SST-DDES模型在大分离流动问题中的应用

采用基于SST k-ω湍流模型耦合延迟脱体涡模拟技术(Delayed detached-eddy simulation,DDES)的SSTDDES模型,数值求解Navier-Stokes方程。并针对低速流动问题,发展了基于隐式双时间步方法的低速预处理技术,用于数值模拟低速、高雷诺数湍流大分离流动问题。数值模拟了低速大迎角三角翼绕流及大迎角6∶1椭球绕流,观察到与物理现象相一致的旋涡特征,且得到的定量数值结果与实验数据相吻合。     

三维管内激波/湍流附面层干扰流场的数值模拟

给出了可压缩性及曲率修正两方程湍流模型，用它对跨音速三维喷管管内激波／湍流附面层干扰流场进行了数值模拟；给出了不同纵向截面上的激波结构、等马赫线图和四周固壁上的摩擦力线谱。将计算所得的摩擦力线谱、激波结构与实验结果进行了比较。分析了横截面上的流动结构，计算与实验吻合较好，进一步证实可压缩性及曲率修正两方程湍流模型能够较好地模拟激波／湍流附面层干扰流场，满足工程设计和分析要求。     

超声速流中激波/湍流附面层干扰数值模拟

采用修正的B／L湍流模型以及多块结构化网格求解了二维N-S方程。分别对超声速流和高超声速流中的激波／湍流附面层干扰进行了数值研究。本文首先研究了进口马赫数为2．96的超声速流。计算结果准确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。计算的壁面压力分布与实验值吻合较好，计算的分离区长度与实验值比较有一定误差。本文还对进口马赫数为9．22的高超声速流中压缩角引起的激波／湍流附面层干扰进行了数值研究。计算结果与实验结果吻合较好。     

壁面冷却的三股混合气流的数值计算

对双层壁扩压器与波瓣喷管组合的三股气流的引射混合进行了流场温度场的数值计算。计算域划分为各子域 ,通过求解拉普拉斯方程 ,分别生成三维贴体曲线坐标网格 ,边界网格加密且波瓣处正交 ,各子域组合成整个网格。为避免因波瓣造成的网格强烈的非正交而引起解的发散 ,本文采用了同位网格 SIMPLEC计算方法和Chen-Kim修正的 k-ε湍流模型。固体区域采用大粘性解决流固耦合 ,还结合了线性欠松弛和拟瞬态欠松弛。结果证明 :双层壁间有外界冷气流被引射进入 ,形成壁面的冷却气流 ,相对单层壁扩压器 ,双层壁扩压器的壁面温度明显降低。对于小扩压角 ( 0～ 5°) ,随着扩压角的增大 ,壁面平均温度降低 ;但当扩压角较大时 ( 5～ 1 0°) ,壁面平均温度则增加     

k-ε(RNG)、LES模拟建筑物周围气流特征及湍流扩散的风洞试验验证

采用k-ε(RNG)与LES湍流模型在来流与建筑物迎风侧呈不同角度的情形下,模拟了位于立方体建筑物顶部污染源所排放污染物的流动和扩散规律,并与相应的风洞试验结果进行了比较.流场分析结果表明:数值模拟能够较好地模拟建筑物顶部回流、背风侧空腔区以及再附着点等.浓度场分析结果表明:来流与建筑物成45°时,建筑物顶部回流区与背风侧空腔区的数值模拟结果略低于风洞试验结果;来流与建筑物成90°时,建筑物顶部回流区数值模拟结果略高于风洞试验结果,而背风侧空腔区的数值模拟结果与风洞试验结果基本一致.综合分析表明:建筑物周围的流场影响浓度场的分布,LES、k-ε(RNG)模型都能够较好地模拟建筑物周围的流动和扩散规律,两种模型相比,LES模型与风洞试验吻合得更好.总之,风洞试验和数值模拟相结合能较好地研究建筑物对流动和扩散的影响.     

障碍物导致火焰变形的数值模拟

工业部门大量存在着障碍物。实践证明,障碍物对加速燃烧和诱导爆炸具有非常重要的影响。为了深入研究障碍物与火焰之间的关系,本文基于湍流的k ε模型和改进的EBU Arrhenius燃烧模型,考虑了障碍物对流动的附加作用,通过修改方程的源项,建立了湍流加速火焰使火焰形状改变的理论模型。本文选用Simple格式,壁面边界层采用壁面函数法处理,模拟了火焰在含有障碍物的三维空间中的传播现象,其数值模拟得到的火焰形状与实验结果做了对比,结果表明本计算是成功的。最后,还分析了导致火焰变形的原因。     

扩散角对汽车风洞扩散段流动的影响

传统的汽车风洞设计一般参考现有风洞的设计经验和沿用工程估算方法.扩散段是汽车风洞的主要部件之一,它的设计经验和估算方法通常基于均匀来流.笔者采用v2f湍流模型研究两种非均匀来流工况下,不同扩散角对扩散段流动的影响.模型风洞扩散段出口速度分布的数值模拟结果与试验结果的一致性表明:使用v2f湍流模型能够真实反映扩散段流动特性.与均匀来流相比,非均匀来流大幅度增加扩散段总压损失因数,约增加420%.壁面摩擦损失和流动分离损失的相互作用使风洞扩散段在某一扩散角下存在最小总压损失因数,且扩散段进口速度不均匀度越大,最优扩散角越大.     

