PANS方法在双圆柱绕流数值模拟中的性能分析

PANS方法以传统的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程为模板,引入控制参数对原方程进行修改,是一类能够有效模拟分离湍流流动的混合方法.采用基于Menter 剪切应力输运(SST)湍流模型的PANS方法,选取双圆柱绕流作为研究对象, 分析双圆柱流动结构,验证方法的准确性与可靠性,考察PANS方法中模型参数选取对于计算结果的影响,评估不同类型PANS方法的性能.研究表明:模化湍动能比例这一模型参数对计算结果有显著影响,且计算域内统一的模型参数取值难以处理复杂流动问题.在此基础上使方法中模化湍动能比例取值随流场物理信息和网格尺度变化,所得结果与SST DES计算结果及实验结果吻合较好,表明该方法适用于复杂湍流数值模拟.      

使用GAO-YONG湍流方程组对扩压器流动的计算

采用基于同位网格的SIMPLE方法求解GAO-YONG不可压湍流方程组,对二维扩压器流动进行了数值模拟.通过界面速度动量插值法解决了压力锯齿波问题,并且采用了正交贴体网格和二阶QUICK格式离散对流项以提高计算精度.与实验结果以及BL(Baldw-Lomax)模型计算结果的比较表明,不需要任何经验系数及壁面函数的GAO-YONG不可压湍流模型方程组能够对有压力梯度的湍流流动做出很好的预测.计算发现,在机械能方程中引入平均流压力梯度的作用,对GAO-YONG湍流方程组正确模拟逆压力梯度流动起到了关键作用.      

粗糙度对涡轮叶片流动转捩及传热特性的影响

为研究表面粗糙度对涡轮叶片流动转捩以及传热特性的影响,在自行开发的CFD程序平台上提出了对γ-Re_θ转捩模型的粗糙度修正方法,并参考平板绕流和涡轮叶栅的实验数据对该方法进行验证。考虑粗糙度效应的影响,对Mark Ⅱ涡轮导叶5411工况进行数值模拟,得到如下结论:表面粗糙度对层流边界层换热系数影响不大,而对湍流边界层则有较大影响,进而显著改变壁面温度分布;与光滑壁面相比,5μm的等效沙粒粗糙度使吸力面湍流区域壁面温度升高约5.7K,100μm粗糙度使壁面温度升高28.4 K,增幅达5%左右;当壁面粗糙度较低时,激波干涉对吸力面边界层的转捩起主导作用,而当粗糙度大于某临界值时,其作用会使转捩位置突然变化,本算例中该临界值近似为150μm。      

壁面展向匀速运动的槽道湍流的直接数值模拟

为了解展向存在匀速流动时湍流槽道流动的特性,应用直接数值模拟方法研究了壁面的展向运动对湍流槽道流动的影响.采用标准谱方法对固定质量流率条件下,上壁面展向运动速度分别等于零、流向流量平均速度以及两倍于流向流量平均速度等3种情况进行了直接数值模拟.结果表明,壁面的展向运动会导致表面摩擦力的增大,二阶湍流统计量诸如均方根速度脉动、雷诺剪切应力和均方根涡量脉动等都会随着壁面展向运动速度的增大而显著增长,同时,槽道截面上的均方根速度脉动也变得更均匀.      

