基于DDES的透平端区湍流特性和损失机理研究

高负荷透平叶片端区存在多种涡系结构的相互作用和强的非定常特性,以致端区损失可占到叶片通道内总损失的三分之一。本文采用精细的混合RANS/LES方法,研究某高负荷透平动叶端区的湍流特性和损失机理。研究采用湍动能方程方法分析叶片端区流场湍流脉动的主导因素,采用Lumley三角形方法分析叶片通道内不同位置处的湍流特性,应用基于热力学第二定律的熵生成率方法分析端区的损失机理。研究结果可为降低高负荷透平叶片端区损失提供理论指导。     

串列对转双圆柱的多块LB模拟

结合格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,简称LBM)和多块网格(Multi-Block Grid)技术,数值研究较小雷诺数(Re=100)下均匀来流绕串列对转双圆柱问题,综合分析圆柱中心间距比S/D和圆柱无量纲旋转速度α对流场结构的影响,考察前、后圆柱的涡脱落形态和升阻力特性.结果表明:当间距比为1.2时存在一临界旋转比α_c,转速超过这一值后前圆柱产生负Magnus效应;间距比为2时,流场出现类似单旋转圆柱时的第二不稳定模态;当间距比较大(S/D=4、6)时,前、后柱之间存在涡脱落,后柱尾涡中出现2S、2S^*、2P、P+S等多种形态.     

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。     

旋流和无旋突扩流动的LES和RANS模拟

本文用smagorinsky-Lilly亚网格尺度湍流模型对旋流突扩流动(s=0.53)和无旋突扩流动(s=0)进行了大涡模拟(LES模拟),同时分别用压力应变项为IPCM和IPCM+Wall模型的雷诺应力方程模型进行了RANS模拟,和LES的统计结果对比。LES的统计结果与雷诺应力模型的模拟结果及实验对照表明,LES结果与实验结果的吻合比雷诺应力模型的好,说明所用的亚网格尺度湍流模型对旋流流动是适用的,LES结果是可信的。LES的瞬态结果揭示出在旋流作用下,流场中存在复杂的旋涡脱落现象。大涡结构极易破碎成小涡,而在无旋突扩流动的情况下,由于剪切的作用更强,大涡结构的尺寸和范围比旋流流动的要大。     

通道中串列旋转圆柱的格子Boltzmann-虚拟区域方法的模拟

通过结合格子Boltzmann方法(LBM)和虚拟区域(Fictitiou sDomain)思想,建立格子Boltzmann-虚拟区域(LB-DF/FD)方法.采用两套网格系统,欧拉网格用于流体,拉格朗日网格用于固体.原有的LBM在计算运动固体的受力方面存在数据振荡,LB-DF/FD方法改进了此缺陷.为验证该方法,模拟圆柱绕流、圆形颗粒在无限长通道中平动及在无限大流场中转动三种情况,结果与其他数值解及理论解符合得很好.利用该方法模拟低雷诺数下通道中串列旋转圆柱周围的流场,分析圆柱间距(g)及雷诺数(Re)对流场结构的影响.给出Re=0.001,0.1和10下,0.2≤g≤8.0的流线结构、圆柱升力、阻力以及力矩等数值结果.结果表明,g对流场的结构及圆柱的受力有显著影响,Re对圆柱阻力及Stokes单元数目的影响较大.     

纵向受迫振荡圆柱绕流问题的数值模拟

用有限体积法对平行于均匀来流方向受迫振荡的圆柱绕流问题进行了二维数值模拟.雷诺数选取Re=200、855、4000等几种亚临界雷诺数情况.通过研究不同振幅和振动频率下的流场结构和一些重要流动参数如升阻力系数、Strouhal数等随Re数、KC数、Stokes数的变化关系,验证了实验中观察到的一定条件下发生的"频率锁定"现象,并将涡脱落方式划分为三种主要模态.文中引入网格速度,对常用的处理速度与压力耦合的SIMPLE算法作了适当的补充和修改,以适应随时间变化的网格坐标.     

