用GAO-YONG湍流模式对分离流动的数值模拟

采用GAO-YONG湍流模式对二维管道内三角形钝体绕流问题以及槽道内后台阶分离流动进行了数值模拟.求解程序基于开源数值计算平台OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation),数值模拟结果很好地预测了钝体绕流问题中漩涡脱落的尾流的流动趋势以及后台阶流动中分离再附的流动结构,同时分析了速度分布以及摩擦系数等参数并与实验值进行了对比,结果符合很好.这表明GAO-YONG湍流模式对大分离流动有较好的预测能力,对工程实践具有指导性作用.     

用GAO-YONG湍流模式对翼型跨音粘流的数值模拟

应用GAO-YONG可压缩湍流模式,数值模拟了NACA0012,RAE2822翼型的定常跨音速粘流算例.对流项采用三阶ROE格式,扩散项采用二阶中心格式,用多步Runge-Kutta显式时间推进法求解空间离散后的控制方程.计算结果很好地预测了翼型表面的压力系数的分布、激波的位置、马赫数等值线的分布等情况,并且对翼型表面激波与边界层相互干扰以及层流向湍流的转捩问题进行了分析计算.计算结果与实验值符合很好,表明GAO-YONG可压缩湍流模式应用合适的计算方法能够高精度模拟翼型跨音粘性流动问题,并且基于GAO-YONG可压缩湍流模式各向异性湍流粘性的机理,提供了一种预测转捩起始位置的判别方法.      

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.      

使用GAO-YONG湍流方程组 对顶盖驱动方腔流的计算

运用SIMPLER方法、QUICK格式及交错网格技术求解GAO-YONG湍流方程组,对二维顶盖驱动方腔流进行数值模拟,得到方腔内的涡量分布和方腔中心水平剖线上的速度变化曲线,并与DNS(Directly Numerical Simulation)结果进行定性对比,有较好的一致性.结果表明,GAO-YONG湍流方程组中与湍流多尺度现象相对应的机械能方程对此湍流方程组能够合理地模拟出顶盖驱动方腔流中复杂的湍流粘性分布以及湍流能量逆转现象起到了关键作用.研究进一步证明了GAO-YONG湍流方程组能够得到复杂流动的真实粘性场.     

用GAO-YONG湍流模型计算激波/边界层干扰

采用GAO-YONG可压缩湍流方程组,模拟了平板激波/湍流边界层干扰现象.运用SIMPLE算法求解方程组,并分别采用三阶精度的QUICK格式和中心格式离散对流项和扩散项.计算结果较好预测了入射斜激波在平直壁面引起湍流附面层分离的流动特征: 分离点的反射激波、分离包引起的膨胀扇以及再附点的反射激波.对流场的时均参数与实验值进行了比较,计算得到的壁面压力分布、摩阻系数分布和速度型与实验值比较吻合很好.结果表明GAO-YONG可压缩湍流方程组能够高精度模拟平板激波/湍流边界层干扰流动.      

绕大钝头短体外形跨音速大迎角湍流流动计算

采用数值模拟求解N-S方程方法计算与分析了绕大钝头短体外形的跨音速大迎角时的湍流流动.数值方法中选用Van Leer 分裂格式离散无粘通量项,并构造了一种Limiter函数以保证TVD(Total Variation Diminishing)性质,采用中心差分格式来离散粘性通量项.计算中采用了B-L湍流模型.算例定性地表明绕流的三维分离具有准周期性的非定常特性.     

基于SA湍流模型的DES方法应用

使用基于SA(Spalart-Allmaras)湍流模型的分离涡模拟(DES,Detached-Eddy Simulation)方法,对圆柱绕流和超声速圆柱底部流动等高雷诺数大分离流动进行了数值模拟.无粘通量的计算采用二阶迎风格式,时间推进使用二阶隐式双时间步法.计算表明相对于雷诺平均N-S方程(RANS,Reynolds-Averaged Navier-Stokes)模拟,时空均为二阶精度的DES模拟能够分辨更为精细的分离区三维旋涡结构,对分离区主要湍流结构的捕捉和平均压力分布的预测取得了满意的结果.     