基于Transition SST模型的高雷诺数圆柱绕流数值研究

为了研究高雷诺数下圆柱绕流边界层的转捩现象和圆柱尾迹近壁区的流动特征,首先通过在典型雷诺数下采用Transition SST四方程转捩模型模拟圆柱绕流得到的结果与实验结果及采用SST k-ω两方程湍流模型模拟结果的对比分析,验证了Transition SST模型在模拟高雷诺数下圆柱绕流的优越性,并较为准确地预测出了圆柱绕流边界层的转捩现象及尾迹近壁区的流动特征。然后分别对亚临界区、临界区、超临界区和过临界区的圆柱绕流问题进行了数值模拟,分析了不同雷诺数下圆柱绕流的流场结构及圆柱表面压力系数、摩擦力系数的变化规律,研究了圆柱绕流近壁区的流动特征、边界层转捩的流动机理、转捩位置及其随雷诺数的变化规律。结果表明,亚临界区二维圆柱绕流边界层发生层流分离,无分离泡和转捩现象;临界区和超临界区二维圆柱绕流边界层先产生了分离泡现象,之后流动发生了转捩并在转捩后发生湍流分离;过临界区二维圆柱绕流边界层流动在转捩之后发生湍流分离,无分离泡现象;在临界区、超临界区和过临界区,二维圆柱绕流边界层转捩位置随雷诺数增大向前驻点移动。     

基于流动控制的水下航行体流体动力特性分析

利用CFX对水下航行体流体动力特性进行了数值模拟研究.求解了混合介质的剪切压力输运湍流模型控制方程、雷诺-平均奈维尔-斯托克斯方程以及各相间的质量输运方程,采用三维数值模拟方法对比分析了不同流动控制方案的水下航行体空泡形态特征、表面压力分布和阻力系数变化特性,讨论了不同参数对减阻效果的影响.结果表明,对于有横流作用的水下垂直发射航行体,多相流动控制不仅可以降低通气空泡的不对称性和航行体阻力,同时可以均匀迎流面和背流面压力,从而实现航行体多相流空泡形态及表面压力特性等的控制.此外,通气口的位置对减阻效果具有显著影响.      

使用Gao-Yong湍流方程计算翼体角偶流动

Gao-Yong湍流方程基于侧偏统计平均方法保留了湍流脉动量的一阶统计信息,并引入加权漂移速度对称性及正交各向异性,导出漂移流连续方程、动量方程和机械能方程,最后依据湍流物理的唯象论,使用动量传输链概念模化封闭了整个方程组.大量算例验证了此方程对广泛范围的复杂湍流问题的适定性.为了进一步的工程应用,将其加入开源计算流体力学软件OpenFOAM(Open Field Operation and Manipulation)中,并就翼体角偶流动进行了数值模拟.翼体角偶流动具有三维分离、马蹄涡等十分复杂的流动特征,通过与实验测量结果的对比研究表明,Gao-Yong湍流方程不论在定性还是定量上,都成功捕捉到这类复杂流动现象的主要特征,得到了令人满意的结果.     

来流湍流度对边界层发展的影响

应用ＬＤＶ（Ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ）测速技术及氢气泡流动显示技术对水流中平板边界层的发展进行了详细的观测，研究了来流湍流度对边界层转捩、湍流边界层特性等的影响，得到了层流边界层、转捩区、湍流边界层区的分区界限，在本实验条件下，来流湍流度对边界层转捩有非常明显的作用，但对湍流边界层的特性影响不大。     

激波风洞7°尖锥边界层转捩实验研究

高超声速边界层转捩对摩阻、传热等有重要影响，飞行器的研制迫切希望能精确预测和控制边界层转捩。在JF8A激波风洞中开展了7°半锥角的高超声速尖锥边界层转捩实验研究，利用响应频率达到1 MHz量级的高频压力传感器对尖锥壁面脉动压力进行了测量，并结合热流测量结果，研究了高超声速尖锥边界层中扰动波的发展过程。实验结果表明:JF8A激波风洞在雷诺数为6.4×106/m状态下核心流的自由流噪声为2.8%；高频脉动压力测量技术能清晰地捕捉转捩过程中的第二模态波及其发展历程，试验状态下模型的第二模态波频率范围为165~206 kHz。当前研究结果能够为高超声速数值方法验证提供数据支撑。      

