新型大涡数值模拟亚格子模型及应用

基于湍流大小尺度间动量输运的结构函数方程,提出了一种新的湍流大涡模型(LES)亚格子涡粘模式．新亚格子涡粘系数正比于纵向速度增量的扭率,它表征大小尺度湍流间的能量输运和耗散之比．新模式通过各向同性湍流直接数值模拟数据库的检验,并用于槽道湍流的大涡模拟计算,将所得结果与DNS结果进行了比较．     

不同亚格子模式在后台阶湍流流动大涡模拟中的应用

本文用大涡模拟方法研究了湍流后台阶流场中的大涡演变过程,并在此基础上研究了目前大涡模拟中比较常用的六种亚格子模式。在相同的流动几何参数以及计算条件下,给出了不同亚格子模式下湍流流动瞬时压力场以及流场中瞬时粘性大小的分布,尤其给出了流场瞬时演变的大尺度涡结构。将六种亚格子模式从回流区长度、计算时间、计算结果的准确性和流场稳定性等不同角度进行了比较。为选取合适的亚格子模式深入研究湍流耗散机理奠定了基础。     

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.     

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。     

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。     

大雷诺数Navier-Stokes方程的两水平亚格子模型稳定化方法

基于两重网格离散方法,提出三种求解大雷诺数定常Navier-Stokes方程的两水平亚格子模型稳定化有限元算法.其基本思想是首先在一粗网格上求解带有亚格子模型稳定项的Navier-Stokes方程,然后在细网格上分别用三种不同的校正格式求解一个亚格子模型稳定化的线性问题,以校正粗网格解.通过适当的稳定化参数和粗细网格尺寸的选取,这些算法能取得最优渐近收敛阶的有限元解.最后,用数值模拟验证三种算法的有效性.     

三维槽道两相流颗粒运动的大涡模拟

利用基于动态粘性亚网格模型的大涡模拟方法,分别模拟了Reτ=180的三维槽道湍流内的三种颗粒,以及Reτ分别为180和395时的塑料颗粒的运动状况。其中气相控制方程的求解采用分步投影方法,泊松方程采用基于FFT的快速求解,颗粒的拉氏控制方程采用二阶龙格-库塔积分．模拟统计得到了流体和颗粒的平均速度、脉动速度等,不同的颗粒在流场中(特别是近壁区)表现出来了不同的行为,并再现了颗粒在壁面附近局部富集的现象．随Reτ提高,颗粒各方向上的速度脉动都有所增强．     

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.     

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.     

带通道插件管道流磁流体动力学效应的数值模拟

采用二维完全发展流模型对聚变反应堆包层带通道插件和压力平衡槽隙的矩形磁流体管流的MHD效应进行数值模拟,分析速度分布,MHD压降随哈德曼数以及通道插件的电导率的变化规律.与无插件磁流体管流相比,带绝缘通道插件管流MHD压降显著降低,MHD压降随哈德曼数的增加而减小,通道插件材料的电导率增加MHD压降系数减小.压力平衡槽隙处的回流与通道插件的电导率有关.在宏观上计算结果与实验结果和简化理论结果一致.     

Reynolds数22 000的孤立方柱绕流的大涡模拟

方柱绕流是典型的钝体绕流问题,蕴含了丰富的流体力学现象,对这类流动的准确预测面临着诸多挑战.采用自主发展的大涡模拟程序,对来流Mach数M=0.3,Reynolds数Re_D=22 000的绕孤立方柱流动进行了细致模拟,亚格子模型使用动力涡黏模型.对计算结果的分析表明,大涡模拟所得的平均流场及Reynolds应力分布与已有实验数据和直接数值模拟结果均吻合较好,验证了预测结果的可靠性;在此基础上对瞬态流场进行了研究,展示了计算条件下方柱绕流分离转捩及尾迹区旋涡交替脱落形成Karman涡街的全过程,为更细致的流动机理探索奠定了基础.      

