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。     

使用GAO-YONG方程组对湍流边界层拟序结构特性的研究

与以往的湍流模型不同,GAO-YONG不可压湍流控制方程组不需要任何经验系数及壁面函数。其级数形式的能量方程与非线性现象多尺度层次相对应,具备了描述湍流统计平均和拟序结构的双重功能。本文采用交错网格和SIMPLE方法求解GAO-YONG不可压湍流方程组,考察了GAO-YONG方程组中能量方程阶数以及计算网格对拟序结构的影响,证明了该方程在描述拟序结构方面具有一定的适定性。      

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。      

湍流的通用物理方程

利用变形张量及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,在不引入任何物理假设的情况下,对 Navier-Stokes方程进行平均。未知相关量在三阶精度上才出现,截断之后,获得具有二阶精度的封闭的湍流方程组。该方程组无相关量,不引入任何经验系数,无需构造任何湍流模型,即可描述 Ma<3.6流速的任意复杂湍流场并解释湍流的物理本质。本文仅对推导思路及方程组做概要介绍。      

旋转坐标系中可压缩湍流的基本方程和湍流模型

本文在可压缩湍流瞬时量基本方程的基础上,用质量加权平均的概念,推导了旋转坐标系中可压湍流流动的连续方程、动量方程和能量方程。进而导出了旋转坐标系中可压湍流的应力输运方程、脉动平均动能方程和湍流耗散率输运方程。这些方程中包括了由旋转引起的 Coriolis力和离心力的作用项。这些方程是在旋转坐标系中研究平均 N-S方程求解湍流流场和研究湍流模型的基础。      

用双流体—轨道模型模拟四角喷燃模型炉内三维湍流两相流动和煤粉燃烧

目前炉内两相流动和煤粉燃烧数值模拟中多半用颗粒随机轨道模型和单流体无滑移模型，这些模型都难以完整地给出三维空间内颗粒速度，浓度，湍流度分布的信息。主采用双流体－轨道模型（颗粒相连续介质－轨道模型）对一个四角喷燃模型炉内三维湍流两相流动及煤粉燃烧进行了模拟。此模型基于欧拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程组和动量方程组以及拉氏颗粒能量方程和质量变化的方程，并使用k-ε-kp两相湍流模型，EBU－Arrhenius湍流燃烧模型，离散坐标辐射传热模型，煤粉颗粒的水分蒸发，热解挥发模型和焦炭燃烧的扩散－动力模型等。热态模拟中，为了减小为信散造成的影响，采用了扭转坐标法（将坐标扭转一定的角度使之与煤粉射流方程一致）。为了检验数值模拟，采用三维相位移普勒测速仪（PDPA）对于冷态模型炉内湍流两相流场进行了测量，得到了两相速度，湍流脉动及颗粒浓度的分布。分别对冷态模炉内两相流动和热态模型炉内三维两相流动和煤粉进行了模拟，冷态两相流动的计算与实验结果的对比表明预报的两相流场是合理的，热态模拟的结果给两相速度，气相温度、组分浓度及壁面热，显示出靠近出口处气相速度和温度分布不对称，造成一个局部高温区。     

三维机翼可压缩层湍流边界层计算

 从三维时间相依可压缩边界层动量积分方程和平均流动能积分方程出发,将二维可压缩层、湍流边界层积分方程算法推广到求解有限翼展后掠机翼的边界层流动。利用四步Runge-Kutta时间步进方案数值求解积分方程组,并利用当地时间步长加速迭代收敛。文中分析了数值方法的稳定性与收敛性,并考查了横向耗散项对计算结果的影响。算例表明,能获得令人满意的三维机翼定常可压缩层、湍流边界层的计算结果。     

高超声速湍流高效模拟算法

采用了直接过滤的Navier-Stokes(N-S)方程组对高速可压缩湍流进行研究。针对高超声速湍流的非线性流动特性,对N-S方程直接过滤推导了大尺度湍流流场的控制方程,更精确地反映高速湍流的可压缩性,建立了可压缩湍流的大涡模拟TDM模型。使用传统的Smagorinsky模型的非线性推广,采用基于非Favre过滤的超声速可压缩湍流的大涡模拟模型,应用Caylay-Hamilton定理,建立可压缩湍流大涡模拟的非线性亚格子模型,并发展为动力学模式,模型中的两个常数通过当地流场动态的确定,消除了可调经验常数的影响。针对构造的高超声速湍流大涡模型开发相应的高效并行算法。     

湍流的耗散及弥散相互作用理论

 湍流具有涡团散裂、耗散和弥散的特性。根据Prigogine倡导的耗散结构理论,推导了表征耗散与弥散相互作用的新的湍流控制方程组。其特点是:用稳定性分析得到湍流动能产生项,再根据广义熵增原理推出并列存在的,分别适用于强弱涡量的二个湍流动量方程。运用该理论已成功地计算了一些典型的湍流问题:湍流边界层中的马蹄涡拟序结构、钝体涡尾区的湍流能量逆转、湍流涡团散裂弛豫及各向异性分布。文中给出了部分算例。     

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.     

