三维控制翼周围粘性分离流动的数值模拟

本文首先分析了中心型隐式格式和迎风型隐式格式的优缺点,在此基础上发展了一种自由参数可确定的反扩散隐式格式。用此格式计算了绕三维控制翼的层流和湍流分离流动。出发方程是三维简化N-S方程,用Baldwin-Lomax湍流模型。结果表明,这种隐式格式效率高,能满意地刻划流场。     

湍流通用物理方程的推导及讨论

湍流的通用方程已经获得。利用变形率张量与摄动变形位移的点积分解湍流脉动速度,并使用密度加权的侧偏系综平均方法取代Reynolds平均方法,对Navier-Stokes方程进行平均。在二阶精度上没有出现未知相关量,从而获得了具有二阶精度的封闭的湍流通用物理方程。方程中无相关量,不引入任何经验系数,无需构造任何湍流模型,即可描述任意复杂湍流场并解释湍流物理本质。方程在长时标上描述湍流平均行为,在短时标上描述相应尺度层次的湍流结构现象,从而统一了湍流的统计及结构二大学派。方程简化后得到湍流的规范方程,是混合的Burgers-Korteweg-de Vries方程,对该方程的分析给出了湍流转捩准则。文中对湍流的间歇性、拟序结构、各向异性、湍流能量逆转等现象的物理本质进行了初步讨论。      

旋转坐标系中可压缩湍流的基本方程和湍流模型

本文在可压缩湍流瞬时量基本方程的基础上,用质量加权平均的概念,推导了旋转坐标系中可压湍流流动的连续方程、动量方程和能量方程。进而导出了旋转坐标系中可压湍流的应力输运方程、脉动平均动能方程和湍流耗散率输运方程。这些方程中包括了由旋转引起的 Coriolis力和离心力的作用项。这些方程是在旋转坐标系中研究平均 N-S方程求解湍流流场和研究湍流模型的基础。      

边界层方程反解法的进展

目前在大量的工程实际问题中,完全的、时间相依的纳维尔-斯托克斯方程(NS方程)尚未得到广泛的应用。这不仅是由于对湍流认识不足,缺少合适的湍流模型,或受到经济条件与计算机速度及容量的限制,而是实际所需要反映的物理现象常常并不需要如此之完全、复杂与细致,应用简化的NS方程所得结果已经可以满足要求。根据不同的物理问题,可以简化方程式、边界条件及初始条件,从而派生出各种简化了的方法,例如,定常NS方程、低维数NS方程、略去粘性项而得到欧拉方程、位势方程、线化方程,以及略去部分粘性项或部分方程式而得到的抛物化NS方程及边界层方程等等。从而在求解上述诸方程的过程中又发展了多种数值计算方法,构成新兴的计算流体力学分支。     

解决湍流圆/平射流异常现象的数值研究

圆射流/平面射流异常现象是湍流研究领域的一个著名的难题,是验证湍流微分方程模型的试金石。本文用GAO-YONG不可压湍流控制方程对圆射流进行了数值验证,成功地解决了该难题,进一步证明了该方程对真实湍流的适定性和通用性。      

湍流附面层方程的有限差分解

本文用三点隐式有限差分法数值求解了轴对称流动的层流、转捩和湍流可压缩附面层方程,湍流附面层用两层概念处理,而每一层用适当的涡粘性模型代替Reynolds应力项,用常值湍流Prandtl数将湍流热流项与Reynolds应力关联起来。支配方程用迭代法求解。计算结果表明,采用本文改进的涡粘性模型和涡粘性分布的平滑办法,对文中所计算的几种情况,都给出了满意的结果。     

基于Reynolds平均的高超声速二方程湍流模型

 在Reynolds平均的框架下推导了可压缩湍流Reynolds应力方程和湍动能方程。根据一定的假设和尺度分析简化并封闭了所推导的湍动能方程。在均匀湍流假设下,湍动能耗散率可分解成可压缩性耗散和旋度耗散,并对其中的可压缩性耗散进行了封闭;同时认为旋度耗散不受可压缩性影响,直接引用传统的Reynolds平均不可压缩湍动能耗散率模型方程。由此构造了适用于高马赫数的二方程可压缩湍流模型。应用所发展的模型计算了高超声速平板绕流,并与若干现有模型的计算、实验与半经验公式的计算结果进行了对比,验证了所发展的模型。在此基础上,通过对压缩拐角的高超声速湍流的数值模拟,对所发展的湍流模型,以及若干现有模型进行了对比,显示了不同湍流模型及可压缩性修正在计算壁面压力分布和热流分布上的特点,说明了湍流模型可压缩修正的必要性,得到了所发展模型的计算结果最接近实验结果的结论。     

