一种基于湍动能方程的转捩判定方法

转捩现象是阻碍阻力高精度求解的主要问题之一. Menter 和Langtry 所提出的γ-θ转捩模型通过引入涡量雷诺数和间歇因子输运方程来驱动转捩,但是其中很多经验公式的理论立足点有待商榷. 驱使层流转变到湍流依赖的仍然是平均速度的一阶和二阶相关量,它们组合构成了湍动能方程的耗散尺度. 在湍动能方程中做合适的耗散平衡后,仅仅依靠湍动能方程可以有效地捕捉转捩现象. 采用自然转捩和旁路转捩测试算例进行了验证,结果证明该方法与试验值匹配较好,具有一定的工程实用价值.      

一类平衡大气边界层边界条件研究

基于标准k-ε湍流模型,首先利用湍流粘度方程和剪切应力在整个边界层内恒定的假设,推导出一类耗散率表达式,并根据常用的湍动能入口剖面方程以及平均风速剖面方程,计算获得相应的耗散率方程;然后在输运方程中添加自定义源项,通过已经确定的平均速度方程、湍动能方程、耗散率方程计算得到相应输运方程的自定义源项表达式,并进行空风洞数值模拟,从而得到了一类满足平衡大气边界层的来流边界条件．通过将这种边界条件与由湍流平衡条件得到的边界条件进行比较,表明本方法获得的边界条件更适用．并且,本方法无需考虑修正壁面函数和修正湍流模型常数,因而计算更为简单,可为平衡大气边界层的研究提供一种新的思路．     

水翼端部间隙泄漏流的压降及黏性损失机理

叶顶泄漏流产生的局部压降及黏性损失是导致轴流式水力机械效率下降和轮缘间隙空化的主要原因.为探明间隙泄漏流的黏性损失特性和低压形成机制,以NACA0009水翼为对象,采用超大涡模拟方法(VLES)对翼端间隙流动进行数值模拟,基于平均流动动能转换与输运分析,提出了间隙区黏性损失定量计算模型,研究了翼端间隙区湍动能生成、黏性损失和压降的产生机理及主要影响因素.结果表明,间隙区存在间隙分离涡(TSV)、间隙泄漏涡(TLV)和诱导涡(IV)等流动结构;湍动能生成是导致TSV内压降的主导因素,TLV内压降则主要受湍动能生成和平均动能的对流和扩散效应影响;湍动能耗散导致的翼端区域黏性损失占间隙区黏性损失总量的91.2%.间隙区不同流动结构对湍动能生成的影响存在明显差异,水翼吸力面的强剪切效应主要生成湍动能的■分量,而TLV, TSV和IV等间隙涡结构则主要生成湍动能的■和■分量;湍动能产生机制分析表明,湍动能生成项分量P_vw是TLV和TSV中湍动能生成的主导因素,减小TSV和TLV内的速度梯度■,可有效降低湍动能生成,进而减少翼端区域因湍流耗散导致的黏性损失.研究结果可为间隙流...     

宽速域下神经网络对雷诺应力各向异性张量的预测

基于Pope修正的有效黏度假设,张量基神经网络(tensor based neural network,TBNN)构建了从雷诺平均方程湍流模型(RANS)的平均应变率张量和平均旋转率张量到高精度数值解的雷诺应力各向异性张量的映射.将高精度数值解用于TBNN的训练,从而使TBNN根据RANS求解的湍动能、湍流耗散率和速度...     

可压缩各向同性衰减湍流直接数值模拟研究

采用五阶有限差分WENO格式直接模拟了高初始湍流Mach数的可压缩均匀各向同性湍流,主要分析了湍流的统计特性 和压缩性的影响,包括能谱特征、激波串、耗散率、标度律等. 研究表明,湍动能主要来自于速度场螺旋分量的贡献;各向同性湍流的小尺度脉动对压缩性更为敏感,并且压缩性的增强加快了湍流大 尺度脉动向小尺度脉动的湍动能输运;随着湍流Mach数的升高,胀量(压缩)耗散率所占比率也显著增长. 标度律分析表明,强可压缩湍流的横向速度结构函数仍然具有扩展自相似性;当阶数较高(p ≥ 5)时,纵向速度结构函数的扩展自相似性则不再成立. 对于压缩性较弱的湍流,与不可压缩湍流一致,横向湍流脉动的间歇性要强于纵向湍流脉动;而对于强可压缩湍流,纵向湍流脉动的 间歇性要强于横向湍流脉动.     