基于非湍流脉动动能方程的高超声速转捩预测

通过求解基于稳定性理论的非湍流脉动动能输运方程,预测了来流Ma为5.91的裙锥绕流流动的层流-湍流转捩点,并采用SST(Shear-Stress Transport)湍流模型结合代数间歇因子模型对转捩流场进行了数值模拟.结果表明非湍流脉动动能输运方程模型可以很好地捕捉逆压梯度对转捩前期边界层内的不稳定波动频率的影响.等温壁面条件下计算得到的转捩位置与静风洞实验结果基本一致.壁面冷却促进第2模态不稳定波动的增长,使转捩提前发生.代数间歇因子模型模拟高马赫数流动的转捩区长度较短,温度峰值偏低.     

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。     

后台阶流动的Hybrid RANS/LES模拟

采用雷诺平均的Navier-Stokes和大涡模拟混合的方法对后台阶流动进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比;分区尺度采用IDDES(Improved Delayed Detached Eddy Simulation)模式:来流包含背景湍流度时,混合方法转化为WMLES(Wall Modeling in LES)模拟,除了近壁区外的大部分区域都是直接求解;不包含来流湍流度时,转化为DDES(Delayed Detached Eddy Simulation)模式,附面层采用纯RANS模拟,大分离流动区用类脱体涡模拟方法模拟;对流通量的离散采用迎风型低耗散通量分裂格式和中心型四阶偏斜对称格式组合的模式;湍流模型采用Spalart-Allmaras(S-A)模型;亚格子长度尺度取决于网格分布和到壁面的距离.      

Multi-spacecraft tracing of turbulent boundary layer

Multi-spacecraft tracing of the high latitude magnetopause (MP) and boundary layers and Interball-1 statistics indicate that:

1. (a) The turbulent boundary layer (TBL) is a persistent feature in the region of the cusp and ‘sash’, a noticeable part of the disturbances weakly depends on the interplanetary magnetic field By component; TBL is a major site for magnetosheath (MSH) plasma penetration inside the magnetosphere through percolation and local reconnection.

2. (b) The TBL disturbances are mainly inherent with the characteristic kinked double-slope spectra and, most probably, 3-wave cascading. The bi-spectral phase coupling indicates self-organization of the TBL as the entire region with features of the non-equilibrium multi-scale and multi-phase system in the near-critical state.

3. (c) We've found the different outer cusp topologies in summer/winter periods: the summer cusp throat is open for the decelerated MSH flows, the winter one is closed by the distant MP with a large-scale (several Re) diamagnetic ‘plasma ball’ inside the MP; the ‘ball’ is filled from MSH through patchy merging rather than large-scale reconnection.

4. (d) A mechanism for the energy release and mass inflow is the local TBL reconnection, which operates at the larger scales for the average anti-parallel fields and at the smaller scales for the nonlinear fluctuating fields; the latter is operative throughout the TBL. The remote from TBL anti-parallel reconnection seems to happen independently.

Radiation from relativistic shocks in turbulent magnetic fields

Using our new 3-D relativistic particle-in-cell (PIC) code parallelized with MPI, we investigated long-term particle acceleration associated with a relativistic electron–positron jet propagating in an unmagnetized ambient electron–positron plasma. The simulations were performed using a much longer simulation system than our previous simulations in order to investigate the full nonlinear stage of the Weibel instability and its particle acceleration mechanism. Cold jet electrons are thermalized and ambient electrons are accelerated in the resulting shocks. Acceleration of ambient electrons leads to a maximum ambient electron density three times larger than the original value as predicted by hydrodynamic shock compression. In the jet (reverse) shock behind the bow (forward) shock the strongest electromagnetic fields are generated. These fields may lead to time dependent afterglow emission. In order to calculate radiation from first principles that goes beyond the standard synchrotron model used in astrophysical objects we have used PIC simulations. Initially we calculated radiation from electrons propagating in a uniform parallel magnetic field to verify the technique. We then used the technique to calculate emission from electrons in a small simulation system. From these simulations we obtained spectra which are consistent with those generated from electrons propagating in turbulent magnetic fields with red noise. This turbulent magnetic field is similar to the magnetic field generated at an early nonlinear stage of the Weibel instability. A fully developed shock within a larger simulation system may generate a jitter/synchrotron spectrum.     