关于湍流问题的注记

指出N-S方程是研究湍流所遵循的基本方程, Reynolds方程反映了在湍流中随机性与确定性共存;Burgers-KdV方程与湍流机理无关, 不能作为湍流研究的“新方程”      

平片型控制器湍流减阻的数值模拟

本文用数值方法求解了平片型控制器湍流减阻问题。出发方程和湍流模型分别采用部分拋物化的N-S方程和J-K模型。计算从控制器的上游开始,给出了单片装置及并排双片装置等两种典型的减阻结果,并和实验值进行了对比。     

用椭圆型、抛物型两种方法计算平面叶栅湍流尾迹

本文用连续方程、稳定不可压缩椭圆型和抛物型时均N-S方程及K-ε双方程湍流模型计算了平面叶栅湍流尾迹。计算表明,上述两种方法都能得到较好的数值结果,但抛物方法可节省大量计算时间和内存空间。     

分层Reynolds应力模式

本文根据切变湍流结构的特征提出一种分层Reynolds应力模式。在切变湍流中存在湍能生成项达到狭峰的极大值层次(本文称它为活跃层),根据这一特征,在活跃层中保留微分Reynolds应力模式,但它可以简化为常微分方程。在两层活跃层之间以及活跃层和壁面之间的Reynolds应力分布,用满足衔接相容条件的多项式近似。时均湍流场将由以上得到的Reynolds应力代入Reynolds方程求出。用本方法计算了两个比较复杂的湍流例子,结果表明,本方法较常用的k-ε模式有明显的优越性,它的计算时间并不比k-ε模式多,而计算结果与实测结果的吻合则较k-ε模式好得多。另一方面本方法较之完全的微分Reynolds应力模式可大大节省计算时间。     

Gao-Yong理性湍流方程

对近十年来Gao-Yong理性湍流方程的研究进行综述,给出矢量形式的可压湍流封闭方程组的推导过程。侧偏统计平均保留了湍流脉动量的一阶统计信息,在引入加权漂移速度对称性及正交各向异性后,导出了漂移流的连续方程、动量方程及机械能方程,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。方程组不含任何经验系数,不使用壁面函数,保留了NS方程的均化的非线性特性。其级数形式的能量方程与非线性现象多尺度层次现象相对应,具备了描述湍流统计平均流动及拟序结构流动的双重功能。已进行了大量算例验证,验证结果证明了Gao-Yong湍流方程对广泛范围的复杂湍流问题的适定性。     

湍流射流扩散火焰的层流火焰面模拟

采用双尺度κ-ε湍流模型，标量联合的概率密度函数（PDF）输运方程和层流火争面模型相结合，模拟湍流射流扩散火焰，比较了几种不同κ-ε湍流模型对轴对称湍流射流速度场模拟的结果，建立了混合物分数和湍流频率的联合PDF输运方程，并假定湍流频率和标量 线性关系，得到标量耗散率的概率分布，化学组分的浓度和温度由层流火焰面系综的平均得到，计算结果与直接用化学反应动力学计算的结果及实验数据做了比较。     

飞机／进气道系统内外流场计算

为了对飞机/进气道系统内外流场进行数值模拟,本文提出并研制了计算定常(或非定常)外压式飞机/进气道系统内外流场的计算方法和程序。它适用于任意几何外形的飞机/进气道在亚音速、跨音速或超音速来流条件下的内外流场和气动参数计算。求解的主管方程是在一般曲线坐标下的 Euler 方程、简化/雷诺平均的 Navier-Stokes方程。用隐式时间差分和近似因式分解方法离散和求解.针对飞机/进气道的复杂流场,本文采用了贴体网格生成技术和分区域方法.对于湍流流动,把 Baldwin-Lomax 湍流模型推广到飞机/进气道内外流场计算并使用了壁面律计算公式。应用上述方法对绕翼型的亚、跨音速、绕可压缩拐角的超音速湍流以及飞机进气道系统内外流场进行了计算,计算结果与实验数据和其它计算结果符合较好。     

