后台阶分离流动中大涡结构演变的数值模拟

本文对后台阶分离流动中涡结构的演变进行了大涡模拟，研究了流场结构的变化规律。详细讨论了随着雷诺数的增加流场结构的典型特征的变化规律，指出流场中的涡结构随着雷诺数的增大变得十分复杂和丰富，回流区的数目、大小及其出现的位置也显著地不同。这些结果与已有的一些实验值和流场显示结果是吻合的。在此基础上，进一步研究了高雷诺数时流场中大尺度涡结构的瞬时发展和演化过程，展示了其中大涡的产生、追随、吸引、合并和破碎等过程。对于高雷诺数情况，对大涡模拟得到的数值结果进行了统计，得到的时均速度分布以及台阶后方的回流区长度与现有的其他实验结果符合得很好。本研究是针对后台阶分离流动深入开展湍流控制以及两相流动研究的基础。     

用基于M-SST模型的DES数值模拟喷流流场

脱体涡数值模拟方法(dettached eddy simulation,DES)是把雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)方法及大涡模拟方法(LES)结合起来模拟有脱体涡的湍流流场的数值模拟方法,其主要思想是在物面附近解雷诺平均Navier-Stokes方程、在其他区域采用Smagorinski大涡模拟方法。本文在剪切应力传输(SST)湍流模型的基础上用DES及混合非结构网格数值模拟具有横向喷流的湍流流场,算法采用Osher逆风格式,利用该套程序(包括网格生成及算法),对导弹在不同马赫数下的喷流流场进行了数值模拟,并与同时开展的实验研究的结果进行了对比,结果表明用该方法处理这类问题是较准确的。     

长江三峡巴东县城区三道沟滑坡成因研究

构造了三维混合层流场用离散涡丝描述的计算模型并进行了数值模拟．给出了流场的涡结构以及不同剪切率、不同扰劝强度下涡结构的特征，得到了流场中的平均速度、动量厚度．由计算被动粒子显示了流场螺旋涡结构的图像．做了相应的流动显示实验研究，所得结果与计算结果非常相近．本研究为了解该流场并由此进行流场控制提供了依据．     

基于CFD流态分析技术的座便器虹吸管道优化设计

在Fluent软件中应用RNG $k$-$\varepsilon$湍流模型及流体体积函数(VOF)对座便 器内部三维湍流流动进行了雷诺平均N-S方程的数值模拟，得到 了座便器内流场三维流动形态，研究了座便器虹吸管内流动规律，分析了虹吸管形状对流速 分布、压力分布及虹吸性能的影响，以三维湍流场的分析结果为依据，实现了座便器虹吸管 道的优化设计. 通过PIV测试数据验证了三维湍流数值模拟结果的准确性.     

高超声速尾迹流场稳定性数值研究

通过数值模拟, 对高超声速尾迹流场进行了研究, 对其尾迹流动的失稳过程进行了分析.选取计算模型为圆球,Ma= 6.0, Re = 1.71\times 10^6(Re以球头半径为参考长度). 通过数值模拟,首先得到的流动是稳定解,在底部发展出一个主分离区和一个二次分离区,流动是轴对称状态. 不添加任何扰动继续进行计算,发现底部流场缓慢发展出微弱的非定常流动. 随后,该现象继续发展,出现明显的结构失稳,得到了无量纲周期为12.0的周期解. 给出了高超声速圆球绕流尾迹结构的周期性演化过程,对其涡系结构的演化及奇点特征进行了分析. 研究表明该数值模拟方法可用于底部流动稳定性问题的研究,同时证实了高超声速底部流动也存在流动不稳定性.      