高超声速二方程湍流模型的数值模拟对比

对基于Reynolds和Favré(密度加权)混合平均的二方程湍流模型进行了修正,同时根据数值模拟高超声速流动时必须具有高分辨率捕捉间断面与在边界层内抑制数值粘性的能力的要求,提出了新的总变差减小(TVD)格式熵修正函数.在此基础上,通过对压缩拐角的高超声速湍流的数值模拟,对基于Reynolds和Favré混合平均的二方程湍流模型,以及其它不可压缩模型及可压缩性修正模型进行了对比,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,说明了对高超声速压缩拐角型流动,湍流模型可压缩修正的必要性,得到了基于Reynolds和Favré混合平均的二方程湍流模型的计算结果最接近实验结果.      

翼型湍流尾缘噪声半经验预测公式改进

改进了传统的翼型湍流边界层尾缘噪声BPM半经验预测公式。传统的BPM半经验湍流边界层尾缘噪声预测公式对高攻角和厚翼型在高频范围的预测结果大于实验结果,通过分析比较传统BPM半经验预测公式和Howe翼型尾缘噪声理论模型发现:这主要是由于传统BPM半经验预测公式对压力面声源噪声辐射高估引起的。因此将压力面声源噪声辐射与吸力面声源噪声辐射的幅值比由原来的边界层位移厚度一次方比值改进为二次方比值,进而得到了改进后的BPM半经验预测公式;使用改进后的BPM半经验预测公式对NACA0012翼型在不同来流不同攻角下的噪声辐射进行了预测比较,发现对于NACA0012翼型,改进后的BPM半经验预测公式具有较高精度;另外也预测了较厚的风力机翼型DU-96-W-180,预测结果明显改善。     

近壁区流向涡生成的数值模拟

对于在湍流边界层近壁区,作为相干结构的主要特征的流向涡的产生及发展的全过程进行了研究.采用准二维的共振三波作为湍流边界层近壁区相干结构初值,用直接数值模拟方法模拟了准二维波发展到明显的三维扰动以及其中流向涡生成的整个过程,经分析发现,在该过程中,由于非线性作用,相干结构出现了明显的三维性,并产生了马蹄涡,与实验结果相一致,而且也研究了压力梯度对于流向涡生成以及发展的影响, 在逆压梯度下,流向涡的生成得更早、更快,相干结构幅值增长较快,结构变得更加复杂.这些都说明了逆压梯度对相干结构具有激励作用.     

基于湍流尺度的混合RANS/LES模型

比较BL(Baldwin-Lomax)湍流模型的内层模型与Smagorinsky亚格子模型,两者的主要差别在于湍流尺度的计算方法不同,而RANS(Reynolds Average Numerical Simulation)方程组与LES(Large Eddy Simulation)方程组在形式上又是相同的.基于这两点,发展了RANS/LES混合模型.该模型是在网格滤波尺度与到壁面的距离相等处将流场分区,在近壁区直接求解RANS方程组,在远离壁面区域,求解LES方程组.为了保证湍流粘性系数在内外层分界处的光滑过渡,内外层湍流粘性系数通过混合函数连接.混合方法减轻了对壁面附近网格分辨率的要求和时间步长的限制,因此比LES所需的计算成本少.用该混合模型模拟了绕双椭球的高超音复杂流场,结果表明采用混合模型可以准确地模拟可压缩湍流流场.      

聚合物槽道湍流的直接数值模拟

应用直接数值模拟方法研究了聚合物对槽道湍流的减阻特性.数值计算方法采用谱方法,时间积分采用二阶精度的时间分裂格式.应用FENE-P模型对聚合物槽道湍流进行定压降的直接数值模拟计算,揭示了聚合物湍流减阻的启动(onset)现象;应用O-B模型进行定流量的直接数值模拟计算,分析了其流动特征.计算结果表明:在低减阻形式中聚合物对湍流的影响主要发生在壁面区,而高减阻形式中聚合物对湍流的影响则遍及全流场.     

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.