湍流预混燃烧逆梯度输运分布的数值研究

为了研究湍流预混火焰中逆梯度输运现象的发展、空间分布规律和相关流场控制因素,基于湍流火焰封闭模型(Turbulent Flame Closure,TFC)机理进行准一维分析,得出了当地标量通量的逆梯度输运分量随预混燃烧反应进度变量的关系。通过Moreau燃烧室模型的数值模拟,验证了准一维分析结果的适用性。在此基础上,通过多工况计算,对比研究了密度比对流场逆梯度输运分布的影响。结果表明:预混燃烧流场中标量通量的逆梯度输运现象总发生在火焰中更靠近未燃混合物一侧;增大密度比,流场逆梯度输运特性增强且其区域向反应物侧靠拢。     

均匀各向同性大气湍流对声爆传播特性的影响

基于离散Fourier模态有限和生成的随机大气湍流场，采用修正波形参数方法，开展了均匀各向同性大气湍流对典型超声速客机声爆传播特性的影响分析。计算采用的超声速客机模型为自行生成的简化超声速公务机模型。首先，应用航空工业空气动力研究院自主研制的CFD软件ARI_Overset在三维空间求解Navier-Stokes方程，得到作为声爆远场传播初始值的近场空间压力分布；其次，基于Von Karman能量谱，采用离散Fourier模态有限和形式生成随机均匀各向同性大气湍流场；最后，采用修正波形参数方法模拟了声爆信号在随机速度湍流场中的传播过程。数值结果表明：各向同性大气湍流对于地面声爆特征有重要影响。与无湍流状态相比，均匀各向同性大气湍流使得地面声爆特征增强的概率约为55%，使得地面声爆特征减弱的概率约为45%，故总体而言大气湍流效应更倾向于增强地面声爆特征；均匀各向同性大气湍流对于声爆传播路径影响相对较小，但是这一变化仍会导致地面信号接收点的不确定性。     

湍流边界层各向异性张量模式的实验研究

使用高时间分辨率粒子图像测速技术在水槽内精细测量平板湍流边界层内不同流向、法向位置的瞬时速度矢量空间场的时间序列信号。利用实验数据对湍流各向异性的涡黏张量模式进行了实验研究,给出了湍流边界层不可压缩槽道湍流中各向异性的涡黏张量各分量的空间分布规律。各向异性的涡黏张量分量的空间分布揭示了流向平均速度的法向梯度对雷诺应力三个分量的不同贡献。涡黏张量三个分量空间上的不同规律说明对涡黏张量的各向异性的考虑是合理的,而各向同性的涡黏模型不适宜描述剪切湍流雷诺应力的物理本质。     

颗粒在非各向同性均匀湍流中的扩散

本文是颗粒在非各向同性均匀湍流场中扩散的数值研究结果。通过采用一组预置协方差的随机数模拟雷诺应力来表示随机的湍流流场。本文报导了湍流强度、速度松弛时间和雷诺应力对颗粒扩散的影响。     

湍流燃烧的动态自适应直接数值模拟

为了能以较低的计算成本分辨多尺度的湍流燃烧过程,发展了基于动态自适应网格技术的湍流燃烧直接数值模拟方法。在氢气/空气层流预混火焰传播的模拟中,准确计算出了火焰传播速度,表明该方法具有直接求解火焰以及精确捕捉火焰传播过程的能力。在衰减的各向同性均匀湍流的模拟中,借助FFT分析获得了合理的湍动能谱线随湍动能衰减的变化规律,表明该方法能够直接求解湍流。由于在实际应用中,点火发生的位置与低温机理的速率相关,因此在氢气/空气湍流预混火焰中研究了湍流对低温机理的影响,发现湍流输运以及湍流涡团间强烈的拉伸和剪切对低温机理有明显的加速作用,能显著增强放热。     

湍流预混燃烧中的非各向同性速度统计与涡面结构

尽管统计局部各向同性假设已广泛用于湍流理论和建模,但湍流预混火焰的局部释热会令附近流体密度与黏性发生突变,进而使湍流流场呈现非各向同性统计。我们将涡面场方法推广于湍流预混燃烧,用于表征非各向同性涡面结构。发现未燃侧的小尺度缠绕扭曲涡管在火焰区受到热膨胀的拉伸作用,在已燃侧融合为大尺度块状结构。结合拟涡能输运方程和雷诺应力Lumley三角形,分析发现从未燃侧到已燃侧速度场非各向同性程度逐步增加,且涡面几何结构的变化与速度场局部非各向同性统计高度相关。     

