LB方法在模拟湍流流动时常常引起计算的不稳定。本文基于一种结合大涡模型的LB方法对圆柱绕流问题进行的模拟,并与其他文献的实验结果和计算结果进行对比。计算表明:这种混合LB方法能获得比较满意的结果。     

壁面在展向作周期运动的槽道湍流的大涡模拟

分别采用3种亚格子模式:传统的Smagorinsky模式、动力Smagorinsky模式和Cui(2004)基于Kolmogorov方程所提出的新模式,对壁面在展向作周期运动的槽道湍流进行了大涡模拟,以考察这3种模式对平均运动为三维、非定常的湍流流动的模拟能力.通过对湍流基本统计量的分析,发现动力模式和新模式都可以较好地预测这种三维非定常的湍流流动;对相位平均的湍流统计量,动力模式的结果略优于新模式;传统的Smagorinsky模式对这种流动的预测结果是最差的.     

风电场的大涡数值模拟

本研究小组开发了一个应用于风电场微观选址的大涡数值模拟程序,本文介绍了利用该程序分别模拟气流通过方柱、半圆柱和半球等障碍物的流场,并通过比较一段时间内非稳态流场的模拟平均值与实验测量结果,检验了程序的准确性和精确度,同时对模拟结果和实验结果进行了误差分析。     

低阶格式在大涡模拟计算中的适用性

采用三维Taylor-Green涡作为研究对象,利用工程中常用的低阶数值格式,研究格式本身的数值误差对大涡模拟计算的影响.结果表明:三种数值格式的数值耗散行为都与亚格子模型行为类似,即在小雷诺数下,流场比较光滑时,耗散很小,当雷诺数增加,流动转捩为湍流,流场梯度增大,耗散显著增大.对于MUSCL格式和二阶有界中心格式,在高雷诺数下,亚格子尺度模型没有明显改善计算结果,但也没有使计算结果恶化.中心格式相比其它两种格式,数值耗散最小,但是在高雷诺数湍流情况下,中心格式的数值耗散仍然主导了能量的耗散,再添加亚格子模型,计算结果反而变得稍差.对于工程中的低阶格式而言,采用中心格式计算大涡模拟是比较好的选择,而且在计算不存在稳定性问题时,采用不添加亚格子模型的隐式大涡模拟效果更好.     

横向粗糙元壁面槽道湍流的大涡模拟研究

采用大涡模拟和浸没边界法相结合对不同高度和不同间距横向粗糙元壁面槽道湍流进行了模拟,得到了光滑壁面和粗糙壁面湍流的流向平均速度分布,雷诺剪切应力,脉动速度均方根和近壁区拟序结构。结果发现横向粗糙元降低了流向平均速度,增大了流动阻力,粗糙壁面湍流的雷诺剪切应力大于光滑壁面。粗糙元降低了流向脉动速度,增强了展向和法向脉动速度。粗糙元高度越高,对湍流流动影响越大,而粗糙元间距对湍流统计特性的影响不大。粗糙壁面仍然存在着和光滑壁面类似的条带结构。     

各向同性紊流能量衰减的大涡模拟

在多重网格驱动的,高效且得到充分验证的有限体积方法的基础上发展了可压缩流大涡模拟的方法.空间离散采用Jameson的中心格式附加二阶和四阶耗散的方法,时间推进则采用了双时间步长的方法.亚格子剪切应力张量和亚格子热通量用Smagorinsky模型进行模拟.通过对各向同性紊流能量衰减的模拟来验证本方法的准确性和高效性,模拟得到的能量谱和紊流动能衰减历程与过滤后的CBC实验数据吻合良好.     

方柱绕流大涡模拟

采用有限体/有限元混合格式、非结构网格和大涡模拟方法求解可压缩的N-S方程,对Re=22 000的方柱绕流进行数值模拟,并对不同的边界条件进行详细的分析比较.通过对以往研究经验的总结和利用精细的边界条件,使得采用二阶精度的数值格式和较稀疏的网格仍然得到了令人满意的计算结果,甚至优于以往采用密网格的模拟结果.     

Predictions of Conjugate Heat Transfer in Turbulent Channel Flow Using Advanced Wall-Modeled Large Eddy Simulation Techniques

In this paper, advanced wall-modeled large eddy simulation (LES) techniques are used to predict conjugate heat transfer processes in turbulent channel flow. Thereby, the thermal energy transfer process involves an interaction of conduction within a solid body and convection from the solid surface by fluid motion. The approaches comprise a two-layer RANS–LES approach (zonal LES), a hybrid RANS–LES representative, the so-called improved delayed detached eddy simulation method (IDDES) and a non-equilibrium wall function model (WFLES), respectively. The results obtained are evaluated in comparison with direct numerical simulation (DNS) data and wall-resolved LES including thermal cases of large Reynolds numbers where DNS data are not available in the literature. It turns out that zonal LES, IDDES and WFLES are able to predict heat and fluid flow statistics along with wall shear stresses and Nusselt numbers accurately and that are physically consistent. Furthermore, it is found that IDDES, WFLES and zonal LES exhibit significantly lower computational costs than wall-resolved LES. Since IDDES and especially zonal LES require considerable extra work to generate numerical grids, this study indicates in particular that WFLES offers a promising near-wall modeling strategy for LES of conjugated heat transfer problems. Finally, an entropy generation analysis using the various models showed that the viscous entropy production is zero inside the solid region, peaks at the solid–fluid interface and decreases rapidly with increasing wall distance within the fluid region. Except inside the solid region, where steep temperature gradients lead to high (thermal) entropy generation rates, a similar behavior is monitored for the entropy generation by heat transfer process.     

基于FGM的湍流射流扩散火焰超大涡模拟

为了研究超大涡模拟(VLES)预测湍流燃烧问题的能力,本文采用VLES结合基于假定概率密度函数的火焰面生成流型(FGM)建表湍流燃烧模型对值班甲烷/空气湍流射流扩散火焰(Sandia Flame D)开展了高精度数值研究,并与实验结果进行了详细比较.结果表明本文发展的VLES-FGM方法可以较准确地预测出湍流射流扩散火...