大涡模拟的壁模型及其应用

大涡模拟是研究湍流的非定常特性的重要方法. 但解析壁面层的大涡模拟所需的计算量与直接数值模拟相当,是大涡模拟在高雷诺数壁湍流数值模拟中所面临的主要困难. 解析壁面层所需的网格尺度与壁面黏性长度同量级,是引起壁湍流大涡模拟计算量增加的主要原因. 壁模型通过模化近壁流动避免了完全解析壁面层,可以显著地降低壁湍流大涡模拟的计算量,是克服上述困难的有效方法. 本文介绍了大涡模拟壁模型的主要类型;详细讨论了常用的壁面应力模型,特别是平衡层模型和双层模型的构建思路和特点;基于近壁流动的特征讨论了应力边界条件的必要性和适用性;指出了壁面应力模型的局限性以及考虑非平衡效应修正的各种方法;讨论了壁面应力模型的研究历史、最新进展和发展趋势,给出了常用的壁面应力模型的分支与发展关系图;并基于Werner-Wengle模型实现了周期山状流的大涡模拟.      

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.     

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.      

速度估计模型在大涡模拟中的应用

介绍了速度估计模型的基本思想及其在物理空间的实现。速度估计模型依靠湍流大尺度的非线性作用估计出小尺度,从而可直接求解亚格子应力项而不需要额外的模型。本文采用该模型对不同雷诺数下的各向同性衰减湍流进行了模拟,并与直接数值模拟、理论分析和其他亚格子模型的大涡模拟结果进行了比较。也初步考察了网格分辨率、不同精度的紧致格式对大涡模拟结果的影响。     

大涡模拟及其在湍流燃烧中的应用

大涡模拟作为一种研究湍流流动和湍流燃烧的有效手段,在国际上已经得到广泛应用。本文在回顾了大涡模拟(LES)的基本思想及其实施方法的基础上着重介绍了前人在大涡模拟的亚格子湍流模式和亚格子燃烧模式中的研究成果,同时给出了采用不同亚格子模式的大涡模拟在湍流燃烧中的应用实例,指出了大涡模拟在湍流燃烧中的重要作用,为大涡模拟的进一步发展和应用提供参考。      

模型燃烧室内瞬态紊流的大涡模拟

本文采用三种不同亚网格尺度模型对带有V型稳定器的模型燃烧室二维瞬态紊流流动进行了大涡模拟。并在交错网格系下用SIMPLE算法和混合差分格式求解离散方程。数值研究拟不同型式入口速度分布和不同亚网格尺度模型下模型燃烧室二维瞬态紊流流场。计算结果表明不同入口速度分布和不同亚网格尺度模型对瞬态流场和出口速度分布有一定的影响。本文通过数值模拟,揭示了V型稳定器后旋涡的产生和脱落过程。通过计算结果及实验数据的比较可知,本文采用的亚网格尺度模型可以用来模拟模型燃烧室紊流流场及稳定器后面回流区的流动情况。     

大涡模拟在内燃机中应用的研究进展

大涡模拟 能够以比较合理的计算成本, 提供更多详细的湍流信息, 故近年来已经广泛地应用于科学和工程领域, 并也成为内燃机缸内湍流流动与燃烧过程模拟计算的最有潜力的数值方法.综合现有研究成果, 对内燃机中大涡模拟的研究进展和模拟方法进行了比较全面的评述.介绍了大涡模拟的基本概念、方法、亚网格模型,着重讨论了内燃机缸内冷态流场、燃油喷雾过程以及两相液雾湍流燃烧大涡模拟的国内外研究进展.最后论述了大涡模拟在内燃机应用中当前需要解决的问题及其发展趋势.     

展向喷嘴湍流横向射流大涡模拟及其统计分析

采用大涡模拟方法数值模拟了展向椭圆喷嘴的湍流横向射流,对其大尺度结构的时空演化和湍流脉动速度场的时间序列分析、频谱分析、PDF分析以及时、空截面上的统计平均特性进行分析.结果表明,在射流出口附近的下游核心区中速度脉动剧烈,显现出明显的湍流特征.除了三维涡环脱落、扭曲、变形、摆动所对应频率之外,还存在很宽的湍流基频,它与在喷嘴出口附近产生的三维涡环的时空演化过程密切相关.由于展向椭圆喷嘴的湍流横向射流中的三维涡环快速脱落和强相互作用导致射流尾迹中的强湍流脉动,展向椭圆喷嘴湍流横向射流的PDF空间演化特征结构复杂.在射流核心区的湍流偏应力变化平缓,其统计平均值分布接近左右对称.展向椭圆喷嘴的湍流横向射流脉动速度场具有极为复杂的统计行为,与流向椭圆喷嘴相比具有更好的掺混能力.     

