一种结合壁面模型模拟湍流流动的间断界面浸入边界法

提出了一种具有鲁棒性的间断界面浸入边界法，用来模拟不可压湍流的物体绕流问题。开发了一种新的OpenFOAM求解器，该求解器结合了压力隐式分裂算法和k-ωSST湍流模型求解Navier-Stokes方程。为了减少对近壁面网格的要求，在实施边界条件时，采用壁面模型计算得到的壁面剪切力将速度和湍流变量修正联系起来。壁面切应力采用远离壁面的镜像点求得，镜像点上流场变量通过反距离线性插值由周围流场信息得到。使用该求解器模拟了平板绕流、NACA0012表面压强和切应力分布、Buice扩散管、圆柱绕流、方柱绕流5个湍流流动问题，本文数值模拟结果与文献结果有较好的一致性，验证了该方法模拟湍流流动的有效性和准确性。     

沟槽面对湍流边界层流动特征影响的实验研究

利用二维激光多普勒测速仪对零压力梯度下光滑面和小尺度沟槽面的沟槽及峰上部区域中湍流边界层流场进行了对比测量。笔者着重考察了在相同流动条件下两位置的平均速度、流向速度脉动强度、高阶矩以及雷诺剪应力的分布特性。实验中发现：沟槽能够增加粘性底层的厚度，减小壁面剪切力，有减阻效应。而此处的流向速度脉动的强度、高阶矩以及雷诺剪应力在距离壁面的不同区域中均有减小或降低，说明沟槽具有削弱湍流湍动的功能；而峰上部的湍流统计平均量则表现出与槽相反的结果或趋势。还讨论了该沟槽面减阻的原因。     

超疏水壁面湍流边界层减阻机理的TRPIV实验

利用高时间分辨率粒子图像测速（TRPIV）技术,开展超疏水壁面材料湍流边界层减阻机理的实验研究.在循环水槽中,对超疏水壁面和亲水壁面湍流边界层瞬时速度矢量场的时间序列进行了实验测量.得到了同一来流速度（0.17m/s）下超疏水壁面和亲水壁面湍流边界层的平均速度、湍流度及雷诺切应力沿法向的分布规律.提出了空间多尺度局部平均涡量的概念,并以此为特征量检测壁湍流发卡涡展向涡头的中心位置.用条件采样及空间相位平均技术提取了不同法向位置发卡涡展向涡头周围流向脉动速度和流线的空间拓扑,对发卡涡展向涡头的俯仰角进行了对比,并从鞍点-焦点动力系统的角度分析了发卡涡展向涡头附近的流线拓扑特征.研究表明：雷诺数约为13500时,相比亲水壁面,超疏水壁面实现了10.1%的减阻.超疏水壁面平均速度明显增大,雷诺切应力减小,流向湍流度减弱,发卡涡展向涡头俯仰角较小,近壁区相干结构的发展受到抑制.     

基于SST k-ω的超声速气膜冷却湍流模型温度修正

针对现有湍流模型无法准确预测非等温超声速气膜冷却行为的问题,在现有SST k-ω可压缩修正模型基础上,以总温梯度为变量,完成了湍流模型的温度修正,并首先通过非等温可压缩自由剪切流动实验数据初步验证了其修正效果,在此基础上对温度修正模型预测超声速气膜冷却传热的准确性进行了验证。结果表明,基于剪切层总温变化的湍流模型修正效果显著,可准确预测大温度梯度下的自由剪切流动轴向速度分布;修正模型计算得到超声速气膜冷却壁面热流分布与对应的实验结果吻合;当用于剪切层温度大梯度变化的超声速气膜冷却数值模拟时,温度修正后的SST k-ω模型与可压缩修正的k-ω模型、SST k-ω模型相比,具有显著优越性。     

壁面加热湍流标度律的实验研究

用热线风速仪测量了风洞中壁面加热和不加热平板湍流边界层不同法向位置的流向速度和温度的时间序列信号，研究了壁面加热的边条件和不同法向位置的剪切作用对速度和温度增量的p阶结构函数的非线性反常标度律的影响，实验结果表明，壁面加热的边界条件不同法向位置的剪切作用对层次结构模型中间歇参数β和最奇异指数γ的影响明显存在，并初步分析了在具有强剪切作用的壁湍流中这种影响产生的原因。     

