高马赫数低雷诺数条件下圆球绕流曳力系数

圆球绕流曳力系数通常表示为雷诺数的函数.而随着马赫数增大,曳力系数与马赫数的相关性逐渐增强.本文应用硬球-拟颗粒模型方法模拟研究1≤Re≤20和0.1≤Ma≤3条件下的圆球绕流过程.分析了模拟区域设置和拟颗粒-圆球作用的热适应系数对曳力系数结果的影响,得到合适的区域设置条件和热适应系数,获得高马赫数低雷诺数条件下圆球绕流曳力系数,并依此初步建立1≤Re≤20和0.1≤Ma≤3范围内马赫数对曳力系数的修正模型.     

展向不同间距壁面粗糙元对近壁湍流拟序结构的影响

采用氢气泡流动显示技术,研究了壁面不同展向间距粗糙元对近壁湍流拟序结构的影响。实验中粗糙元布置在氢泡丝前,其间距按如下两种排列设置：粗糙元直径的0、1和3倍,等间距1、2和4cm;每种情况粗糙元直径均为2.3、4和6mm。基于平均流速和水力直径的流动雷诺数从14000到48000变化。实验观测了光滑壁面和粗糙元壁面的近壁湍流拟序结构条带特征。发现：对于两种不同排列,相同雷诺数和相同粗糙元间距条件下条带有量纲间距均随着粗糙元直径增大而减小,条带有量纲高度均随粗糙元直径的增大而增大;相同雷诺数和相同直径粗糙元条件下条带有量纲间距均随着展向间距增大而增大,条带有量纲高度均随展向间距的增大而减小。粗糙元壁面湍流条带有量纲间距均比光滑壁面小,条带有量纲高度均比光滑壁面大。研究结果对近壁湍流的流动控制具有重要指导意义。     

基于CFD-DEM算法的固体火箭发动机气-固两相流模拟

针对固体火箭发动机中含金属推进体系中颗粒冲刷烧蚀及推力两相流损失的难题,基于连续相-离散元(CFD-DEM)耦合模型,考虑颗粒间的碰撞力与非碰撞力以及颗粒-气流作用力等,对固体发动机中气-固两相流进行了数值模拟研究。研究结果表明,相比于传统的双流体模型及轨道法,CFD-DEM能提供更丰富的粒子尺度信息包括粒子的运动轨迹、颗粒间的碰撞、颗粒受力情况等等;以及粒子相与气相相互作用过程,粒子相与壁面相互作用等。粒子的碰撞在喷管收敛段壁面、喉部区域以及喷管扩张段中心区域发生,与壁面的碰撞在收敛段壁面位置,且颗粒在该区域角速度较大,气相-颗粒曳力最大值出现在气相加速区域。单个粒子尺度的流场数据为固体发动机气固两相流流场的认识提供了更加丰富的信息,并为粒子聚集聚合及对烧蚀层冲刷等提供研究基础。     

可压缩粘性流动笛卡尔网格虚拟单元方法研究

以二维高雷诺数可压缩粘性流动问题为背景,提出了一种全新的笛卡尔网格虚拟单元方法。基于壁面函数基本假设,构造了壁面函数-虚拟单元方法(WF-GCM),用于定义湍流壁面边界条件。引入参考点的概念计算虚拟单元上的基本变量与湍流变量值,定义了"非贴体"笛卡尔网格下的湍流壁面边界条件,并通过壁面函数模型修正近壁面单元与界面单元。基于自适应笛卡尔网格体系,采用发展的具有二阶精度的格心格式有限体积求解器,数值模拟了跨音速RAE2822翼型绕流问题与超音速圆柱绕流问题,计算结果与实验值吻合良好,显示了WF-GCM对高雷诺数可压缩粘性问题是有效的。     