城市大气环境的大涡模拟研究进展

本文回顾城市大气污染扩散的研究实践与进展, 介绍城市大气环境流动的特点和用现代计算流体力学手段开展城市大气环境的大涡模拟研究方法, 包括: 数学模型, 控制方程、亚网格湍流模式、定解条件及其数值方法. 其中, 重点介绍中尺度到微尺度的耦合模型与适用于复杂城市下垫面(满足大涡模拟分辨率要求且计算量较小)的组合模型;并给出实际算例和结果分析, 包括准确度的统计估算和湍流特性等. 最后, 讨论城市大气环境数值模拟方法进一步改进的方向和城市大气环境流动与污染物扩散数值研究应重点关注的几个问题.     

植被层湍流的大涡模拟

研究植被层湍流的大涡模拟,发展了一个TSF（transientstructurefunction）亚格于模式,尽可能真实地处理植被湍流这种既有强剪切,又有热对流的流动．我们建立了植被湍流数据库,并进行了较为详细的分析研究．湍流统计量如平均风速剖面、雷诺应力、湍流脉动能等等,与有关观测结果作了对比,符合较好．大涡模拟计算同样发现已由现场观测到的、在强对流情况时出现的温度场斜坡型有组织结构．     

适用于浸入边界法的大涡模拟紊流壁面模型

基于近壁定常剪切应力假设,提出了一种新的适用于浸入边界法的大涡模拟紊流壁面模型。通过引入壁面滑移速度,修正了线性速度剖面计算得到的壁面剪切应力,使之满足Werner-Wengle模型。将其应用于平板紊流和高Re数圆管紊流的数值模拟,对比采用和不采用壁面模型的结果得知,采用此模型的速度剖面与实验值吻合良好,验证了此模型的有效性。研究了不同欧拉/拉格朗日网格相对位置对结果的影响,证明了此模型具有较好的鲁棒性,以及可根据局部流动状态和网格精度自动开闭的特点。     

基于Navier-Stokes方程残差的隐式大涡模拟有限元模型

对应于湍流的大尺度与小尺度流场信息,本文在有限元的框架下,假设Navier-Stokes方程的解的形函数由大尺度和不可解尺度形函数叠加组成,引入对应的权函数,将Navier-Stokes方程的有限元变分形式分解为大尺度和不可解尺度系统.根据不可解尺度系统,构建基于Navier-Stokes大尺度方程残差的不可解尺度模型,将其代入Navier-Stokes方程的大尺度系统,进而数值求解大尺度系统得到Navier-Stokes方程的大尺度解.该方法无需像传统的大涡模拟方法那样对方程的解进行过滤,通过对形函数进行尺度分解实现解的尺度分解.本文使用该方法的自编程序代码开展了槽道湍流的数值模拟.通过与有限差分大涡模拟、DNS计算结果的比较,发现在使用较少网格情况下该方法预测的平均流向速度在近壁区与DNS数据吻合,在黏性外层略偏高;该方法对雷诺应力预测偏低导致从流向向垂向方向上湍动能输运略偏低.流向速度等值面图显示该方法有效捕捉到了大尺度旋涡结构;同时在近壁区可以观察到明显的低速条带结构.     

钝体射流火焰及其点火过程的大涡模拟

钝体燃烧器广泛应用于航空发动机、燃气轮机、锅炉等设备的燃烧室中.对其点火过程的了解和控制直接关系到设备的安全运行和污染物排放等重要问题.我们采用基于火焰面/过程变量燃烧模型的大涡模拟方法对湍流非预混钝体射流火焰及其点火过程进行了详细的数值模拟.以Sydney钝体燃烧器的无反应射流和有反应甲烷/氢气(CH_4/H_2)火焰为研究对象,首先通过统计平均的数值结果与实验测量及文献数据的对比,全面检验了所用数值方法和燃烧模型;随后,详细展示了钝体燃烧器点火和火焰发展的瞬态过程;最后,对钝体射流的点火过程进行了细致的分析和表征.根据温度峰值、羟基(OH)质量分数和甲醛(CH_2O)质量分数峰值随时间的变化表征了强制点火过程的4个阶段:点火源衰减、点火触发、点火核生成和点火成功.其中,点火核驻留的空间位置位于钝体燃烧器冷态流场外侧涡的尾部回流区域附近.     

基于全局动态Vreman模型的复杂非定常湍流的大涡模拟

在湍流数值模拟方法中,大涡模拟方法可以提供丰富的大涡旋信息,已逐渐成为复杂湍流问题数值研究的重要方法。而大涡模拟中,最重要的一环是尽量准确地构建能反映流场物理本质特征的亚格子应力模型。基于该思想,将一种新型的大涡模拟亚格子应力模型-Vreman亚格子应力模型用于高雷诺数三维后台阶流动的求解,计算结果与实验结果进行对比分析结果较吻合,验证了该模型的可靠性。这是对该模型用于无任何均匀流动方向的高雷诺数复杂湍流非定常流动的首次检验,计算结果优于基于传统的Smagorinsky涡粘性的动态亚格子模型。     