逆压力梯度下的自由流湍流度对湍流边界层特性的影响

本文对有逆压力梯度下的自由流湍流度对湍流边界层特性的影响做了较为仔细的测量,做了边界层内平均速度分布、壁面摩擦系数、压力梯度、边界层内三个方向脉动速度以及脉动总压的测量。试验结果指出:自由流湍流度的增加可大大削弱逆压力梯度对湍流边界层的不利影响,可使边界层速度分布饱满,尾迹强度减弱,从而延迟边界层分离。试验还首次得出自由流湍流度的增加可使边界层内的速度脉动和压力脉动分布均匀以及流动趋于稳定,因而可同时改善扩压器出口的静、动态特性。     

非正交曲线坐标湍流族流的数值模拟

对锥形燃烧室的冷态流场进行了数值模拟，采用Ｔｈｏｍｐｓｏｎ的非正交贴你坐标系统，用坐标变换的方法处理锥形燃烧室曲线壁面边界，用ＳＩＭＰＬＥ算法求解连续方程和Ｎ－Ｓ方程。亲流模型采用工程上常用的ｋ－ε模型。还运用贴体坐标系统数值研究了不同旋流数和不同进口紊流动能对湍流旋流流动的影响，并与实验结果相比较获得较满意的结果，对新型燃烧室的设计提供了理论依据。     

非正交曲线坐标湍流旋流的数值模拟

对锥形燃烧室的冷态流场进行了数值模拟，采用Ｔｈｏｍｐｓｏｎ的非正交贴体坐标系统，用坐标变换的方法处理锥形燃烧室内线壁面边界，用ＳＩＭＰＬＥ算法求解连续方程和Ｎ－Ｓ方程。紊流模型采用工程上常用的ｋ－ε模型。还运用贴坐标系统数值研究了不同旋流数和不同进口紊流动能对湍流旋流流动的影响，并与实验结果相比较获得较满意的结果，对新型燃烧室的设计提出了理论依据。     

180°矩形弯管流场的LDV测量

采用激光多普勒测速仪(简称LDV)对180°矩形弯管内流场进行了测量,得到时均速度、湍流强度等数据.除靠近内壁r~*=0. 1位置,弯管纵截面上的切向速度沿轴向基本不变,但靠近弯管上下壁面的切向速度逐渐减小直至为零.在弯管的主流区域,0°~60°之间的纵截面上,内侧切向速度增大,外侧切向速度减小;60°~180°之间的纵截面上,内侧切向速度减小,外侧切向速度增大.在整个弯管段内,内侧切向速度总是大于外侧的切向速度.由于受到边界层分离和二次流的影响,90°~180°纵截面上r~*=0. 1位置的切向速度产生明显的变化.轴向速度值远小于切向速度值,并且沿轴向变化不大.轴向速度的正、负之分,说明了二次流的存在,并且二次流的旋转中心从外壁向内壁移动.切向和轴向湍流强度的数量级一样,基本在0. 1Vi左右.切向湍流度在150°~180°纵截面r~*=0. 1位置的变化很大;但是轴向湍流强度分布比较平稳,其值沿轴向和径向变化不大.     

封严篦齿结构特性的数值分析和实验研究

对发动机中封严篦齿进行了相关齿形的变化 ,建立了 8种封严结构模型 ,运用 RNG k～ ε湍流模型、非结构化网格和 SIMPLE算法来模拟封严篦齿流动问题。探讨了篦齿前后压比与泄漏系数的变化关系 ,系统分析了齿形结构的微小变化对封严效果的影响。筛选出一种齿形进行实验研究 ,计算与实验变化规律一致 ,误差为1 0 .87%。通过对篦齿模型不同倾角的数值模拟 ,发现当篦齿朝气流倾斜一定角度时 ,有利于封严 ,考虑工艺性以及封严效果的综合因素 ,倾角选择在 60°左右较为合理。研究结果表明 :齿腔大小和齿腔形状是决定篦齿封严效果的重要因素。     

二元内流通道内湍流附面层分离的数值与实验研究

本文应用激光多普勒测速仪测量了二维扩压器中不可压湍流附面层分离流动,得到了时均速度和表面压强分布,表面摩擦系数和时均速度分布经验关系式做了比较。预测中采用准同时粘性/无粘流匹配模型,并比较了两种形状因子H_1经验关系式所得预测结果。在最大反流以前,所预测的附面层位移厚度及形状因子与实验吻合。     