基于滑移速度壁模型的复杂边界湍流大涡模拟

采用滑移速度壁模型实现了浸入边界方法与壁模型相结合的大涡模拟.本文首先分别采用平衡层模型和非平衡壁模型对周期山状流进行数值模拟,以考查在壁模型中考虑切向压力梯度的作用.数值结果表明,流场的压力对本文所采用的壁模型形式并不敏感,但是考虑切向压力梯度可以显著改进壁面摩擦力的计算结果,并且能够准确的预测强压力梯度区以及分离区内的流动平均统计特性.不考虑压力梯度效应的平衡层模型显著低估了壁面摩擦力的分布,同时无法准确预测分离区内的平均速度剖面.非平衡模型的修正项正比于切向压力梯度和壁面法向距离,因此在强压力梯度区或者网格较粗时,计算得到的平均压力和摩擦力分布以及流动的低阶统计量均与参考的实验和计算结果吻合.在此基础上,通过回转体绕流的大涡模拟考查了该方法用于模拟高雷诺数壁湍流的适用性,非平衡壁模型可以准确地捕捉流动的物理结构并较准确地预测其水动力学特性.结果表明,将浸入边界方法与非平衡滑移速度壁模型相结合的大涡模拟,有望成为数值模拟复杂边界高雷诺数壁湍流的工具.      

风口区空气流动的有限元模拟与实验研究

通风和空调出风口的射流特性主要取决于出风口截面之前的一段管道内的流动状况,研究送风口的射流偏转特性有重要实用价值.应用湍流大涡模拟技术结合Taylor-Galerkin有限单元法对工程中常见工况下的风口区管道内的三维流场进行了数值模拟和实验研究,数值计算结果与实验结果符合较好.表明湍流大涡模拟方法适合于边界形状复杂,存在各向异性的大尺度涡的内流情况,能可靠地预报风口区空气流动的射流偏转特性.     

基于滑移速度壁模型的复杂边界湍流大涡模拟

采用滑移速度壁模型实现了浸入边界方法与壁模型相结合的大涡模拟.本文首先分别采用平衡层模型和非平衡壁模型对周期山状流进行数值模拟,以考查在壁模型中考虑切向压力梯度的作用.数值结果表明,流场的压力对本文所采用的壁模型形式并不敏感,但是考虑切向压力梯度可以显著改进壁面摩擦力的计算结果,并且能够准确的预测强压力梯度区以及分离区内的流动平均统计特性.不考虑压力梯度效应的平衡层模型显著低估了壁面摩擦力的分布,同时无法准确预测分离区内的平均速度剖面.非平衡模型的修正项正比于切向压力梯度和壁面法向距离,因此在强压力梯度区或者网格较粗时,计算得到的平均压力和摩擦力分布以及流动的低阶统计量均与参考的实验和计算结果吻合.在此基础上,通过回转体绕流的大涡模拟考查了该方法用于模拟高雷诺数壁湍流的适用性,非平衡壁模型可以准确地捕捉流动的物理结构并较准确地预测其水动力学特性.结果表明,将浸入边界方法与非平衡滑移速度壁模型相结合的大涡模拟,有望成为数值模拟复杂边界高雷诺数壁湍流的工具.     

单柱单锥型液—液旋流分离管内流场的LDV诊断

应用二维激光多普勒仪（ＬＤＶ）对一种单柱单锥型液－液旋流分离管内流场进行了测量,考察了流量、溢流比、压力比和气芯等参数对流场的影响。测量结果表明：切向速度分布呈典型的Ｒａｎｋｉｎｅ涡结构,沿轴向衰减很少,表明所用锥角是合适的;因该旋流管的水力直径较大,切向速度的总体水平较低,由于对了离特性带来了不利影响。此外,没有观察到切向速度分布的的双峰分布现象。轴向速度的总体水平较低,尤其是在锥形管的上游更为     

数值耗散对压气机流动分离涡模拟的影响研究

分离涡模拟DES是压气机流动模拟中常用的高保真湍流模式。为了使DES准确解析湍流,数值耗散必须限制在合理范围内。然而,当前的压气机流动DES类研究工作中仍然普遍采用高耗散的迎风格式。本文首先基于DES类方法计算的各向同性衰减湍流结果,定量比较了多种不同数值格式的耗散,证实了高耗散迎风格式严重低估中高波数湍流能量。高阶重构格式可以一定程度上改善该问题,但能量耗散仍然过高。本文在高阶重构的基础上,进一步引入自适应耗散函数修改Riemann求解器,构造了自适应耗散格式。该格式在全波数范围都能准确地预测湍流能谱。将该格式配合DES类方法模拟跨声速离心压气机流动,其预测的压比相比于三阶迎风格式,更加接近实验结果。此外,自适应耗散格式显著提高了中小尺度流动结构的分辨率。分析表明,在使用DES类方法模拟压气机流动时,有必要采用数值耗散较低的离散格式,以准确预测压气机总体性能和流动结构。本文构造的自适应耗散格式是一种良好选择。     