跨声速条件下轴对称收扩喷管内外流场的数值研究

采用有限体积法,二阶精度插值的Roe格式对三维流场N-S方程进行空间离散;采用LUSGS隐式时间推进法和多重网格技术加快计算收敛速度;采用不同湍流模型、壁面函数对轴对称喷管内外流场进行三维数值模拟.计算结果与实验数据对比表明,采用涡粘修正的RNG模型,内流场使用增强壁面函数,外流场使用标准壁面函数可以得到准确的计算结果.研究表明:在亚声速条件下,喷管外壁面压力分布随落压比的变化不大;超声速条件下,喷管外壁面激波随着落压比的增大前移.      

沟槽壁湍流多尺度相干结构实验研究

应用热线测速技术,对沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.测量了风洞中并排放置的沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层在不同雷诺数下不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号.运用流向速度分量信号的多尺度子波系数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取了壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠时流向速度分量、法向速度分量和雷诺应力分量的相位平均波形.分析了沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层中多尺度相干结构的持续时间、条件相位平均波形等特征.对沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层多尺度相干结构的多种统计平均特征进行了比较,从壁湍流多尺度相干结构控制的角度研究了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.      

弯曲网格上的间断有限元湍流数值解法研究

采用间断有限元方法对雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程进行了数值求解,对Spalart-Allmaras单方程湍流模型进行了部分修正,使得求解器更加鲁棒。构造了分段高次多项式来逼近真实物面,同时物面附近采用多层弯曲网格来避免网格交叉,此外提出了一种快速计算积分点的曲面物面距的方法。采用混合网格对NACA0012翼型以及RAE翼型进行了数值计算,并与实验数据以及前人数据进行了对比。计算结果表明,采用物面弯曲网格结合修正的湍流模型方法在相对稀疏的网格上就能得到比较好的数值解。     

湍流模型离散精度对数值模拟影响的计算分析

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和结构网格技术,采用五阶空间离散精度的加权紧致非线性格式(WCNS),通过改变物面法向第一层网格间距,开展了剪切应力输运(SST)两方程模型不同离散精度的数值分析。主要目的是为高阶精度格式在复杂外形上的应用提供技术支撑。计算模型包含了低速NLR 7301两段翼型和高速RAE2822翼型,研究内容主要包括湍流模型的二阶精度离散和五阶精度离散两种方式对收敛历程、边界层湍流黏性系数分布、边界层速度分布、压力系数分布以及气动特性的影响。在与试验数据对比的基础上,计算结果表明:对于不同的第一层物面法向网格间距,湍流模型离散精度对低速绕流计算结果有比较明显的影响,对于高速小迎角附着流动计算结果影响不明显;相对于湍流模型二阶精度离散,湍流模型高阶精度离散网格敏感性较弱,具有更高的数值模拟精度,但收敛性略差。     

旋转光滑直通道湍流流动一维热线实验

采用一维热线详细测量了不同雷诺数下及较高旋转数条件下旋转光滑直通道内湍流边界层及主流的速度型，在此基础上构建适用旋转数范围更广的旋转通道对数律的修正公式，分析了旋转效应对壁面摩擦速度的影响。实验过程中雷诺数范围是15000~25000，旋转数范围是0~0.444。通道壁面为室温，流体与壁面之间无热交换。结果表明:旋转对于通道截面速度型影响很大；旋转导致速度型整体向后缘面偏转，但最高速度出现在靠近前缘面的区域；后缘面无量纲平均速度型分布顺序与旋转数排列次序相一致，在对数律区符合对数律规律。壁面剪切应力在前缘面随着旋转数的增大而先单调递减，而在后缘面的变化趋势与此相反。旋转状态下修正的对数律公式斜率随着旋转数的增加而单调递减且在后缘面递减的趋势逐步有所减缓，并提出了对数律区的旋转修正公式，公式的误差范围控制在15%以内。      