）IRECT NUMERICAL SIMULATION OF DECAYING COMPRESSIBLE ISOTROPIC TURBULENCE

采用五阶有限差分WENO格式直接模拟了高初始湍流Mach数的可压缩均匀各向同性湍流,主要分析了湍流的统计特性和压缩性的影响,包括能谱特征、激波串、耗散率、标度律等.研究表明,湍动能主要来自于速度场螺旋分量的贡献;各向同性湍流的小尺度脉动对压缩性更为敏感,并且压缩性的增强加快了湍流大尺度脉动向小尺度脉动的湍动能输运;随着湍流Mach数的升高,胀量（压缩）耗散率所占比率也显著增长.标度律分析表明,强可压缩湍流的横向速度结构函数仍然具有扩展自相似性;当阶数较高（p≥5）时,纵向速度结构函数的扩展自相似性则不再成立.对于压缩性较弱的湍流,与不可压缩湍流一致,横向湍流脉动的间歇性要强于纵向湍流脉动;而对于强可压缩湍流,纵向湍流脉动的间歇性要强于横向湍流脉动.     

高超声速激波湍流边界层干扰直接数值模拟研究

高超声速激波与湍流边界层干扰会导致飞行器表面出现局部热流峰值,严重影响飞行器气动性能和飞行安全. 针对高马赫数激波干扰问题,以往数值研究多采用雷诺平均方法,而在直接数值模拟方面的相关工作较为少见. 开展高超声速激波与湍流边界层干扰的直接数值模拟研究,有助于进一步提升对其复杂流动机理认识和理解,同时也将为现有湍流模型和亚格子应力模型的改进提供理论依据. 采用直接数值模拟方法对来流马赫数6.0,34°压缩拐角内激波与湍流边界层的干扰问题进行了研究. 基于雷诺应力各向异性张量,分析了高超声速湍流边界层在压缩拐角内的演化特性. 通过对湍动能输运方程的逐项分析,系统地研究了可压缩效应对湍动能及其输运的影响机制. 采用动态模态分解方法,探讨了干扰流场的非定常运动历程. 研究结果表明,随着湍流边界层往下游发展,近壁湍流的雷诺应力状态由两组元轴对称状态逐渐演化为两组元状态,外层区域则由轴对称膨胀趋近于各向同性. 干扰流场内存在强内在压缩性效应(声效应),其对湍动能输运的影响主要体现在压力--膨胀项,而对膨胀--耗散项影响较小. 高超声速下压缩拐角内的非定常运动仍存在以分离泡膨胀/收缩为特征的低频振荡特性,其物理机制与分离泡剪切层密切相关.      

湍流转捩模式研究进展

以湍流模式理论为基础发展起来的湍流转捩模式是一种十分重要的转捩预测方法. 本文对转捩模式的研究进行了回顾. 首先, 探讨了以低雷诺数湍流模式理论研究转捩问题的局限性,此类模式中, 用来模拟黏性层次的阻尼函数经过修正之后, 具有一定的转捩预测能力. 但也有观点认为这只是一种数值上的巧合而已. 其次, 指出了考虑间歇性的模式所存在的问题. 此类模式通过各种方式将间歇因子与湍流模式进行耦合, 在一定程度上考虑了转捩的物理机制, 可较好地模拟简单流动中的转捩过程. 但其中所包含的非局部变量使其与现代CFD方法并不协调一致. 接着, 分析了完全由局部变量构造的新型转捩模式, 其中涉及了关于非湍流脉动动能等转捩特征变量的新型输运方程. 最后, 对此领域的发展方向进行了预测.      

湍流能量耗散率标度律实验研究

应用粒子图像测速(PIV)系统对平板湍流边界层内流向和法向的瞬时速度进行了测量。湍流的能量耗散率由轴对称假设得到,同时在研究湍流动能耗散率标度律的过程中采用传统的统计学方法。实验结果显示,对于不同尺度上和不同法向位置湍流耗散率标度律来说,湍流耗散主要发生在小尺度上,也就是说湍动能耗散率标度律在小尺度上具有普适性。另外,根据层次结构理论假设,通过PIV实验数据对最高激发态的标度指数进行了研究,结果发现,最高激发态存在绝对标度指数,并且绝对标度律是由信号中最强耗散涨落的局部结构产生的。     

k-ω-γ模式对转捩影响因素的预测性能研究

高超声速边界层转捩的准确预测对飞行器的防热、减阻至关重要,而影响高超声速边界层转捩的因素众多.从模式角度出发研究边界层转捩的影响因素,采用k-ω-γ 转捩模式对5°圆锥的边界层转捩进行了数值分析,计算了不同头部钝度、来流雷诺数和湍流度情况下的边界层转捩,并与实验结果进行了对比. 研究结果表明:k-ω-γ 转捩模式基本能够反映头部钝度、来流雷诺数、来流湍流度对高超声速圆锥边界层转捩的影响规律,但对转捩后的热流峰值预测不准;从模式构造角度分析发现,雷诺数越高或头部钝度越小,层流区边界层越薄,k-ω-γ 转捩模式中第一、第二模态时间尺度增大,因此转捩起始位置提前;来流湍流度越大,等效脉动动能初值越大,导致层流区发展过程中等效脉动动能越大,因此转捩易于发生.      