激波与壁面粉尘相互作用的数值研究

本文采用厚边界层理论建立了考虑两相耦合效应的气固两相湍流边界层方程用以研究激波与壁面粉尘的相互作用。方程中考虑了压力梯度，Ｓａｆｆｍａｎ升力和湍流扩散等因素对颗粒飞行轨迹的影响，并用Ｍｉｒｅｌｓ方程作为边界条件使方程组封闭可解。数值计算时，经适当变换的气相方程组用ＢＯＸ格式，拉格朗日坐标中的颗粒相方程用Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ法，而源项则用颗粒源法和求质量加权的平均值获得。计算结果与某些实验结果较为     

电离空气平衡边界层

本文绘出了电离空气层流和湍流边界层方程的一种相对简单又比较精确的解法,用本方法得到的电离空气驻点与非驻点层流及湍流热流与先前的实验与理论结果符合得很好。     

微纳颗粒两相流系统中湍流脉动效应研究综述

给出了微纳颗粒两相湍流中颗粒一般动力学方程,分析了该方程包含的因湍流脉动导致的未封闭源项;回顾了湍流脉动对颗粒成核、生长、凝并以及破碎作用的研究,包括从源项核函数的构造发展到对方程进行雷诺平均或亚格子滤波;叙述了用直接数值模拟(DNS)方法、蒙特卡洛法、大涡模拟方法(LES)以及雷诺平均方法(RANS)对方程进行求解的研究成果;介绍了对颗粒一般动力学方程进行封闭求解的研究途径,包括引入相关函数建立未封闭源项与颗粒性质、湍流场特性的关系以及直接将概率密度函数(PDF)代入未封闭源项,再通过统计学方法获得源项的平均效应;提出了将来值得进一步探讨的重要问题,包括湍流脉动对颗粒凝并的影响、实验仪器和实验技术以及对颗粒一般动力学方程中未知项的模化开展有针对性的实验研究.     

使用GAO—YONG湍流模型数值研究管道凸起流动

用GAO—YONG可压缩湍流方程数值模拟了Delery管道凸起跨音流场中的激波湍流边界层干扰现象。分析了GAO-YONG可压缩湍流方程组对湍流的非平衡、多尺度、各向异性等特性的描述能力。计算中对流项、扩散项分别采用二阶ROE格式和二阶中心差分格式离散,并用多步Runge-Kutta显式时间推进法求解了空间离散后的控制方程。计算很好地模拟到了压力平台区、“入”波结构等典型激波湍流边界层干扰的流动现象,也得到了壁面压力分布、平均速度剖面以及雷诺应力分布等,并与相应的实验数据进行了对比分析,两者符合很好。     

不可压湍流平均流与拟序流的各向异性模式理论及其数值验证

使用侧偏统计平均方法理性推导了不可压湍流的封闭方程组。侧偏统计平均提供了湍流脉动量的一阶统计信息,在引入加权漂移速度对称性及正交各向异性后,导出了漂移流的连续方程、动量方程及能量方程,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。方程组不含任何经验系数,保留了N- S方程的均化的非线性特性。其级数形式的能量方程与非线性现象多尺度层次现象相对应,具备了描述湍流统计平均流动及拟序结构流动的双重功能。      

湍流的耗散及弥散相互作用理论

 湍流具有涡团散裂、耗散和弥散的特性。根据Prigogine倡导的耗散结构理论,推导了表征耗散与弥散相互作用的新的湍流控制方程组。其特点是:用稳定性分析得到湍流动能产生项,再根据广义熵增原理推出并列存在的,分别适用于强弱涡量的二个湍流动量方程。运用该理论已成功地计算了一些典型的湍流问题:湍流边界层中的马蹄涡拟序结构、钝体涡尾区的湍流能量逆转、湍流涡团散裂弛豫及各向异性分布。文中给出了部分算例。