有限β等离子体中密度和磁场不均匀驱动的动理学Alfven波

在分析有限β等离子体中的密度、磁场不均匀引起的漂移波不稳定性的基础上，剖析了漂移波不稳定性对动理学Alfven波激发的作用．动理学理论能正确地处理有限拉莫半径效应和波粒共振相互作用，本文根据带电粒子在电磁场中的运动特性，采用Vlasov方程描述离子运动，运用漂移动理学方程对电子运动进行描述．密度不均匀和磁场不均匀对产生漂移不稳定性的对比分析表明：在有限β等离子体中，密度不均匀比磁场不均匀更易激发漂移不稳定性，且密度不均匀激发漂移不稳定性中的能量转换和转移更为强烈．这种能量的转换为动理学Alfven波的激发提供了物理基础．所得数值解表明：动理学Alfven波在磁层中能广泛地被激发产生，特别是在磁层空间的极尖区、磁层顶和等离子体片边界层等具有明显的不均匀性区域中更容易被激发产生．本文的研究结果进一步表明动理学Alfven波对磁层空间中能量传输具有重要作用．     

麦克斯韦分子碰撞下的离子分布函数及其非相干散射谱的计算

采用麦克斯韦分子碰撞模型描述玻耳兹曼方程的碰撞项, 基于双麦克斯韦分布函数得到的输运方程包含了粘滞和热流的影响, 通过求解输运方程得到了离子漂移速度, 平行和垂直磁场的离子温度, 应力张量以及平行和垂直能量的热流矢量的表达式. 进而得到了麦克斯韦分子碰撞模型下离子分布函数的16矩近似. 利用非相干散射理论, 计算得到了非相干散射谱. 相对于简单的驰豫碰撞模型, 麦克斯韦分子碰撞模型能更准确地描述非麦克斯韦分布的电离层E 层的碰撞过程.      

空间机器人动力学建模与模型验证

建立带任意节机械臂的空间机器人动力学模型,并验证了模型的正确性．采用Kane方程建立了各体间转铰具有三自由度的空间多体系统的动力学模型,利用投影算子将所建立的模型退化为各节机械臂间具有单自由度转铰连接的空间机器人动力学模型,依据动力学三大基本定理,即动量定理、动量矩定理、动能定理设计了模型验证方案,通过数学仿真验证了所建立模型的正确性．     

An improved Green's function for ion beam transport.

Ion beam transport theory allows testing of material transmission properties in the laboratory environment generated by particle accelerators. This is a necessary step in materials development and evaluation for space use. The approximations used in solving the Boltzmann transport equation for the space setting are often not sufficient for laboratory work and those issues are the main emphasis of the present work. In consequence, an analytic solution of the linear Boltzmann equation is pursued in the form of a Green's function allowing flexibility in application to a broad range of boundary value problems. It has been established that simple solutions can be found for high charge and energy (HZE) ions by ignoring nuclear energy downshifts and dispersion. Such solutions were found to be supported by experimental evidence with HZE ion beams when multiple scattering was added. Lacking from the prior solutions were range and energy straggling and energy downshift with dispersion associated with nuclear events. Recently, we have found global solutions including these effects providing a broader class of HZE ion solutions.     

FEM code simulation of the magnetospheric proton fluxes

We report a study of the numeric solution to the diffusive transport equation for energetic protons magnetically trapped in the Earth's equatorial magnetosphere. The analysis takes into account the pertinent physical processes in this region, including deceleration of protons by Coulomb collisional interactions with free and bound electrons, the charge exchange process, cosmic ray albedo neutron decay source, and electric and magnetic radial diffusion. These results were obtained using the Finite Element Method with magnetic moment and geomagnetic L-shell as free variables. Steady state boundary conditions were imposed at L=1 as zero distribution function and at L=7 with proton distribution function extracted from ATS 6 satellite observations. The FEM-code yields unidirectional proton flux in the energy range of 0.1–1000 MeV at the equatorial top of the geomagnetic lines, and the results are found to be in satisfactorily agreement with the empirical NASA AP-8 model proton flux within the energy range of 0.5–100 MeV. Below 500 keV, the empirical AP-8 model proton fluxes are several orders of magnitude greater than those computed with the FEM-code at L<3. This discrepancy is difficult to explain by uncertainties of boundary spectrum parameters or transport coefficients.     