可压缩湍流的多尺度分析

作者的研究团队近几年在可压缩湍流的多尺度性质方面开展了系统的研究工作。通过多过程分解,研究了可压缩湍流中的速度和热力学量的剪切部分、胀压部分、伪声模态、声模态、熵模态的多尺度性质,并总结了各类可压缩条件下的速度和热力学量的谱的标度律。通过滤波方法,研究了动能和热力学量的多尺度传输现象,并重点分析了可压缩性对动能胀压部分的多尺度传输的影响。在可压缩均匀剪切湍流中,可压缩效应更加明显,可压缩湍动能和耗散率等物理量的马赫数标度率与各向同性湍流类似,但胀压分量所占比重更大,并且变形速度张量特征值的概率密度函数和流动拓扑结构的比例分布等统计量随马赫数的变化也更加明显。对于振动非平衡可压缩各向同性湍流,平动-转动内能模式和振动内能模式间的弛豫效应导致密度梯度与振动温度梯度方向的偏离,从而弱化了流场中压缩和膨胀运动对振动弛豫率的影响。化学反应放热会显著增加流场的压缩与膨胀运动,导致速度胀压分量和热力学量的能谱在所有尺度均增大,湍动能和耗散率的标度律表现出马赫数无关性。     

加糙平板湍流边界层紊动特性

本文应用偏振差动式激光测速仪对加糙平板湍流边界层紊动特性进行了研究,得到了紊动强度、三阶矩、四阶矩、概率密度分布、功率谱、自相关等特征量。结果表明,可据高阶矩的符号来对湍流边界层沿垂向进行分区,并给出了分区标准,同时发现,加糙使边界层湍流趋于均匀、各向同性,即概率密度分布更接近于高斯分布。     

瑞利-伯纳德热湍流中的多湍流态现象

热湍流现象是自然界以及生产生活中很普遍的现象，它源于温差导致的密度差引起的自然对流。瑞利-伯纳德（Rayleigh-Bénard,RB）热湍流系统是从众多自然现象、工程实际中抽象出来的研究热湍流的经典流体力学模型系统。在过去的几十年间，瑞利-伯纳德热湍流系统被广泛用来研究湍流热输运、流动结构演化等特性。最近的研究发现即使在相同的控制参数下，RB热湍流系统中的大尺度流动存在不同的湍流态（结构），且不同的湍流态对应着不同的热输运效率。因此，理解不同的湍流态（结构）的产生机制有助于调控系统的热输运效率。本文就RB热湍流系统中的多湍流态现象,着重评述近年来的若干研究新进展,并对今后的研究工作进行展望。     

基于大涡模拟分析气膜冷却的湍流场

用大涡模拟考察了单孔平板气膜冷却的湍流场,气膜孔沿流向倾斜30°,气膜出流的雷诺数为2600,吹风比为0.5.计算结果表明:①气膜孔内的流动分离增加了湍流动能,导致气膜冷却效率的降低,在设计中要尽量避免或减少流动分离;②与射流侧向扩展有关的涡黏性系数在气膜孔两侧存在峰值,而采用各向同性的湍流模型预测气膜冷却时,涡黏性系数的峰值出现在射流与主流的剪切区,因此会高估射流的垂直穿透而低估射流的侧向扩展;③可以用大涡模拟辅助建立各向异性的湍流模型,以便提高湍流模型的预测精度.      

湍流大涡数值模拟进展

本文简要陈述湍流大涡数值模拟的原理、优点,着重讨论湍流大涡数值模拟方法的关键问题及其可能解决的途径,包括脉动的过滤、亚格子模型、近壁模型和标量湍流的大涡数值模拟中的特殊问题.文章强调大涡数值模拟中亚格子应力的本质是可解尺度湍流和不可解尺度湍流动量间的输运,并以作者最近提出的新型亚格子模型说明发展亚格子模型的正确途径.文章最后提出湍流大涡数值模拟近期需要迫切解决的问题和其他具有挑战性的方向.     