基于大涡模拟的小型转子发动机缸内湍流研究

本文应用大涡模拟的方法对小型转子发动机的缸内流场进行了三维数值分析,分别从拟序结构、湍流脉动和湍动能三个方面研究小型转子发动机缸内的瞬态湍流特征。计算结果表明,大涡模拟结合Q准则可以有效的识别小型转子发动机缸内流场的大尺度拟序结构。进气过程中高强度的涡团主要分布于燃烧室的前部和后部,压缩过程中高强度的涡团分布从燃烧室中部向后部转移。湍流在垂直于转子截面上的法向脉动最为剧烈,其中中部区域的剧烈程度远高于两侧。湍流在平行于前后端面的截面上的法向脉动最弱,没有明显的波动。从进气口打开到压缩上止点期间,缸内亚网格湍动能和平均气流速度出现两次明显的峰值,这分别与进气能量和大尺度涡团的破碎有直接的关系。     

电磁力控制湍流边界层分离圆柱绕流场特性数值分析

在亚临界区高雷诺数Re=1.4×105下,采用脱体涡模拟结合湍流分离的方法对弱电解质中电磁力作用下湍流边界层分离圆柱绕流场及其升(阻)力特性进行了数值模拟和分析.结果表明,电磁力可以提高圆柱体湍流边界层内的流体动能,延缓圆柱体湍流边界层的流动分离,减弱圆柱体湍流绕流场中在流向和展向上大尺度漩涡的强度,减小圆柱体阻力时均值及其升力脉动幅值.当电磁力作用参数大于某个临界值后,湍流边界层流动分离消失,在圆柱体尾部产生射流现象,从而电磁力对圆柱体产生净推力作用,出现负阻力现象,而且升力脉动幅值接近于零,出现圆柱体升力消失现象.     

基于转捩模型及声比拟方法的高精度圆柱分离涡/涡致噪声模拟

基于七阶加权紧致非线性格式(WCNS-E8T7),结合延迟分离涡模拟(DDES)和Ffowcs WilliamsHawkings声比拟方法,对亚临界雷诺数下单圆柱、圆柱-翼型的分离涡/涡致噪声问题进行了数值模拟.针对亚临界雷诺数下圆柱尾迹中的转捩问题,发展了基于γ-Reθ模型高精度转捩-延迟分离涡模拟(Tran-DDES)方法,并与传统基于全湍流剪切应力输运(SST)模型的高精度DDES方法进行了对比.单圆柱模拟结果表明:传统SST-DDES方法会造成平均流场的回流区增大,压差阻力偏小等问题;而添加转捩模型的Tran-DDES方法与实验符合得很好.圆柱尾迹中添加翼型后,翼型对圆柱附近流场产生影响,使SST-DDES方法造成的圆柱后回流区偏大的问题减弱,并与Tran-DDES模拟结果差异变小.但在脉动量预测以及脉动产生的噪声预测方面, Tran-DDES方法仍与实验符合得更好.     

基于POD方法开缝圆柱绕流流场的研究

利用粒子成像测速技术（particle image velocimetry,PIV）,在水槽中探究缝隙对圆柱流场结构的影响,应用频谱分析和本征正交分解（proper orthogonal decomposition,POD）方法,研究了开缝圆柱流场相干结构.实验Reynolds数范围内,缝隙的"吹吸"作用从根本上改变了圆柱绕流近区尾流结构,前6阶模态形态是流场中最主要的相干结构.第1,2阶模态形态控制着圆柱绕流流场涡街相继脱落过程,1或2阶模态系数为尾迹涡的固有频率;第3,4阶模态形态控制着脱落旋涡沿流向方向能量运输;第5,6阶模态形态中的同向涡旋结构作用于旋涡缓慢脱离柱体这一过程,并对旋涡能量起着衰减作用.      

横向磁场作用下Taylor-Couette湍流流动的大涡模拟

采用大涡模拟方法对横向磁场作用下导电流体Taylor-Couette湍流流动进行数值模拟,以研究其运动规律.计算模型为无限长度,半径比为1/2.雷诺数分别选取为3000和5000,磁场加载方式为全局磁场,哈特曼数取值0—50.对磁场作用下泰勒涡的演化过程、速度分布和湍动能分布进行分析,并与轴向磁场作用下泰勒涡演化过程进行对比.结果表明:磁场对流场有显著的抑制作用,扭曲的泰勒涡在横向磁场的作用下破裂成小尺度涡结构,并沿磁场方向排列;在外圆筒和垂直于磁场方向的区域,磁场抑制效果较强;随着雷诺数的增加,磁场抑制效果减弱,在流场不同区域,流动呈现出不同的特点.与轴向磁场相比,横向磁场对流场的抑制效果较弱,流场分布呈现出明显的各向异性.     

基于非结构网格CE/SE算法圆柱绕流气动声场模拟

本文采用时空守恒(CE/SE)格式求解Navier-Stoks方程与Euler方程,数值模拟了绕圆柱流动引发的气动噪声源及传播问题.对近声场与远声场采用了不同的控制方程和边界条件,分别得到了流场与声场解.将其与采用大涡模拟和FW-H方程得到的结果进行了对比,表明本文的数值方法能够很好地反映流场与声场的形态,能较好地模拟声场指向性及流场中的拟声现象,相比LES/FW-H方法能更精确地反映流场与声场的相互关系.     

