基于非结构/混合网格的脱体涡模拟算法

为了提高二阶精度有限体积算法的湍流数值模拟能力,在原始Roe格式基础上建立了与脱体涡模拟(DES)方法相匹配的二阶混合耗散自适应格式,根据流场信息自动调节格式耗散,并分别基于Spalart-Allmaras一方程湍流模型和k-ω剪切应力输运(SST)两方程湍流模型,发展了基于非结构/混合网格的DES方法。采用该方法计算了雷诺数为3 900的圆柱绕流和NACA 0021翼型60°大迎角分离流两个典型算例,通过与试验数据以及其他数值结果的对比验证了该方法的可行性。同时开展了不同数值格式、湍流模型的对比分析,研究结果表明:采用混合格式的DES算法能够解析更小尺度的湍流涡结构、计算数据更接近试验值;本文的DES类算法受其基准湍流模型影响较小。     

机械能方程的耗散积分解析表示式

发展了二维可压湍流边界层的耗散积分方法。采用两层涡粘性模型和速度剖面的指数律导出机械能方程的耗散积分解析表示式。它是局部摩阻系数、形状因子,Ma数和基于动量厚度的Re数的函数。该方法运算简捷,使用方便,大大简化了湍流边界层计算。和其他理论结果相比,本文结果更接近于实验数据。     

关于旋涡定义的思考

针对旋涡定义这个长期未解决的难题,在分析历史上提出的几种思路的基础上,本文提出:定义旋涡的总目标,应当体现其管状运动形态,并与其作为流体运动肌腱的动力学功能有机结合;该定义应能以统一的方式覆盖经典涡动力学业已成熟的结果,并且指引对湍流中复杂涡状结构及其相互作用的识别。据此,本文根据涡量场演化的已知规律,提出了旋涡的一个动力学定义,作为继续深化讨论的参考。同时提出,人们针对湍流结构研究构造的各种涡判据,虽然对湍流涡状结构的可视化起了重要作用,但因其难以遵循管式涡量场的因果演化而无法取代完备的涡定义。相比之下,近十年来形成的涡量面理论,有望在未来发展中使旋涡的定义和检验问题回归涡量动力学的自然规律。     

本征正交分解法对正十二烷喷雾射流的解析

应用大涡模拟方法对航空煤油单组分替代燃料正十二烷冷态喷雾现象进行模拟计算,探究喷雾射流中的多物理场耦合现象。从宏观层面分析燃油破碎蒸发及油气混合过程,发现流场涡团在其中起着重要的作用。运用本征正交分解方法对正十二烷射流质量分数场和涡量场数据库进行加工,从“微观”层面深入探究两者的联系。结果表明:正十二烷质量分数场喷雾结构与射流涡量场涡团结构存在显著的空间分布相关性,反应出两者结构演变具有重要关联特征。湍流脉动致使涡团尺度发生变化,从而影响燃油破碎蒸发,最终使得喷雾不同尺度结构分布形态发生改变。      

微吹气对湍流平板边界层流动特性的影响及其减阻机理

微吹气技术能够改变平板湍流流场结构,减小平板表面的摩擦阻力。采用直接数值模拟方法,计算了来流马赫数0.7条件下,流场流过光滑平板和NASA-PN2多孔平板表面两种情况,通过对比这两个算例的相关流场特征,验证了微吹气控制减阻的有效性,局部最大减阻率达到了45%,并且由于微吹气控制的"记忆"功能,减阻效果在微吹气流域下游仍会持续一段距离,增加了减阻区域的流向面积。壁湍流摩擦减阻的原因在于近壁区域出现了一个低速的"湍流斑",黏性底层厚度增加,速度型曲线被抬升。但与此同时,边界层内湍流速度脉动也得到了增强。进一步对流向脉动涡演化规律分析,发现微吹气对流向脉动涡发挥着多重作用。在增加流向脉动涡强度的同时,还使得流向涡团向远离壁面抬升,这样减小了流向涡与壁面之间直接作用。此外,微吹射流产生的冲击作用会在流向涡表面留下凹痕,使得流向涡分散成相对小的涡团结构。     