液—液旋流分离管中强旋湍流的K—ε …

采用标准ｋ－ε湍流模型,对一种典型液－液旋流分离管中的强旋湍流进行了数值模拟研究。结果表明：该模型对切向速度的数值预报夸大了Ｒａｎｋｉｎｅ涡中的似固核范围。抹煞了似固核外的位涡区;对轴向速度的数值预报未给出心回流区;对其它流场参数的预报结果也都存在有明显的不合理之处。由此证明这种基于Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设的各向同性湍流模型,虽然在管道流、平面射流和无旋流等简单流动问题中经受住了大量计算实践的检验     

多孔翼型流场的数值模拟研究

空化和空蚀是影响水力机械能否安全、经济运行的主要因素之一.为了研究新的翼型结构——多孔翼型对于水力机械的空化及空蚀现象的影响,利用PROE建立具有不同微孔数的翼型模型,再借助Fluent软件对多孔翼型的三维绕流流场进行了定常数值模拟计算.基于伯努利定律,对具有不同孔数的翼型绕流流场进行流态分析.根据模拟结果显示的不同翼型结构的速度场和压力场的分布特征,从能量转换的角度出发,揭示了多孔翼型绕流流场的内在特性,即绕流翼型的流场(速度场、压力场)是随着孔数而变化的.结合空化发生的条件,说明采用多孔翼型结构对改善水力机械内部空化现象是有一定的作用的,通过数值模拟方法来分析研究水力机械内部的空化空蚀现象,可以作为实验与理论分析的参考.从一个新的角度,为改善水力机械的空化和空蚀现象提供了新思路.     

90°弯管内流动的理论模型及流动特性的数值研究

从三维不可压缩雷诺时均Navier-Stokes方程出发,对90°弯曲管道内湍流流动进行数值模拟。网格划分采用六面体网格,湍流模型为RNGk-ε模型,在近壁区采用两层壁面模型进行修正,流场的计算结果与实验数据吻合较好。在此基础上,本文数值研究了来流方向对流场结构和流动特性的影响。得出在弯管流场中发生了分离现象,且随着来流侧滑角的增大,分离区范围增大。此外,随着来流从同一侧滑角变换至同一攻角时,横截面的二次流图像中也从具有两个对称主涡变成只具有一个主涡的现象。     

基于卡门尺度和滤波方法的SST方程改进

基于滤波方法和卡门尺度对原始剪切应力输运(shear stress transport, SST)湍流模型进行了改进,提出了一种卡门尺度修正的滤波SST 方法. 湍流多尺度效应必须在分离流场模拟中给予反映,该方法减弱了雷诺平均(Reynolds averaged Navier-Stokes, RANS)方法时间平均特性对于流场脉动量的压迫作用,在流场中引入了大涡模拟(large eddy simulation, LES)方法的亚格子模型,形成一种新型的脱体涡模拟方法(detached eddy simulation,DES)方法;同时,为了降低原始DES方法在网格加密过程中产生网格诱发的雷诺应力损耗,利用卡门尺度对滤波因子进行修正. 平板边界层算例中,卡门尺度对于RANS方法的跟随性远远强于DES方法,在边界层内的速度型和RANS方法吻合很好,而DES方法在加密过程中速度型的鲁棒性较差,说明卡门尺度在有效地保护了边界层内使用RANS求解,降低速度型偏离对数率现象的产生;HGR-01翼型算例证明BY-SST方法可以有效的避免网格诱导分离现象的产生;证明BY-SST方法在分离流动中的精度高于DES方法.     

液-液旋流分离管中强旋湍流的k-ε数值模拟

采用标准k-ε湍流模型,对一种典型液-液旋流分离管中的强旋湍流进行了数值模拟研究.结果表明:该模型对切向速度的数值预报夸大了Rankine涡中的似固核范围,抹煞了似固核外的位涡区;对轴向速度的数值预报未给出中心回流区;对其它流场参数的预报结果也都存在有明显的不合理之处.由此证明这种基于Boussinesq假设的各向同性湍流模型,虽然在管道流、平面射流和无旋流等简单流动问题中经受住了大量计算实践的检验,但在强旋湍流的数值预报方面的确存在有较大缺陷.此问题的解决有赖于对该模型进行必要的修正或转而采用更加高级的各向异性模型.     