Transition waves in bistable structures. II. Analytical solution: wave speed and energy dissipation

We consider dynamics of chains of rigid masses connected by links described by irreversible, piecewise linear constitutive relation: the force-elongation diagram consists of two stable branches with a jump discontinuity at the transition point. The transition from one stable state to the other propagates along the chain and excites a complex system of waves. In the first part of the paper (Cherkaev et al., 2004, Transition waves in bistable structures. I. Delocalization of damage), the branches could be separated by a gap where the tensile force is zero, the transition wave was treated as a wave of partial damage. Here we assume that there is no zero-force gap between the branches. This allows us to obtain steady-state analytical solutions for a general piecewise linear trimeric diagram with parallel and nonparallel branches and an arbitrary jump at the transition. We derive necessary conditions for the existence of the transition waves and compute the speed of the wave. We also determine the energy of dissipation which can be significantly increased in a structure characterized by a nonlinear discontinuous constitutive relation. The considered chain model reveals some phenomena typical for waves of failure or crushing in constructions and materials under collision, waves in a structure specially designed as a dynamic energy absorber and waves of phase transitions in artificial and natural passive and active systems.     

考虑损伤的内变量黏弹-黏塑性本构方程

基于Rice 不可逆内变量热力学框架,在约束构型空间中讨论材料的蠕变损伤问题. 通过给定具体的余能密度函数和内变量演化方程推导出考虑损伤的内变量黏弹-黏塑性本构方程. 通过模型相似材料单轴蠕变加卸载试验对一维情况下的本构方程进行参数辨识和模型验证,本构方程能很好地描述黏弹性变形和各蠕变阶段.不同的蠕变阶段具有不同的能量耗散特点. 受应力扰动后,不考虑损伤的材料系统能自发趋于热力学平衡态或稳定态. 在考虑损伤的整个蠕变过程中,材料系统先趋于平衡态再背离平衡态发展. 能量耗散率可作为材料系统热力学状态偏离平衡态的测度;能量耗散率的时间导数可用于表征系统的演化趋势;两者的域内积分值可作为结构长期稳定性的评价指标.      

Modeling the Dynamics of Ensemble-Averaged Linear Disturbances in Homogeneous Shear Flow

In order to expand the predictive capability of single-point turbulence closure models to account for the early-stage transition regime, a methodology for the formulation and calibration of model equations for the ensemble-averaged disturbance kinetic energy and energy dissipation rate is presented. The calibration is based on homogeneous shear flow where disturbances can be described by rapid distortion theory (RDT). The relationship between RDT and linear stability theory is exploited in order to obtain a closed set of modeled equations. The linear disturbance equations are solved directly so that the numerical simulation yields a database from which the closure coefficients in the ensemble-averaged disturbance equations can be determined. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

岩体结构非平衡演化的有效应力原理及长期稳定性分析

开挖卸荷后的天然岩体往往处于非平衡演化状态, 将直接影响岩体工程结构的正常运行、长期稳定和安全. 时效变形和损伤演化是岩体结构非平衡演化的核心. 在赖斯(Rice) 内变量热力学理论框架下, 提出了岩体结构非平衡演化的有效应力原理, 指出有效应力是总应力中能有效驱动结构演化的部分. 将内变量率形式的非弹性应变率方程和能量耗散率函数表示为有效应力形式, 并提出非弹性余能概念. 给定具体的余能密度函数和内变量演化方程, 得到了考虑损伤的内变量黏塑性应变率方程. 通过相似材料加卸载蠕变试验结果进行参数辨识, 并分别计算了内变量率形式和有效应力形式的黏塑性应变率、能量耗散率和非弹性余能, 并对其进行比较分析. 结果表明:在过渡蠕变和稳态蠕变阶段两种形式的方程计算的黏塑性应变率几乎相等, 但在加速蠕变阶段两者相差较大;非弹性余能和能量耗散率全域积分分别从驱动结构非平衡演化的内在潜力和实际效果的角度表征了结构的非平衡演化状态和演化趋势, 能量耗散率积分更合适用于评价岩体工程结构的长期稳定性. 最后以深埋地下洞室作为工程算例, 并对其长期稳定性进行分析.      