低密度流体界面不稳定性大涡模拟

采用拉伸涡亚格子尺度应力模型对湍流输运中的亚格子作用项进行模式化处理,发展了适用于可压多介质黏性流动和湍流的大涡模拟方法和代码MVFT（multi-viscous flow and turbulence）。利用MVFT代码对低密度流体界面不稳定性及其诱发的湍流混合问题进行了数值模拟。详细分析了扰动界面的发展,流场中冲击波的传播、相互作用、湍流混合区边界的演化规律,以及流场瞬时密度和湍动能的分布和发展。数值模拟获得的界面演化图像和流场中波系结构与实验结果吻合较好。三维和二维模拟结果的比较显示,两者得到的扰动界面位置、波系及湍流混合区边界基本一致,只是后期的界面构型有所不同,这也正说明湍流具有强三维效应。     

基于人工神经网络的湍流大涡模拟方法

大涡模拟方法(LES)是研究复杂湍流问题的重要工具,在航空航天、湍流燃烧、气动声学、大气边界层等众多工程领域中具有广泛的应用前景.大涡模拟方法采用粗网格计算大尺度上的湍流结构,并用亚格子(SGS)模型近似表达滤波尺度以下的流动结构对大尺度流场的作用.传统的亚格子模型由于只利用了单点流场信息和简单的函数关系,在先验验证中相对误差较大, 在后验验证中耗散过强. 近几年来,机器学习方法在湍流建模问题中得到了越来越多的应用.本文介绍了基于人工神经网络(ANN)的湍流亚格子模型的最新进展.详细地讨论了人工神经网络混合模型、空间人工神经网络模型和反卷积人工神经网络模型的构造方法.借助于人工神经网络强大的数据插值能力,新的亚格子模型的先验精度和后验精度均有显著提升. 在先验验证中,新模型所预测的亚格子应力的相关系数超过了0.99,在预测精度上远高于传统的大涡模拟模型. 在后验验证中,新模型对各类湍流统计量和瞬态流动结构的预测都优于隐式大涡模拟方法、动态Smagorinsky模型、动态混合模型等传统模型.因此, 人工神经网络方法在发展复杂湍流的先进大涡模拟模型中具有很大的潜力.      

基于人工神经网络的湍流大涡模拟方法

大涡模拟方法(LES)是研究复杂湍流问题的重要工具,在航空航天、湍流燃烧、气动声学、大气边界层等众多工程领域中具有广泛的应用前景.大涡模拟方法采用粗网格计算大尺度上的湍流结构,并用亚格子(SGS)模型近似表达滤波尺度以下的流动结构对大尺度流场的作用.传统的亚格子模型由于只利用了单点流场信息和简单的函数关系,在先验验证中...     

污染气体扩散风洞试验的大涡模拟

采用大涡模拟方法对污染气体绕方体扩散的风洞试验进行了数值模拟,使用分割方法细致的划分了有限体积模型网格,采用UDF编写风速的梯度函数作为入口边界条件.模拟得到的流场与污染气体浓度场都与风洞试验数据较为吻合,并且数值计算能获得实验中难以观察到的较小的涡旋,大涡模拟污染气体扩散可以获得更为精细的结果.     

飞机尾涡演变及快速预测的大涡模拟研究

随着我国人民生活水平的提高,航空运输的重要性与日俱增,航班延误问题也日益严重.尾流间隔(保障后机不受前机尾流影响的最小安全间隔)是制约机场效率的关键因素.针对这一工程应用问题,采用大涡模拟方法研究飞机尾涡在大气中的演变特性.研究工作首先发展了飞机尾涡演变的大涡模拟方法,将自适应网格技术应用于飞机尾涡演变的大涡模拟,大幅减少所需的网格量,提高计算效率.提出了升力面尾涡生成方法,在不增加计算量的情况下实现了尾涡卷起过程和远场衰减的组合模拟.在系列算例分析研究基础上,创建了基于大涡模拟计算结果的尾流间隔快速预测系统.该系统可以根据实时大气风场和进出港的前后飞机机型,快速预测并输出所需的尾流间隔.经过与场地测试数据比较表明,在北京市2014年的平均风速条件下,本系统预测的尾流间隔可在现有标准基础上缩减7%～50%,能够有效提高机场容量.     

谱消去黏性谱元法大涡模拟

引入一种新的利用谱元法进行湍流大涡模拟的方法: 谱消去黏性法.谱消去黏性法原是为了解决双曲型问题谱逼近的稳定性而引进的,最近人们发现它还可用于湍流大涡模拟. 与其它大涡模拟方法相比,这种方法几乎不必修改原代码便可在标准的谱元法中实现,而且几乎不增加计算量. 文章使用谱元法结合谱消去黏性法对雷诺数12\,000时的三维驱动方腔流进行湍流大涡模拟,并提供了模拟的初步数值结果及其统计分析,湍流统计特性表明得到的结果与已知的实验和直接数值模拟结果有较好的一致性. 另外,还考察了不同的谱消去黏性参数对稳定性和模拟结果的影响.