用流线迭代法计算同时含有内流及外流场的粘性流动问题

本文提出一个通过坐标变换把外部流场问题转化为内部流场问题来处理的方法。从而可将计算内部流场粘性流动的流线迭代法推广应用到外部流场中。用这种方法,本文对同时含有内流场和外流场的粘性流动问题进行数值计算。最后给出了计算实例。     

并列三柱体风致干扰DDES模拟分析

采用基于SSTk-ω湍流模型的延迟分离涡模拟方法DDES(Delayed detached eddy simulation),对三并列线性布置柱体的风荷载和流场特性进行了数值模拟.为验证方法的有效性,对单个三维方柱绕流进行了计算分析,比较计算值与试验结果的风荷载特征,两者符合较好.然后采用DDES研究了三并列方柱对称布置时,间距比对中间受扰建筑风致干扰的问题.数值结果表明,间距比较小时对受扰建筑风荷载分布有较大影响.总的来看,当间距比约为3.0时,受扰建筑的影响达到最大.同时,数值分析了三方柱周围瞬态流场特征,探讨了临近建筑之间的干扰机理.结果 表明,SST-DDES方法能够较好地预测绕方柱流动分离问题,可为群体高层建筑气动相互干扰研究提供参考.     

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以某跨声速轴流压气机单转子为研究对象,应用数值模拟技术,采用全通道 计算方案,利用Jameson有限体积中心差分格式并结合Spalart-Allmaras 湍流模型获得进口畸变条件下该轴流压气机转子性能和内部流动细节,详细分析了进气周向 总压畸变对压气机转子内流场流动结构的影响. 并将计算结果与实验结果进行了比较, 结果表明,数值模拟的结果与实验结果符合较好,计算方案切实可行.     

水轮机尾水管内流的PIV测试试验研究

在水力机械的内流研究中由于缺少试验数据,使得在采用内流数值CFD分析中内流预测准确性的评价受到制约。本文结合混流式水轮机模型的实验,将2D-PIV测试手段成功应用于4H尾水管内流的测试中,确定了测试方法与方案,制做了测试用4H尾水管,对锥管、肘管出口及扩散管进出口位置上开设的测试窗口进行测试,得到最优工况下这些位置上瞬态速度测试数据,经过时均处理,给出了运行工况下不同测试位置上内流流动的速度、涡量及流线分布,为尾水管CFD优化分析提供了试验结果。试验结果表明,PIV测试方法能够清楚的测试出尾水管内不同位置的流动特征,是目前水力机械内流稳定性研究的一种有效实验方法。     

水下发射航行体尾涡不稳定性分析

在水下连续发射过程中前一发航行体尾流会对后一发航行体运动姿态稳定性产生流动干扰现象. 因此, 研究尾流中涡旋结构演变机理对解决多弹体水下连续发射流动干扰难题具有重要的意义. 本文采用改进型分离涡模型与能量方程, VOF多相流模型与重叠网格技术相结合方法, 对航行体水下发射尾流演变过程开展精细化模拟研究, 其中模拟结果和实验吻合度较好, 验证了本文数值方法的有效性. 以航行体尾流区域为重点研究对象, 分析了尾流区瞬态流场分布, 讨论了横流强度和雷诺数对尾涡结构演变以及脉动压力分布特性的影响. 结果表明: 由于尾流区高速流体核心区与低速自由流相互作用导致Kelvin-Helmholtz不稳定现象出现, 可以清晰地发现涡旋结构在剪切力的作用下发生脱落. 在横流条件下, 航行体尾端脱落的涡环与涡腿形成发卡涡, 而多个发卡涡沿轴向间隔排列组成发卡涡包存在于尾流中. 随着横流强度增大, 形成多级发卡涡包结构, 而导致脉动压力二次峰值均出现的主要原因是尾流涡旋流场演变引起的. 随着雷诺数的增大, 尾流中由圆柱形涡和U型涡组成的二次涡结构逐渐明显, 不稳定性加强.