倒V电子沉降通量能谱的理论计算

沿极光区磁力线大约在2000公里到8000公里的高度范围内,存在着一个等离子体湍流和大尺度平行电场的加速区。沿磁力线运动的等离子体片中的电子通过此加速区时,受到等离子体湍流和平行电场的共同作用,形成电子沉降的倒V结构。从一维准线性的动力学方程出发,导出了沉降电子通量的能谱方程,得出了电子通量能谱的理论公式。对等离子体湍流和平行电场对沉降电子能谱的影响作了分析和讨论。本文所提出的理论可以解释目前观测到的某些基本现象。      

损耗大气中随机重力波场的传输方程

从包含分子粘性的非线性相互作用方程出发, 采用随机相位近似, 推导了损耗大气中重力波场的非线性传输方程。由于分子损耗的引入, 谱演变的速率发生了改变, 在某些情况下, 还会得到与无耗条件下的传输规律相反的结论。损耗大气中重力波场的传输方程是研究中高层大气重力波能量收支平衡的出发点。      

近壁区湍能耗散率输运方程的理论模型

提出在湍流边界层的近壁区采用三维不稳定波来描述湍流扰动速度,然后根据理论模型对湍能耗散率的生成、粘性破坏以及扩散等特性进行了系统定量的计算和分析.理论计算结果与直接数值模拟结果符合较好,特别是在y<10的区域中明显优于传统湍流模型的计算结果.这不仅在理论上有益于对湍流物理机制的了解,而且可能为湍流模型计算开辟一条新的途径.     

基于Hamilton体系的Lagrange方程盒式倾转旋翼无人机建模

针对倾转旋翼飞行器动态倾转过程中动力学建模问题进行了研究。首先，从多体动力学出发，以某盒式倾转旋翼无人机为算例，将该无人机假设成由机翼、机体、涵道风扇、倾转旋翼等组成的多刚体系统。其次，通过不同刚体质心间的位移约束，建立该无人机系统的非保守力和力矩矩阵，以及动能、势能、余虚功和逆势能模型。最后，分别基于Hamilton体系下的Lagrange方程和第二类Lagrange方程推导并建立了该盒式倾转旋翼无人机的动力学模型。仿真结果表明:两类Lagrange方程所建动力学模型的仿真结果与实验数据一致，验证了所提建模方法的合理性；在倾转旋翼转速不变的情况下，倾转过程所用时间越长，无人机掉高越少，轨迹越光滑，但输入能量越多，具体倾转过程的设计要根据实际输入能量、倾转时间等需求进行确定。      

Combining MHD and kinetic modelling of solar flares

Solar flares are explosive events in the solar corona, representing fast conversion of magnetic energy into thermal and kinetic energy, and hence radiation, due to magnetic reconnection. Modelling is essential for understanding and predicting these events. However, self-consistent modelling is extremely difficult due to the vast spatial and temporal scale separation between processes involving thermal plasma (normally considered using magnetohydrodynamic (MHD) approach) and non-thermal plasma (requiring a kinetic approach). In this mini-review we consider different approaches aimed at bridging the gap between fluid and kinetic modelling of solar flares. Two types of approaches are discussed: combined MHD/test-particle (MHDTP) models, which can be used for modelling the flaring corona with relatively small numbers of energetic particles, and hybrid fluid-kinetic methods, which can be used for modelling stronger events with higher numbers of energetic particles. Two specific examples are discussed in more detail: MHDTP models of magnetic reconnection and particle acceleration in kink-unstable twisted coronal loops, and a novel reduced-kinetic model of particle transport in converging magnetic fields.