微纳颗粒两相流系统中湍流脉动效应研究综述

给出了微纳颗粒两相湍流中颗粒一般动力学方程,分析了该方程包含的因湍流脉动导致的未封闭源项;回顾了湍流脉动对颗粒成核、生长、凝并以及破碎作用的研究,包括从源项核函数的构造发展到对方程进行雷诺平均或亚格子滤波;叙述了用直接数值模拟(DNS)方法、蒙特卡洛法、大涡模拟方法(LES)以及雷诺平均方法(RANS)对方程进行求解的研究成果;介绍了对颗粒一般动力学方程进行封闭求解的研究途径,包括引入相关函数建立未封闭源项与颗粒性质、湍流场特性的关系以及直接将概率密度函数(PDF)代入未封闭源项,再通过统计学方法获得源项的平均效应;提出了将来值得进一步探讨的重要问题,包括湍流脉动对颗粒凝并的影响、实验仪器和实验技术以及对颗粒一般动力学方程中未知项的模化开展有针对性的实验研究.     

支板喷射超声速湍流燃烧的大涡模拟

为了发展可行的超声速湍流燃烧大涡模拟方法,将设定型PDF(Probability Density Function)模型与LES(Large Eddy Simulation)相结合以封闭亚格子湍流-燃烧相互作用,并将模型用于支板喷射超声速湍流燃烧流场的数值模拟。分别对冷流及燃烧流场进行了模拟,计算结果与实验测量符合较好,表明了所采用方法及模型的可行性。冷流条件下,大尺度湍流涡通过卷吸、拉伸运动主导支板尾迹区的近场混合,并通过破碎过程影响远场混合。燃烧条件下,回流区尺度扩大,剪切层中形成的高温燃烧产物通过大涡卷吸以及回流区末端对流作用进入回流区并与其中的燃料喷流相互作用,使部分燃料预热升温并进入回流区两侧剪切层与主流空气混合、燃烧,从而实现火焰稳定。在薄反应剪切层及大尺度反应涡的边界区域,LES网格不足以直接求解湍流与燃烧的相互作用,PDF模型给出了较强的亚格子脉动。     

超声速喷流混合流场大涡模拟

以光学窗口外冷喷流为研究背景，采用大涡模拟方法对后台阶外形切向喷流混合流场进行了研究。数值方法基于隐式亚格子模型，采用高精度WENO格式进行空间离散，并通过超声速平面混合层流动对数值方法进行了考核验证。喷流混合流场计算模型与试验一致，来流和喷流马赫数分别为3.4和2.5。数值模拟清晰地捕捉到了流场波系以及混合剪切层、壁面边界层等典型流场结构，并精细预测了混合层发生失稳、转捩及发展为充分发展湍流的时空发展过程。数值模拟得到的湍流大尺度结构的位置和形态与实验图像一致。通过对瞬时流场、统计平均流场和脉动参数的分析，揭示了流场结构特征及其时空演化规律，并获得了流场密度脉动特性。      

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。      

颗粒两相流自由剪切层大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法数值仿真了可压缩流自由剪切层内颗粒两相流流场结构.气相控制方程采用二维盒式滤波法滤除小于网格尺度的小涡以得到LES控制方程,而流场中小涡对大涡的影响采用K-ωSST湍流模型模拟.在Lagrange坐标系下用颗粒轨道模型仿真颗粒运动,用双线性插值方法实现Euler坐标系到肌Lagrange坐标系的转换,并考虑了颗粒速度和温度的改变对气相流场的反作用.分析了仿真结果中气相自由剪切层的涡结构特性,不同St数颗粒在流场中的运动特性,颗粒对流场的反作用效果,得到了合理的结论.     

超声速湍流流场的RANS/LES混合计算方法研究

采用对接/拼接网格技术,建立了基于分区混合和基于湍流尺度混合的双重RANS/LES混合计算模型,并对环翼低速绕流、翼型跨声速绕流和球锥带凹窗外形二维超声速绕流进行了初步的数值模拟.环翼和翼型绕流计算表明,该混合模型可给出较合理的湍流宏观平均量;球锥带凹窗外形二维超声速绕流计算表明,该混合模型可得到超声速瞬态湍流脉动流场,凹窗处存在复杂的旋涡结构和波系结构,呈现较大尺度的脉动.但该模型还需要进一步的考核验证.     

