Rayleigh-Bénard湍流热对流研究的进展、现状及展望

对流现象广泛存在于恒星和行星里.在地球上,对流现象在诸如大气、海洋、地核和地幔等众多动力学系统中起着重要作用.Rayleigh-Bénard(RB)湍流热对流系统是从这些复杂的自然现象中抽象出来的研究对流问题的经典流体力学模型.本文主要从湍流传热、羽流、大尺度流动结构、速度和温度脉动的小尺度统计和非传统RB对流等几个方面着重评述近年来RB对流的若干研究新进展,并对今后的研究做出展望.     

ADVANCES AND OUTLOOK IN TURBULENT RAYLEIGH-BENARD CONVECTION

对流现象广泛存在于恒星和行星里.在地球上,对流现象在诸如大气、海洋、地核和地幔等众多动力学系统中起着重要作用.Rayleigh-Bénard（RB）湍流热对流系统是从这些复杂的自然现象中抽象出来的研究对流问题的经典流体力学模型.本文主要从湍流传热、羽流、大尺度流动结构、速度和温度脉动的小尺度统计和非传统RB对流等几个方面着重评述近年来RB对流的若干研究新进展,并对今后的研究做出展望.     

楔形体入水时域解的复边界元数值分析

基于速度势理论,利用复数变量边界元法对二维楔形体常速入水冲击的时域解进行了数值研究。 以相似解作为数值计算的初始条件,采用时域解射流线性近似处理方法,利用复数变量边界元法进行求解,以 减少计算量和数值误差。深入讨论了扩展坐标系求时域解、射流处理、网格划分和网格更新等关键技术。最 后数值计算了不同斜升角楔形体入水时的自由液面隆起、射流飞溅和压力分布,经与相似解结果作比较,自由 液面隆起轮廓基本吻合,而压力分布更符合实际情况,从而证明了模型及分析方法的正确性。     

梢涡流场中气泡轨迹及形态数值模拟

针对气泡在舰船尾迹涡流场运动特性,根据其是否为尾涡所捕获,将数值模拟过程分为两个阶段:准球状运动阶段和非球状运动阶段．分别应用单向耦合质点粒子追踪法（PTM）和边界元法（BEM）模拟这两个阶段,将第1阶段结束的物理量作为第2阶段的初始条件,从而完成整个数值模拟过程．在已有数值研究结果和实验数据基础上,探讨空化发生条件,追踪尾迹空泡运动轨迹,模拟尾迹气泡的运动、变形、溃灭等,以及被尾涡捕获后的撕裂等运动特性,旨在为优化设计尾流场提供参考．     

Variational multiscale turbulence modelling in a high order spectral element method

In the variational multiscale (VMS) approach to large eddy simulation (LES), the governing equations are projected onto an a priori scale partitioning of the solution space. This gives an alternative framework for designing and analyzing turbulence models. We describe the implementation of the VMS LES methodology in a high order spectral element method with a nodal basis, and discuss the properties of the proposed scale partitioning. The spectral element code is first validated by doing a direct numerical simulation of fully developed plane channel flow. The performance of the turbulence model is then assessed by several coarse grid simulations of channel flow at different Reynolds numbers.     

直接模拟离散颗粒对湍流射流的影响

发展了一种基于双向耦合的直接数值模拟方法,研究了两相湍流射流中离散颗粒对气相射流的影响。流场采用高分辨率的算法直接耦合求解,颗粒相采用拉格朗日方法跟踪。结果表明不同Stokes数的颗粒对射流的影响不同。所有的颗粒都降低了射流速度半宽,但对流向平均速度剖面的影响比较复杂.Stokes数为0.01和50的颗粒降低了横向平均速度,使得湍流强度剖面变的更宽更低;而Stokes数为1的颗粒则增加了横向平均速度,降低了湍流强度。     

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。     

非等温气固两相各向同性湍流的直接数值模拟

本文对非等温气固两相各向同性湍流中颗粒及颗粒所见流体温度的统计行为进行了直接数值模拟研究,系统地讨论了颗粒惯性的影响。对于Tp/Tk<1的颗粒,其温度脉动随惯性增大而减弱;对于Tp/Tk>1的颗粒,其趋势相反。颗粒及颗粒所见流体温度的自相关都随颗粒惯性的增加而减弱,而且随颗粒惯性的增加,颗粒所见流体温度的自相关比颗粒自身温度的自关联下降得快。     

雾化喷射下的波动液膜的电测量

冷却壁面上液膜的特性行为与厚度直接关系到雾化喷射冷却的深入研究。本文报道了在雾化喷射下水平壁面液膜厚度的测量。借助示波器,通过液膜直流信号配以几何尺寸的精确测量,实验研究了给定喷管雾化喷射下液膜波动行为和厚度随压力和喷头高度的变化。结合对流传热系数测量,分析了液膜厚度与雾化喷射冷却条件及效果的关系。     

矩形射流流动和燃烧中拟序结构的实验研究

对2:1的矩形喷口射流流动和燃烧过程进行了系列实验,展示了拟序结构的演化过程以及射流近场间歇产生的 圆环内接矩形和触角形结构,这些结构的形成与大涡的演变存在密切相关;流动和燃烧的实验结果都表明副平面内的射流 扩展角度大于主平面。副平面内大涡的运动会拉伸或压缩火焰锋面,并在局部区域形成火焰面的“孤岛”结构。