基于能量耗散的岩石脆性评价方法

脆性评价是页岩气钻井以及压裂工艺设计的重要环节.然而,现今对于脆性的定义十分模糊,且脆性评价的方法没有成熟的理论作为支撑.本文以岩石应力应变关系为基础,采用能量法来进行储层岩石脆性评价.根据断裂力学裂纹尖端的非线性场理论,以前端区作为尖端特殊的屏蔽构型,来描述储层岩石在断裂过程中能量的耗散. 通过计算本征内聚力与前端区稳态阻力比值来表征储层岩石的脆性指数. 研究表明,能量耗散相对越大,岩石的脆性指数越低,其塑性特征表现得越明显. 基于能量耗散的储层岩石脆性评价是分析岩石力学特性的重要内容,也为压裂选层提供了重要依据.      

绕振荡水翼流动及其转捩特性的数值计算研究简

通过对比标准k-ω SST 湍流模型和基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型对绕振荡NACA66 水翼流动的数值计算结果与实验结果,对水翼振荡过程的水动力特性和流场结构变化进行了分析研究. 结果表明：与标准k-ω SST 湍流模型的数值计算结果相比,基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型能有效预测绕振荡翼型流场结构和水动力特性,捕捉流场边界层发生的流动分离和转捩现象;绕振荡水翼的流动过程可分为5 个特征阶段,当来流攻角较小时,在水翼前缘发生层流向湍流的转捩现象,水翼动力特征曲线出现变化拐点;随着来流攻角的增大,顺时针尾缘涡逐渐形成并向水翼前缘发展;当攻角较大时,前缘涡分离导致动力失速,水翼的动力特征曲线出现大幅波动;水翼处于顺时针向下旋转阶段,绕水翼的流动状态逐渐由湍流过渡为层流.     

ENERGY DISSIPATION IN TAPPING MODE ATOMIC FORCE MICROSCOPY

原子力显微镜有多种成像模式,其中轻敲模式是最为常用的扫描方式.轻敲模式能获取样品表面形貌的高度信息和相位信息,其中相位信息具有更多的价值,如能反映样品的表面能、弹性、亲疏水性等.依据振动力学理论,相位与振动系统的能量耗散有关.探针样品间的能量耗散对于理解轻敲模式下原子力显微镜的成像机理至关重要,样品特性和测量环境会影响能量耗散.本文在不考虑毛细力影响下,基于JKR接触模型,给出了探针样品相互作用下的加卸载曲线,结合原子力显微镜力曲线实验,给出了探针-样品分离失稳点的位置,从而计算一个完整接触分离过程的能量耗散,进而讨论考虑表面粗糙度对能量耗散的影响.在轻敲模式下考虑毛细力影响,通过特征时间对比,证明挤出效应是液桥生成的主导因素,在等容条件下,用数值方法计算了不同相对湿度对能量耗散的影响.通过一维振子模型,简要说明原子力显微镜相位像与样品表面能、杨氏模量、表面粗糙度、相对湿度之间的关系.分析表明,表面粗糙度和环境湿度均会引起相位的变化,进而认为它们是引起赝像的因素.     

A bypass wake induced laminar/turbulent transition

The process of laminar to turbulent transition induced by a von Karman vortex street wake, was studied for the case of a flat plate boundary layer. The boundary layer developed under zero pressure gradient conditions. The vortex street was generated by a cylinder positioned in the free stream. An X-type hot-wire probe located in the boundary layer, measured the streamwise and normal to the wall velocity components. The measurements covered two areas; the region of transition onset and development and the region where the wake and the boundary layer merged producing a turbulent flow. The evolution of Reynolds stresses and rms-values of velocity fluctuations along the transition region are presented and discussed. From the profiles of the Reynolds stress and the mean velocity profile, a ‘negative' energy production region along the transition region, was identified. A quadrant splitting analysis was applied to the instantaneous Reynolds stress signals. The contributions of the elementary coherent structures to the total Reynolds stress were evaluated, for several x-positions of the near wall region. Distinct regions in the streamwise and normal to the wall directions were identified during the transition.     

Coherent fine scale eddies in turbulence transition of spatially-developing mixing layer

To investigate the relationship between characteristics of the coherent fine scale eddy and a laminar–turbulent transition, a direct numerical simulation (DNS) of a spatially-developing turbulent mixing layer with Re_ω,0 = 700 was conducted. On the onset of the transition, strong coherent fine scale eddies appears in the mixing layer. The most expected value of maximum azimuthal velocity of the eddy is 2.0 times Kolmogorov velocity (u_k), and decreases to 1.2u_k, which is an asymptotic value in the fully-developed state, through the transition. The energy dissipation rate around the eddy is twice as high compared with that in the fully-developed state. However, the most expected diameter and eigenvalues ratio of strain rate acting on the coherent fine scale eddy are maintained to be 8 times Kolmogorov length (η) and :β:γ = −5:1:4 in the transition process. In addition to Kelvin–Helmholtz rollers, rib structures do not disappear in the transition process and are composed of lots of coherent fine scale eddies in the fully-developed state instead of a single eddy observed in early stage of the transition or in laminar flow.