钝头双锥喷流致冷流场结构及密度脉动特性

采用大涡模拟方法对钝头双锥喷流致冷流场开展了数值模拟,研究了超声速喷流混合流场结构特征及密度脉动特性。大涡模拟方法基于隐式亚格子模型,空间离散采用高精度通量限制型紧致格式,时间推进采用显式Runger-Kutta方法。数值模拟清晰地捕捉到了流场波系结构,精细地预测了流动发生失稳、转捩以及发展为充分发展湍流的物理过程,直接获得了流场密度脉动特性。通过有、无喷流状态对称面流场的对比,发现超声速喷流能够有效冷却光学窗口;喷流与主流形成的混合层不稳定,很快发生失稳和转捩,形成大尺度湍流结构,进而引起强烈的密度脉动。此外,获得了钝头双锥整体模型喷流致冷流场的空间发展形态特征。      

水下高速射流气泡变化过程数值研究

为研究水下高速射流气泡变化规律,采用VOF(Volume of Fluids)模型分别对水下等温高速气体射流和热高速气体射流动态流场进行了气水耦合数值求解。其中热射流考虑了汽化因素对气泡内气流场的影响,数值模拟了气泡的形成、发展、断裂及融合过程,揭示了气泡中压力和马赫数等参数的变化规律,得出了水下点火初期的流场特征。研究发现:在相同入口压力下,热射流产生气泡的空间尺度比等温射流产生的气泡空间尺度要小;气泡发展过程中会出现颈缩,也可能断裂,断裂与否取决于气泡颈缩处内外压差,气泡的颈缩与断裂是产生压力脉动的重要因素,并决定了压力峰的位置和大小,气泡断裂位置越靠近喷管出口,压力峰值越大,该压力峰值会影响火箭发动机尾流场特性。     

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。     

伴流速度对平行喷口射流影响的数值研究

采用大涡模拟方法计算研究平行喷口出口马赫数为0.9,伴流速度比分别为0.1、0.3和0.5时的喷射流场特性。计算时采用高精度的数值模拟方法,并结合Smagorinsky亚网格尺度模型。考察了流场统计平均特性、脉动特性以及射流流场中涡结构的发展演变过程,结果表明:伴流速度的增大使得势流核长度变长,减缓了空间剪切层的发展,转捩延迟。喷射流场速度分布具有自相似性,而湍流强度的分布则不具有相似性。通过分析剪切层中轴向速度脉动、径向速度脉动、压力脉动在空间任意两点上的时空相关性,发现随着伴流速度的增大,脉动量在空间上的相关性减弱,而脉动量向下游的传递速率增加。该研究结果为进一步揭示伴流速度对喷流声场的影响提供基础。     

用于可压缩自由剪切流动的湍流混合长度

抓住可压缩流动变密度特性,构造出基于有效涡量的三维von Karman混合长度。湍流模型采用仅依赖湍动能k的单方程KDO(Kinetic Dependent Only)模型,引入新构造的混合长度替换旧尺度得到CKDO模型。为了验证其描述可压缩自由剪切湍流的能力,选择无壁面束缚、密度梯度大和可压缩效应强的自由剪切混合层为算例,其对流马赫数Ma_c=0.8。计算结果表明,KDO模型对混合层的速度分布有着良好的控制和模拟,而经可压缩修正后的CKDO模型与原模型及其他可压缩修正模型相比,所计算的速度分布、主雷诺剪切力和混合层厚度与试验结果更加接近,说明了该混合长度对可压缩混合层这种自由剪切湍流有着良好的刻画能力。     

单转子压气机出口三维流场紊流特性

单转子压气机设计状态出口叶尖通道中部、叶根吸力面角区和转子尾迹内具有较强的紊流脉动,泄漏涡是造成尖部气流掺混的主要因素。近失速状态通道内气流脉动明显增强,并沿周向和径向呈现出较大的梯度,叶尖通道中部的紊流强度分布证实了气流剧烈交混的发生,0.87 叶高和0.25 叶高吸力面附近的强紊流中心来源于叶背附面层分离形成的旋涡。在出口测量截面上紊流强度3 个分量的最大值,径向分量最大,轴向分量次之,切向分量最小。      

大速差射流燃烧室内三维湍流气固两相流的实验研究

本文用二维激光多普勒测速仪和探针取样法对大速差射流燃烧室中冷态三维湍流气固两相流动进行了实验研究,测量了气相速度,颗粒速度、颗粒质量流分布及两相各自的湍流特性,探讨了高速射流作用下两相流场的主要物理特征及其对火焰的稳定和强化燃烧的作用。     

前后翼型装药结构SRM气固两相流动特性

基于可压缩流动强守恒型Navier-Stokes方程,运用颗粒轨道模型(PTM)和shear stress transfer(SST)k-ω湍流模型,采用计算单元内颗粒源法(PSIC)进行气固两相耦合计算,建立了某型前后翼型装药结构固体火箭发动机(SRM)工作初期的三维两相内流场数值计算模型.对比分析了纯气相和气固两相...     