Prediction of Heat Transfer and Fluid Flow Effects on Entropy Generation in a Monolithic Catalytic Converter Using Large-Eddy Simulation

In the present work, heat transfer and fluid flow and their effects on entropy generation in a realistic catalytic converter of a Lada Niva 21214 vehicle are studied using large eddy simulation. At first, the pressure drop over the catalytic converter is measured for dry air at constant temperature (T=298 K), different volumetric flow rates, and extrapolated to large volumetric flow rates for dry air (T=298 K) and for the exhaust gas under realistic engine conditions (T=900 K) using the Darcy–Forchheimer relation. Then, coupled heat and fluid flow phenomena inside the catalytic converter are analyzed for nonreacting isothermal conditions and nonreacting conditions with conjugate heat transfer by using the large-eddy simulation. The predicted pressure drop agrees well with the measured and extrapolated data. Based on the obtained numerical results, the characteristic flow features are identified, namely: the impinging flow with stagnation, recirculation, flow separation and laminarization within the fine ducts of the monolith, which depends on the heat transfer through temperature-dependent thermophysical properties of exhaust gas. Moreover, due to high-velocity gradients at the wall of the narrow ducts in the monolith, entropy production by viscous dissipation is observed predominantly in the monolith region. In contrast, entropy production due to heat transport is relatively small in the monolith region, while it overwhelms viscous dissipation effects in the pipe regions.     

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。     

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.      

Numerical Simulation of Flow Patterns in Cyclones of Different Cone Dimensions

This paper presents the numerical simulation of the flow patterns within three cyclones of different cone dimensions. The simulation was performed with commercial CFD package FLUENT V5.5. The accuracy of the simulation was tested by comparison with the available experimental data. Simulation results show that the cone dimension significantly influences the flow pattern within cyclones. The comparison of the flow patterns within the cyclones of different cone dimensions explained well the different separation behavior of these cyclones. The results suggest that the CFD simulation is capable of predicting changes in flow patterns resulting from cyclone configuration modification.     

低温液体流动沸腾数值计算中的相间传热模型

采用双流体模型预测了液氮在垂直管内的流动沸腾过程,着重考察和评价了五个常用的相间传热模型对数值计算结果的影响,找出了最优的相间传热模型;同时,研究还发现相间传热模型对流动压降的预测并无明显影响.     

液态包层流动通道插件三维MHD效应数值模拟

用直接数值方法对高效液态锂铅包层内的金属流体三维MHD效应进行分析。用投影法对包含洛仑兹力源项的不可压Navier．Stokes方程求解,用相容守恒格式计算电磁力。研究了不同材料的流动通道插件（FCI）对金属磁流体流速、MHD压降和电流流线分布的影响。主要分析了以下三种情况：无FCI插件的通道内的流动状况;加入绝缘材料...     

基于二阶矩燃烧模型的液雾燃烧大涡模拟

采用亚网格动能(k方程)应力模型、二阶矩(SOM)燃烧模型和欧拉拉氏两相流模型,对乙醇-空气液雾燃烧进行了大涡模拟(LES)。瞬态结果显示:在火焰的高温区域,旋涡强度较大;在高温区边缘附近存在的拟序结构有脱落的趋势。在燃烧装置的燃料进口附近,近喷嘴中心区域,大量液滴聚集在条状湍流拟序结构的周围。LES模拟的统计结果给出的温度分布与实验结果吻合较好。说明SOM燃烧模型适用于液雾两相湍流燃烧研究,计算结果经过和实验数据对比发现,LES-SOM燃烧模型优于RANS-PDF及LES-FA计算结果。数值计算结果与实验结果的误差主要是由于采用统观一步反应机理引起的,表明燃烧模型还有待进一步改进。     

Noise Prediction in Subsonic Flow Using Seventh-Order Dissipative Compact Scheme on Curvilinear Mesh

In this paper, we investigate the performance of the seventh-order hybrid cell-edge and cell-node dissipative compact scheme (HDCS-E8T7) on curvilinear mesh for noise prediction in subsonic flow. In order to eliminate the errors due to surface conservation law (SCL) is dissatisfied with curvilinear meshes, the symmetrical conservative metric method (SCMM) is adopted to calculate the grid metric derivatives for the HDCS-E8T7. For the simulation of turbulence flow which may have main responsibility for the noise radiation, the new high-order implicit large eddy simulation (HILES) based on the HDCS-E8T7 is employed. Three typical cases, i.e., scattering of acoustic waves by multiple cylinder, sound radiated from a rod-airfoil and subsonic jet noise from nozzle, are chosen to investigate the performance of the new scheme for predicting aeroacoustic problem. The results of scattering of acoustic waves by multiple cylinder indicate that the HDCS-E8T7 satisfying the SCL has high resolution for the aeroacoustic prediction. The potential of the HDCS-E8T7 for aeroacoustic problems on complex geometry is shown by the predicting sound radiated from a rod-airfoil configuration. Moreover, the subsonic jet noise from nozzle has been successfully predicted by the HDCS-E8T7.