透平叶片顶部间隙流动特性的实验和数值研究

利用粒子图像测速技术(PIV)捕捉透平叶片顶部泄漏流特征,并以此数据验证湍流模型和用商业软件CFX12.0进行的数值模拟方法.所研究的叶片为典型的GE-E3叶片,为了展示泄漏涡的生成和发展过程,用实验数据展示了3个不同截面的速度分布.数值计算中使用了混合网格生成技术及5种湍流模型.通过与实验数据的比较发现:RNG k-ε模型计算所得的泄漏涡与实验所拍摄的真实流动能较好地吻合.此模型和计算方法同样适用于研究叶顶射流对泄漏流的影响.计算结果显示:通过叶片顶部气膜孔射流产生的阻挡效应,最多能降低6.12%的主流泄漏.     

平面COUETTE流动的湍流斑研究

湍流斑是近壁剪切流动中的重要现象,它们的生成和发展与流动转捩和湍流的形成密切相关.采用Navier-Stokes方程直接数值模拟和壁面脉冲模型研究平面Cou-ette流动中湍流斑的生成和演化.高精度高分辨率的三维耦合紧致差分格式被用于数值计算.探讨了平面Couette流动中湍流斑的重要特征,包括高频脉动的形成、雷诺应力的产生、扰动的急剧增长和湍流斑形状的变化,特别是流向涡的复杂演化过程.结果表明层流流动中的湍流斑具有湍流流动中一些基本特征.     

圆柱绕流尾迹对壁湍流相干结构影响的实验研究

对边界层外区的圆柱尾迹流动结构对边界层近壁区相干结构的影响进行了实验研究.实验在低湍流度风洞中进行,将圆柱放置于yc≈1.1δ(δ为边界层厚度)处,利用热线风速仪分别测量了沿流向不同位置边界层内的瞬时脉动速度信号,并分别比较了位于x/d=1、2、3、4、5、10、15、20、30,y+=10~1000范围内的壁湍流相干结构条件相位平均波形及其统计特性.发现圆柱绕流尾迹对平板边界层内相干结构有明显的影响,圆柱绕流尾迹虽然使壁湍流相干结构从喷射向扫掠转变阶段的强度减弱,但壁湍流相干结构的发生概率增加,总体上促进湍流产生,使湍流边界层增厚,壁面摩擦切应力和壁面摩擦速度均增加,从而肯定了湍流边界层外层流动中产生的扰动与近壁区相干结构猝发的生成和发展有直接联系,壁湍流相干结构猝发是外区流动中产生的扰动与湍流边界层内区共同作用产生的这一结论.     

串列叶栅粘性紊流流场有限分析数值研究

本文将近年发展起来的有限分析方法(Finite Analytic Method)用于曲线坐标系上紊流N-S方程的数值计算。计算了来流雷诺数为2.0×10~5,气流攻角分别为0°,10°,-10°三种情况的二维粘性紊流串列叶栅流场。文中用k—ε紊流模型模化紊流,以壁面函数方法处理近壁区流动参数。数值计算结果与实验结果相比较,吻合程度令人满意。     

求解N-S方程SIMPLE算法的半交错网格研究

运用半交错网格设置对不可压缩流动的Navier-Stokes方程进行数值离散求解，文中对不合理压力场产生的原因及抑制方法进行了探讨，导出了压力控制体界面上速度的修正表达式。作为算例．本文采用区域湍流模化方法，在核心区采用标准k-ε模型，在近壁区采用单方程低雷诺数模型．对封闭转-静盘腔、具有径向出流的转-静盘腔和非规则环形通道内的流动进行了数值模拟．并与实验数据进行了对比分析，结果表明本文的计算方法是合理的。     

三维曲线坐标系N—S方程通用形式和数字解

运用张量分析理论，比较简捷地导出了三维任意曲线坐系上椭圆型Ｎ－Ｓ方程的通用形式。在对这些方程进行数值离散时，采用了有限控制体积的非交错风格设置，该算法双ＳＩＭＰＬＥ为基础，为了抑制压力振荡场的了出现，在压力修正方程中对压力梯度的离散附加一项１－δｘ的差分。作为算例，本文给出了三维９０°强曲率弯曲管道中气流的不可压缩紊流状态的数值计算结果，并与相关的实验数据进行了对比，结果是满意的。     

三维曲线坐标系N－S方程通用形式和数字解

运用张量分析理论，比较简捷地导出了三维任意曲线坐标系上椭圆型Ｎ－Ｓ方程的通用形式。在对这些方程进行数值离散时，采用了有限控制体积的非交错网格设置，该算法以ＳＩＭＰＬＥ为基础，为了抑制压力振荡场的出现，在压力修正方程中对压力梯度的离散附加一项１—δｘ的差分。作为算例，本文给出了三维９０°强曲率弯曲管道中气流的不可压缩紊流状态的数值计算结果，并与相关的实验数据进行了对比，结果是满意的。