平片激振对锐缘分离流场宏观作用的实验研究

本文对激振与未激振锐缘分离流场细节进行了比较。结果表明 ,作用于分离点的适当频率的激振对分离流场产生了 6种互相耦合的作用效应 ,它们是 :( 1)从整体上减弱或抑制分离流动 ;( 2 )改变分离区湍流结构 ,加剧湍流运动 ,加快混合和剪切层增长 ;( 3)增强局部区域的回流流动现象 ;( 4 )使分离剪切层再附 ,改变分离流态和分离涡分布 ;( 5)减弱下游流场湍流脉动 ;( 6)增强尾流下弯程度。本文工作为激振控制分离流动技术的工程应用提供了物理基础与指导。     

高温化学非平衡湍流边界层脉动量象限分析

高超声速飞行器在较低空域以极高马赫数飞行时，表面会同时存在湍流与化学非平衡流动，但目前针对此类高温化学非平衡湍流边界层流动特性的研究工作还比较有限，对不同湍流特征的主导流动机制的认识还有待于进一步深入。选取高超声速楔形体头部斜激波后的流动状态，设置3种不同的壁面温度，通过直接数值模拟对比了不同壁温条件下的边界层参数分布特性，并采用象限分解技术分析了边界层不同象限流动事件对雷诺剪切应力、湍流热流、湍流质量扩散的贡献。结果显示：在整个边界层中上抛和下扫运动对雷诺剪切应力的贡献占优；冷壁效应会使得流向和法向湍流热流通量的主导流动事件在温度峰值两侧发生改变。O原子组分流向湍流组分扩散主要受到高质量分数流体慢速运动事件和低质量分数流体快速运动事件的影响，而法向湍流组分扩散则主要受到高质量分数流体向上运动事件和低质量分数流体向下运动事件的影响。     

不同密度材料颗粒对两相湍流调制的实验

 在颗粒雷诺数较小范围内,针对不同密度材料颗粒对气相湍流的调制规律进行了实验研究。采用相多普勒颗粒分析仪(PDPA)测量了气粒两相圆湍射流中气相速度和湍流度的分布,比较了相同形状、相同粒径和体积分数近似相同时玻璃微珠和聚苯乙烯颗粒分别存在时的两相射流流动的气相速度和湍流度。实验发现:不同密度材料的颗粒对气相平均速度的调制作用差别不明显,但对气相湍流度的调制作用显著不同。在近场区域,密度大的玻璃微珠对气相湍流度的增强作用高于密度小的聚苯乙烯颗粒;在远场区域,气相湍流度被削弱,并且密度大的玻璃微珠的削弱作用强于密度小的聚苯乙烯颗粒。该研究为进一步提出合理的两相湍射流的控制方法提供了理论依据和指导。     

离心压气机转子内近端壁区三维紊流流场

用三维激光多普勒测速系统测量研究了一个离心压气机转子近端壁区三维紊流流场。结果表明,整个叶片通道内叶背角区存在角涡及其伴随涡,叶盆角区存在前缘马蹄涡的叶盆分支,它们的发展、演化较大地影响着附近区域的流动,是造成了所在区域流动阻塞和气流脉动的主要因素。前缘马蹄涡叶背分支沿下游逐渐向叶盆方向发展,与端壁附面层和主流的进一步掺混,并在约 1 /2叶片通道处的叶盆角区与前缘马蹄涡的叶盆分支发生交混,在下游造成一定强度的流动阻塞和紊流脉动带。      

轴流压气机子午流面计算中三维剪切作用的湍流模型

本文发展了一个轴流压气机子午流面二维计算中模拟三维剪切结构对子午流场作用的湍流模型。试验与这一模型进行了初步的比较。模型表明,在多级轴流压气机子午流场计算中,必须计入实际流场三维剪切结构对子午流场的湍流扩散作用。     

压气机转子出口流场的发展及三维紊流特性

用单斜热丝和高频压力探针仔细测量了单级压气机转子出口及下游的三维紊流流场, 揭示转子出口流场的变化, 分析不同流量状态下单级压气机转子出口的三维紊流特性。