湍流预混火焰LES/FDF模拟中标量混合时间尺度建模

在实际应用中,精确模拟高湍流度预混火焰十分关键但极具挑战性。本文将被动标量混合时间尺度动态封闭方法与hybrid混合时间尺度模型结合,在湍流预混火焰LES/FDF模拟中提出一种新的标量混合时间尺度建模方法。该方法不需要人为选取混合模型参数C_M,且动态地考虑了由湍流和火焰结构分别引起的亚网格标量混合。对悉尼值班预混射流燃烧器高湍流度PM1-150火焰进行了LES/FDF模拟。结果表明,新模型显著改善了对整体燃烧进程的预测结果,正确地预测了局部熄火/再燃现象。进一步的结果显示,模型参数C_M明显大于在RANS框架下量级为1的常用取值,这表明该参数在不同框架下具有不同的物理内涵。     

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.      

串列双圆柱流致振动及能量转换特性

采用二维非稳态RANS方法结合Spalart-Allmaras湍流模型,对高雷诺数下串列双圆柱流致振动进行数值计算。利用粗糙带改变圆柱表面结构,详细分析串列双圆柱流致振动响应及能量转换特性。结果表明双圆柱产生流致振动时,上下游圆柱的振幅和频率响应曲线出现涡致振动初始分支、涡致振动上部分支和驰振分支,圆柱驰振时的最大振幅达到了2.8D。在所研究的整个Re数范围内,双圆柱都能有效实现能量收集。在Re=100000时,圆柱流致振动能量转换最大功率达到了41.16 W。     

平面倾斜冲击射流场的数值分析

采用SIMPLE算法和RNGk-ε湍流模型,对平面射流倾斜冲击平板的半封闭空间内的流场进行了数值分析。针对喷口宽度B=10mm、冲击高度H=2B和射流雷诺数Re=20000的流场,分别得到了三种射流倾角下的速度、流函数、压力和湍动能分布。计算结果表明,射流倾角的变化对流场结构具有显著的影响。当倾角减小时,左侧回流区变小,而右侧回流区变大,最大压力区和最大湍动能区都随着滞止点的左移向流场的左侧移动。     

圆柱和直桨叶突然启动瞬态流动的数值研究

采用基于动网格方法的有限体积法对圆柱和直桨叶突然启动引起的二维非定常不可压粘性流进行了数值模拟,给出了计算方法.通过计算得到了Re=5000和9500时圆柱突然启动后的流场随时间演化的非定常过程.将计算结果与实验结果进行了对比,两者吻合较好;采用大涡模拟对高雷诺数下的直桨叶突然旋转启动的流场进行了计算,得到了完成启动后叶片内部瞬态流场的分布结果.     

雷诺数为15 000方腔环流的基准解和周期性分析

采用边界拟合法,结合基于结构网格的四叉树加密方法生成的高质量非均匀网格,研究雷诺数为15 000方腔环流周期性演化.利用傅里叶分析和相空间轨迹等方法研究流场演化的周期性行为以及流场动能的空间分布,确定周期性流动的基频和相对应的周期.研究发现：流场周期演化过程中,在主涡低频背景下,靠近方腔壁面、左上角、左下角以及右下角的高阶次涡具有高频演化规律.给出流场处于两种特征状态时的流场基准解.     

基于VLES模型的振动圆柱数值模拟

本文将一种VLES(Very Large Eddy Simulation)模型引入到动网格数值计算中,并验证了VLES模型用于模拟类似振动圆柱绕流的动边界问题的有效性.数值求解了不同振幅和频率下非稳态振动圆柱绕流问题.研究表明:随着振幅和激励频率的增加,绕圆柱流动涡脱离形式从2S模式转换到2P0模式,再到P+S模式.在...     

圆柱振荡绕流中涡旋运动模式(pattern)的数值模拟

提出并发展的一种基于区域分解思想,综合了解N-S方程的有限差分法及涡法各自优点的新数值方法,计算了各种 Keulegan-Carpenter数下(Kc=2~24)振荡流绕圆柱的流动。系统地研究了振荡流中涡旋运动模式随Kc数变化的规律,模拟了不对称区、单对涡区(或模向区)、双对涡区(或对角区)和三对涡区四种不同的涡旋运动模式。将计算所得的阻力系数C_D、惯性系数C_M与国外近期发表的计算结果进行了比较。