平板湍流转捩过程中Λ涡和环状涡的周围流场研究

采用高精度湍流直接数值模拟技术,对平板流动转捩过程中的涡系结构,尤其是Λ涡和环状涡附近的流场进行了详细的研究.高分辨率的数值模拟给出了实验手段无法得到的全流场信息,以及雷诺平均纳维斯托克斯方程方法(RANS)无法给出的精细涡结构信息.数值模拟在精确捕捉Λ涡和环状涡等转捩过程中典型涡系结构、上喷和下扫等典型流动现象的同时,发现了一些与传统认识所不同的现象:1)Λ涡并不是当地涡量集中的地方;2)环状涡的附近存在一个速度显著大于远场来流速度的区域.这些现象对传统湍流转捩理论提出了挑战,并引发人们对湍流生成与维持机理的进一步研究.     

湍流燃烧模型对双旋流燃烧室喷雾燃烧的影响

采用数值模拟与试验测量相结合的方法,研究扩展旋涡破碎模型、扩展二阶矩模型和涡团耗散概念模型等三种湍流燃烧模型对双旋流湍流喷雾燃烧流场的影响.在任意曲线坐标系下数值研究双级轴向旋流器环形燃烧室全流程流场,采用粒子图像测速仪测量燃烧流场气流速度分布,热电偶测量燃烧室出口温度分布.计算结果与验证试验数据比较表明:不同湍流燃烧模型对双旋流湍流喷雾燃烧影响较大,所得的回流区形状、速度、温度场以及出口温度分布等都不太相同,其中扩展二阶矩模型所得的结果与试验值符合最好,更适用于模拟双旋流环形燃烧室湍流喷雾燃烧.     

洁净室流场大涡模拟

应用湍流大涡模拟方法对矢流洁净室和全顶棚送风下部两侧回风式洁净室进行了数值模拟。计算中使用了隐含流线抑风耗散作用的具有三阶部分展开的Taylor-Galerkin离散格式，导出了经Gauss滤波后的基本方程组的有限元列式，应用涡粘性亚格子模式的湍流大涡模拟方法进行数值模拟。数值计算结果与实验结果符合较好，表明湍流大涡模拟能够较准确地捕捉到洁净室流场中旋涡的位置和尺度，在洁净室的数值仿真方面，与标准的K－ε湍流模式相比，湍流大涡模拟结果具有较高的可靠性。     

无限翼展后掠机翼的三元湍流边界层计算

本文应用零方程的湍流模型,考虑到三元湍流边界层中涡团粘性的各向异性分布,分别对Michel-Schneider模型和Cebeci-Smith分层模型,采用有限差分和牛顿迭代方法,对有逆压梯度的无限后掠平板机翼湍流边界层进行了计算。文章着重讨论了混合长度(在Cebeci-Smith模型中包括内层参数和外层参数)和涡团粘性各向异性系数的影响,并与风洞实验测量值进行了比较。     

湍流边界层相干结构空间拓扑形态的 层析TRPIV测量

用层析TRPIV(time-resolved paticle image velocimetry)技术精细测量了水洞中平板湍流边界层三分量速度的时空序列信号,提出了空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念描述湍流多尺度涡结构的空间拉伸、压缩、剪切变形和旋转.用空间局部平均多尺度速度结构函数对湍流脉动速度进行了空间多尺度分解.用空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念,根据湍流多尺度涡结构在空间流向的拉伸和压缩特征,提出了新的湍流相干结构条件采样方法,检测并提取了层析TRPIV数据中相干结构的“喷射”和“扫掠”事件中的速度、涡量等物理量的空间拓扑形态.发现在喷射和扫掠事件中均存在一对反向旋转的准流向“马蹄形”涡结构.      

A DISSIPATION-DISPERSION TURBULENCE THEORY AND ITS MODIFIED k-ε MODEL

Based on the perturbation equation of the Navier-Stokes equation and the instability analysis of strongly nonlinear flow. a set of new control equations is presented featuring the interaction between dissipation and dispersion of turbulence. Three extra terms repr(?)nting respectiveiy the effects of extra strains, rotation and dispersion on the turbulent stresses introduced into the momentum equation. The defects of the original k-(?) model are removed mainly by introducing new (?) terms. This modified k-(?) model has advantages of simplicity, self-consistency and clarity of physics It is abie to handle complex flows and provides new perspectives for looking at a diversity of turbulence problems, such as inter(?)ttency, coberent structure,anisotropy, turbulent energy inversion and the cut-off of turbulence spectra.     