双时间步长加权ENO-强紧致高分辨率格式及在叶轮机械非定常流动中的应用

在非结构网格下,针对非定常三维N-S方程组发展了一种双时间步长高精度快速迭代格式。该格式在时间上具有二阶精度,在空间上将r=3的加权ENO格式与强紧致格式相结合去处理N-S方程中的对流项以及离散方程的右端项,并用四阶精度的紧致格式去计算N-S方程中的粘性项。典型的3个算例从不同侧面对格式进行了考核。计算表明:该算法具有高效率与高分辨率的特征,所得的计算结果与相关实验数据比较吻合,初步表明了该算法可以在非结构网格下模拟非定常流动的物理过程。      

立楔诱导的高超声速流动分离数值分析

高超声速飞行器进气道等关键部件引起的激波与边界层相互作用将导致流动分离,从而改变当地压力分布与局部受热情况,影响飞行稳定性与飞行安全,因此需要对高超声速流动的分离现象进行细致研究。采用高精度5阶特征型WENO格式与3阶TVD型Runge-Kutta方法,求解三维Navier-Stokes方程,对立楔诱导的高超声速激波与边界层相互作用引起的分离流动流场结构进行了细致的数值模拟与分析。结果表明,5阶特征型WENO格式分辨率远高于类TVD格式;Ma=6时得到清晰的激波结构、分离涡结构及其演化过程和壁面极限流线的拓扑结构,证明了WENO格式应用于高超声速分离流动的可行性与高分辨率;对不同来流Mach数的对比证明Mach数的增大抑制流动分离,导致分离涡减小。     

使用GAO—YONG湍流模型数值研究管道凸起流动

用GAO—YONG可压缩湍流方程数值模拟了Delery管道凸起跨音流场中的激波湍流边界层干扰现象。分析了GAO-YONG可压缩湍流方程组对湍流的非平衡、多尺度、各向异性等特性的描述能力。计算中对流项、扩散项分别采用二阶ROE格式和二阶中心差分格式离散,并用多步Runge-Kutta显式时间推进法求解了空间离散后的控制方程。计算很好地模拟到了压力平台区、“入”波结构等典型激波湍流边界层干扰的流动现象,也得到了壁面压力分布、平均速度剖面以及雷诺应力分布等,并与相应的实验数据进行了对比分析,两者符合很好。     

小Knudsen数稀薄气体绕流流场分析

本文从Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方程５矩和１３矩方程出发，应用三层模型分析了滑流国稀薄气体绕流流场的性态，提出了一个计算这种流场的完整模型。理论分析表明，摩阻系数的小Ｋｕｎｄｓｅｎ数效应是高除小量，可忽略不计；但必须考虑热传导系数的小Ｋｎｕｄｓｅｎ数效应。基于奇异摄动法分析，数值求解了绕二维平板流动流场，壁面摩阻系数和热流率的计算结果与现有的实验和理论结果相一致。     

平面叶栅跨声速非等熵流的时间推进解

本文根据Viviand等人提出的求解平面流动问题的拟不定常时间推进法的思路,推导了完整的求解平面叶栅无粘非等熵拟不定常流动的方程系统,应用经过改进了的有限控制面积时间推进格式进行了数值计算。计算结果与精确解或试验结果吻合较好,且能有效地节省计算机时。     

低速叶型气动反问题设计方法

 低马赫数不可压流动中声速与流速大小差别巨大,采用基于可压缩流动控制方程的计算格式求解流场时,由于数值黏性的污染,解的精度低且收敛性差,通常可使用时间预处理技术来解决这一问题。在基于控制理论的优化方法中,共轭方程的Jacobian矩阵和流动方程的系数矩阵相似,因而在低流动马赫数下,求解共轭方程存在着与求解流动方程相同的数值污染和数值刚性问题。首先推导了带有预处理的Roe格式,然后发展了适合全速度流动的共轭方程求解方法,最后选取翼型和叶栅两个典型算例进行了验证。计算结果表明所发展的方法可很好地用于低马赫数时的气动反问题设计。     

稀薄流到连续流的气体运动论统一数值算法初步研究

从非线性模型Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ方程出发,引入简化速度分布函数、使用离散速度坐标法对速度空间进行离散、降维,去掉分布函数对速度分量的连续依赖性;采用时间分裂法,将简化速度分布函数松驰变化方程分解为源项碰撞变化方程、对流运动方程,进行耦合计算,应用ＮＮＤ耗散差分方法直接模拟气体分子速度分布函数;发展离散速度数值积分法,通过宏观取矩获取物理空间各点的流动参数,从而建立一套能有效模拟各流域气动问题的简化的     

用子波系数概率密度函数研究湍流多尺度结构的间歇性

用热线风速仪在充分发展平板湍流边界层中测量流向速度信号的时间序列并进行湍流多尺度结构统计特性的实验研究。用热线风速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率精细测量风洞中平板湍流边界层不同法向位置的流向速度分量的时间序列信号,用子波分析对湍流脉动速度信号进行多尺度分解,将推广的自相似性(ESS)应用于子波分析。用子波系数的概率密度函数验证了多尺度相干结构对间歇性的影响,并证明与距壁面距离有关。对比研究了提取湍流边界层多尺度相干结构前后湍流多尺度结构函数间歇性的变化规律及概率密度函数的变化规律,验证了多尺度相干结构是湍流边界层产生奇异标度律的原因。当这些相干结构被分离出后,由子波系数计算的ESS标度律就回到K olm ogorov线性标度律,这一现象在整个湍流边界层都是很明显的。