守恒型可压缩一维湍流方法及其在超声速标量混合层中的应用

一维湍流（ODT）方法是一种能在一维计算域上遵循湍流基本物理规律的湍流建模方法。通过结合确定性和随机性求解方法,能够在一维计算域上准确捕捉到湍流统计规律,且降维建模可显著减小计算量。ODT方法主要被广泛用于不可压湍流和湍流燃烧研究,若要将其拓展用于模拟高速可压缩湍流,需对建模方法进行深度改进。相比于不可压ODT方法,本文基于欧拉参考框架,针对可压缩湍流的特性,将因变量由原始变量改为有利于减小可压缩湍流模拟误差的守恒通量,并加入了组分求解模块。对确定性和随机性求解模块均进行了相应的深度改进,开发出具有标量混合模拟功能的守恒型可压缩ODT方法。在确定性模块中改为求解以守恒通量为变量的一维截断控制方程,在随机性模块中构造一维涡时,将三联映射的作用对象也相应地由原始变量改为守恒通量,并选用了可保证变密度情况下动量守恒的双核变换。通过模拟空间发展超声速平面湍流混合层并将自相似阶段结果与实验结果比对,验证该方法对可压缩剪切湍流场中标量混合的捕捉精度。守恒型可压缩ODT方法模拟得到的速度场和组分场的平均剖面和脉动强度分布与实验结果准确吻合,精度明显优于传统的耦合梯度扩散亚格子模型的大涡模拟方法（LES-GRAD.DIFF.）以及耦合线性涡（LEM）亚格子模型的大涡模拟方法（LES-LEM）,且该方法的降维处理使其在降低计算成本方面具有显著优势。     

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。      

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。     

脉动标量场的数值模拟

分析多元流体在湍流条件下的混合、传热或化学反应时需要考虑各组元的浓度、温度等标量参数的脉动.本文基于湍流模式理论,介绍标量参数的一种模化方法,并用该方法对流入静止环境的热射流进行了数值模拟.计算结果与实验数据进行了对比,表明该方法对算例条件下的温度场预测可以取得满意的结果.     

A new simpler rotation/curvature correction method for Spalart-Allmaras turbulence model

 A new and much simpler rotation and curvature effects factor, which takes the form of Richardson number suggested by Hellsten originally for SST k-x model, is presented for Spalart and Shur's rotation and curvature correction in the context of Spalart-Allmaras (SA) turbulence model. The new factor excludes the Lagrangian derivative of the strain rate tensor that exists in the SARC model, resulting in a simple, efficient and easy-to-implement approach for SA turbulence model (denoted as SARCM) to account for the effects of system rotation and curvature, techniquely. And then the SARCM is tested through turbulent curved wall flows: one is the flow over a zeropressure- gradient curved wall and the other is the channel flow in a duct with a U-turn. Predictions of the SARCM model are compared with experimental data and with the results obtained using original SA and SARC models. The numerical results show that SARCM can predict the rotation-curvature effects as accurately as SARC, but considerably more efficiently. Additionally, the accuracy of SARCM might strongly depend on the rotation-curvature model constants. Suggesting values for those constants are given, after some trials and errors.     

区域分裂法在湍流流场数值解中的研究

应用区域分裂算法(简称DDM)对湍流流场进行数值研究。对湍流流动控制方程建立一种通用的DDM-1计算格式S_{I,ω,给出重叠区域内变量处理方法。DDM-1的SI,ω计算格式的适用性由突扩圆管分离流流场数值计算所验证,数值计算结果与实验数据比较表明:采用SI,ω计算格式所预测的再附点位置及平均轴向速度、湍动能强度比在整个计算区域内采用单一模型的方法能够更好地与实验值吻合。}      

Robust and efficient computation of turbulent flows around civil transport aircraft at flight Reynolds numbers

This work aims at providing numerical methods that enable the robust and efficient simulation of turbulent flows around civil transport aircraft configurations at flight Reynolds numbers. Robustness problems related to the multigrid treatment of advanced transport equation turbulence models have been identified preventing convergence of simulations at high or flight Reynolds numbers. Therefore the application of multigrid to the turbulence equations is omitted while the multigrid treatment of the mean flow equations stays unchanged. Moreover, a fully implicit time integration scheme – a DDADI approach – is applied to the turbulence equations. The new approach raised robustness to a sufficient level to converge viscous computations at flight Reynolds numbers. Furthermore, the convergence speed of aerodynamic coefficients for three dimensional applications has also been improved significantly.