壁面温度控制对平板边界层影响的数值研究

通过对零压力梯度的平板边界层流动施加温度控制,展开壁面温度控制对平板层流边界层和湍流边界层影响的研究,探索温度控制对平板转捩雷诺数和壁面摩擦阻力的影响规律。采用带有转捩模式的三方程湍流模型对平板边界层流动进行数值模拟,重点考察了壁面摩阻系数、平板转捩雷诺数、湍流边界层流动随壁面温度变化的规律。计算结果表明在壁面温度从288 K 增大到432 K 时,边界层转捩雷诺数增大约36%,表面摩擦阻力减少约9.6%。研究分析表明：加热控制使层流区域温度边界层内粘性作用增强,雷诺切应力和湍动能减小,流动更加稳定;而湍流区域边界层内粘性底层中速度梯度和粘性切应力减小,导致壁面处摩擦切应力减小。因此壁面加热控制可以延迟边界层转捩,减小湍流区摩阻系数,并减小平板摩擦阻力。     

二维沟槽粗糙槽道内的湍流特性研究

采用激光多普勒测速技术对光滑和粗糙槽道湍流特性进行了实验研究。粗糙元为二维横向V型沟槽,沟槽深度为0.8mm,沟槽间距为6.4mm,对应的槽道半高度与沟槽深度比为12.5。基于中线时均速度和槽道半高度的流动雷诺数范围为2740～17400。实验测量了包括时均速度、湍流强度、雷诺切应力和速度脉动偏斜因子和平坦因子在内的湍流统计量,结果表明沟槽型粗糙度对湍流的影响不仅局限于边界层内区,而是延伸到整个边界层范围。粗糙壁面上的粗糙度函数随雷诺数的增大而增大,时均亏损速度也较光滑壁面高。沟槽抑制了内区的流向湍流强度,同时增大了外区的湍流强度。粗糙壁面上的雷诺切应力高于光滑壁面,且与湍流强度一样表现出对雷诺数的依赖性。尽管沟槽型粗糙度对流向平坦因子影响不大,但对流向偏斜因子有显著影响。     

MVG控制斜激波/湍流边界层干涉的大涡模拟

采用浸没边界法(IBM)对带有微型涡发生器(MVG)控制器的激波/湍流边界层干涉流动进行了大涡模拟(LES)。以来流马赫数为2.3的斜激波(由平板上方8°楔产生)为基本流动入射平板湍流边界层,通过在干涉区前布置MVG阵列来控制激波诱导的边界层分离。采用浸没边界法处理MVG的复杂几何,分析了MVG尾迹区平均流速度剖面,雷诺应力,瞬态旋涡结构。结果表明:时均流场显示MVG尾迹区存在一对对转的主流向涡,流向涡加剧了边界内的动量交换从而增加了边界层抗分离能力,而瞬态流场则反映出MVG尾迹区的剪切层由于Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性会卷起为一列展向旋涡。     

壁面函数在激波诱导分离流动中的应用

以数值模拟激波-附面层干扰引起的流动分离问题为研究背景,发展了基于有限体积方法的雷诺平均Navier—Stokes（RANS）方程的流场数值模拟方法。利用壁面函数模型得到壁面剪切应力,通过修正壁面粘性通量,构造了一种新的湍流边界处理方法,并将其耦合到RANS方程和SSTk-ω湍流模型的数值求解中;同时,针对激波诱导引起的附面层流动分离问题,提出一种附面层网格加密技术,能够自适应加密分离区内附面层网格,使得在流动分离区域也能够使用壁面函数模型。数值算例表明,壁面函数模型能够降低数值模拟结果对网格的依赖性;同时也验证了壁面函数耦合附面层网格自适应方法,在处理激波诱导引起的附面层流动分离问题时的有效性和准确性。     

SST湍流模型在高超声速绕流中的改进

为模拟高超声速湍流问题,对剪切应力输运(SST)湍流模型系数进行了修正。数值格式采用改进的总变差递减(TVD)格式,并对湍流模型的负值强制项进行了隐式处理。在此基础上计算了绕平板以及具有分离、再附、激波/边界层干扰等复杂流动结构的压缩拐角的高超声速流动。计算结果与试验数据及半经验公式的对比表明:SST湍流模型引入的雷诺剪切应力与湍动能之比为常数(Bradshaw数)在高超声速绕流中并不成立。Bradshaw数修正后的SST湍流模型与原模型相比,所计算的壁面压力、摩擦阻力和壁面热流分布更接近试验结果。     