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。      

喷气发动机中的紊流旋涡与仿生学

 现代喷气发动机结构已相当复杂,但其性能仍有许多不能令人满意之处,如沿流路压力损失大、部件效率低、压气机容易失速喘振、燃烧室容易过热震荡、再点火高度低、稳定工作范围窄等。本文讨论紊流旋涡现象,给出新推导的紊流动量方程,仿自然生态,提出减少旋涡损失,利用旋涡功能的设想,引出一些值得深入研究的问题。     

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。     

不可压缩湍流的色散模型

分析了广泛存在于湍流运动中的能量逆转现象,揭示了其产生的原因,提出了湍流的色散性质.在此基础上,修改了Boussinesq假设,建立了包含色散效应的新的雷诺应力封闭式和湍流色散系数,给出与不同模型相结合时,湍流色散系数所具有的不同形式,并阐述了湍流运动中能量的传递方向及条件.采用不可压缩平板边界层流动和平面后台阶流动验证了其可信性和优越性.平板摩擦阻力系数及边界层速度型与实验结果吻合良好,平面后台阶流动的流向再附长度、台阶边压力系数及湍流强度等参数均比标准k-ε模型更接近实验结果.结果表明:色散项的加入可以在不显著增加计算量的同时显著改善预测精度,模型具有一定的工程应用价值.      

贴壁方柱湍流场TR—PIV实验研究

采用时变粒子图像速度场测试技术（TR—PIV），对低速循环水槽中贴壁二维方柱绕流湍流场进行了细致的测量。通过对实验得到的30000个连续瞬态速度场进行分析，得到了时均速度场和流线图谱，以及流向、法向速度分量的脉动强度场和涡量场。此外，对脉动速度时序信号进行谱分析，得到了流场中低频大尺度相干结构脱落频率。通过对瞬态速度场的分析，揭示了贴壁方柱绕流的旋涡脱落及其发展过程。     

用一种新的极点配置方程确定双输入多输出系统的控制律

 本文导出了双输入多输出系统的极点配置方程。它们的形式和通常所用的极点配置方程形式不同。证明了方程的一个性质,利用这个性质可以较好地控制各个特征值配置的精度。算例表明,用这种方法配置的极点的精度比用“秩一控制器”方法有较大改善。     

湍流度和粗糙度对边界层转捩影响的研究

工程上计算边界层转捩位置,常用以线性稳定性理论为基础的e~N方法。实际上,层流边界层转捩受坏境因素(如湍流度T,粗糙度k和压力梯度等)影响较大。所以作为e~N方法的补充,须寻求一种能同时计算坏境因素影响的方法。现只有湍流模型方法能满足这种要求。     

气固两相流k-E-kp-Ep双流体模型及应用

以流体k-E双方程模型为基础, 提出了一种包括颗粒湍动能输运方程和耗散率方程的k-E-k_p-E_p两相湍流模型。并对两个垂直上升管道内气固两相湍流进行了数值计算, 计算结果和已有实验结果吻合得很好。      

微型燃气轮机喷嘴射流和雾化特性研究

为在微型燃气轮机内营造低氧贫燃氛围以实现液体燃料的节能减排,利用可适性多普勒激光测速仪APV/LDV对改造喷嘴附近截面进行了测量和分析,用以考查近喷嘴处的气液混合夹带情况以及雾滴尺寸及分布。结果发现：增加外部涡旋气流后,喷孔附近雾滴的动量增大,雾锥内出现一小回流区,对应湍流度较大区域附近;燃烧时较大切向动量及湍流度利于空气与周围高温烟气迅速混合形成低氧环境,并和雾滴掺混进行热量和动量的传递;喷孔出口雾化角增大,使得雾滴更加分散,利于雾化、气液混合和传热传质;所有实验工况雾滴平均直径低于50μm,且为偏高斯分布。该研究为液体燃料喷嘴的设计提供了参考,可作为微型燃气轮机燃烧室热态反应物流场的参考依据。