剪切层与边界层组合流动的线性不稳定性分析

对不可压缩剪切层与边界层的组合流动完成了线性稳定性研究.组合流动的数学模型为Blasius边界层相似解与双曲正切函数的叠加,采用整体数值方法求解组合流动的稳定性方程,并验证了程序的准确性及网格无关性.研究给出组合流动的不稳定模态的辨识,即边界层模态和剪切层模态.在此基础上研究了剪切层对边界层模态不稳定性的影响以及壁面对剪切层模态的影响.由于剪切层的存在,使边界层模态中性曲线向左上方平移,临界雷诺数减小.此外,边界层模态不稳定性得到增强或抑制的影响,取决于扰动频率以及剪切层速度比的变化.组合流动中壁面边界层促使剪切层不稳定性减弱,主要表现在低频区域;而在高频区域,剪切层不稳定性几乎不受壁面边界层的影响.      

EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON THE TURBULENT COHERENT STRUCTURES OF LAMINAR SEPARATION FLOW OVER A BACKWARD FACING STEP

ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬＩＮＶＥＳＴＩＧＡＴＩＯＮＯＮＴＨＥＴＵＲＢＵＬＥＮＴＣＯＨＥＲＥＮＴＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳＯＦＬＡＭＩＮＡＲＳＥＰＡＲＡＴＩＯＮＦＬＯＷＯＶＥＲＡＢＡＣＫＷＡＲＤＦＡＣＩＮＧＳＴＥＰＷａｎｇＪｉｎｊｕｎ；ＬｉａｎＱｉｘｉａｎｇ...     

激波/湍流边界层干扰物面剪切应力统计特性

为了揭示激波/湍流边界层干扰区内物面剪切应力统计特性的演化规律，采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、12°激波角的入射激波与平板湍流边界层相互作用问题进行了研究。通过与风洞试验数据的比较分析，验证了计算结果的可靠性。系统地探究了干扰区内物面剪切应力的典型特征，如预乘谱、概率密度分布和相干结构等。研究结果表明，分离激波的低频振荡运动对流向及展向分量的预乘谱均没有实质影响，其脉动仍以高频特征为主，低频能量变化较小。干扰区内流向剪切应力概率密度函数分布变化剧烈，分离泡内对数正态分布规律不再适用，而展向剪切应力在干扰区内与正态分布较为接近。相较于上游湍流边界层，分离泡内物面剪切应力矢量夹角与幅值的联合概率密度变化显著，峰值概率降低，峰值范围增大。此外，流向剪切应力脉动场的本征正交分解分析指出，主能量模态与分离激波的低频振荡以及下游再附边界层内的Görtler-like流向涡结构密切相关。     

后向台阶层流分离湍流结构的实验研究

实验研究是应用 LDV及氢泡显示技术在水流中进行的。得到了剪切层厚度、涡量厚度、拟序结构以及再附后壁面切应力、边界层形状因子等的变化规律。对流动再附后壁面附近带条结构进行了详细分析。结果表明在流动再附后 2 0倍台阶高度处形成湍流边界层     

隐式紧耦合SST和TNT湍流模型的高速流动数值模拟

将SST(shear stress transport)和TNT(turbulent/non-turbulent)湍流模型输运方程与平均流场控制方程进行隐式紧耦合求解,结合当地时间步长方法和湍流源项隐式处理确保求解过程的快速和稳定.采用AUSMPW+(AUSM by pressure-based weight functions)格式和LU-SGS(lower-upper symmetric Gauss-Seidel)隐式紧耦合方法对高超声速压缩拐角流动、锥柱裙流动和超声速非对称激波/边界层干扰问题进行了数值模拟.计算结果与实验值的对比表明:SST模型和TNT湍流模型可以很好地预测15°压缩拐角流动的壁面压力和热流密度;随着压缩拐角的增大,计算结果与实验值偏差增大;可压缩性修正对压缩拐角流动的压力和热流密度分布有很大影响,对超声速非对称激波/边界层干扰流动影响很小;隐式紧耦合方法比显式紧耦合方法具有更好的收敛特性.