近壁湍流中微小非球形颗粒取向行为研究综述

本文回顾了近十年关于微小非球形颗粒在壁湍流中取向行为的数值研究进展,重点介绍了数值方法和物理机理方面的发现.由于壁面的存在,在近壁面区域存在较强的平均剪切以及复杂的湍流结构,使得壁面的湍流具有较强的各向异性特点.前期研究发现杆状颗粒在壁面附近会倾向性地朝着流向方向,而碟状颗粒会倾向于朝着壁面法向,且这种倾向性取向行为会随着颗粒形状偏离球形的程度的增加而增强.同时,研究发现颗粒的倾向性取向行为与流体的拉格朗日的拉伸与压缩方向具有较强相关性.但是,颗粒的取向与流体的拉格朗日的拉伸与压缩方向在壁面附近的相关性要弱于其在远离壁面的槽道中部或均匀各向同性湍流的相关性,且存在较明显的形状敏感性.前期工作以杆状颗粒为例分析了其相对于拉格朗日坐标系(由左柯西格林张量三个主轴方向确定)的概率密度分布的特点,并进一步阐释颗粒行为与拉格朗日的拉伸与压缩方向的差异.同时,基于壁面湍流的特点,建立了以平均剪切与速度梯度脉动之比的颗粒转动周期预测的二维简化模型,并进一步揭示了平均剪切与速度梯度脉动在颗粒取向行为趋近于拉格朗日拉伸与压缩方向过程中的重要作用.     

一种剪切修正的涡黏性亚格子模型及其在槽道湍流中的应用

提出了一种利用壁面附近强剪切对涡黏系数进行修正的亚格子模型,称为剪切修正的涡黏模型.该模型能使涡黏系数在壁面附近自动满足壁面修正,在脉动为零的地方,涡黏系数自动为零,保证了壁面附近涡黏系数趋于零的特性.用该模型对槽道湍流壁面无吹吸、有吹吸,较低和较高雷诺数的情况进行了数值模拟,与直接数值模拟的结果进行了对比,结果吻合较好.      

三维亚声速冲击射流流场的数值模拟

利用有限体积法对三维可压缩的N－S方程进行离散，对喷嘴的亚声速垂直冲击射流和斜冲击射流进行了数值模拟。网络的划分采用非结构性网络，湍流模型为RNGκ-ε湍流模型，在近壁处采用壁面函数进行修正，流场计算结果与实验值吻合一致。计算可得到垂直冲击流场结构的三个区域：自由射流、滞止区和壁面射流区域，并显示出垂直冲击点附近区域的卷吸回流、速度分布。冲击射流近壁处存在着回流现象，由于边界层流动和近壁回流引起距离固壁2D内的速度梯度变化较大。斜冲击在近壁处平行壁面速度的最大值，以及壁面上的总压最大值都偏离冲击点，并且相对应。     

固体火箭发动机内气粒两相流动的SPH-FVM耦合方法数值模拟

为解决现有数值模型在求解固体火箭发动机内颗粒的燃烧流动等问题时所遇到的难题,基于拟流体模型,采用光滑粒子流体动力学方法 (SPH)求解离散颗粒相,追踪颗粒运动轨迹,采用有限体积方法 (FVM)对气体连续相进行描述,捕捉流场特性,两相间通过曳力、压力梯度、热传导、体积分数等参量进行耦合,建立了两种不同坐标系下方法间的耦合框架。耦合方法模拟了喷气推进实验室(JPL)喷管中气粒两相流动过程,得到了气相和颗粒相的参数分布规律,与相关实验结果及离散颗粒模型(DPM)数值模拟结果对比,吻合较好。针对Φ315mm实验发动机工作状态和结构特点,进行了发动机燃烧室内过载条件下的气粒两相流动数值模拟,分析了纵、横加速度载荷对发动机燃烧室内粒子场和聚集带的影响,与已有的数值模拟结果基本吻合。结果表明,新方法求解发动机气粒两相流问题准确可靠,适用于发动机内更为复杂的两相流问题数值模拟。     

驻点流中的颗粒动力学

驻点流中的颗粒动力学可见于化工管道输运、航空发动机叶片等,相应基础研究的开展是为了建立可预测的两相流模型.针对化工管道中的驻点流颗粒问题,采用颗粒解析的直接数值模拟方法,对颗粒动力学与流体动力学的耦合机理进行了研究.研究发现,单个有限尺寸中性颗粒在驻点流对称轴上的动力学非常反常:远离壁面的时候,无论颗粒的有限尺寸或惯性大小,颗粒动力学呈现示踪粒子行为;靠近壁面,示踪粒子行为不再成立.开发了可以自适应颗粒惯性并且可以反应真实物理材料特性的弹性碰撞模型.研究发现,颗粒相对携带流体的惯性是驻点流颗粒动力学的关键.加速/减速流场导致的无黏环境压力是产生反常的流体力驱动的颗粒非接触反弹现象的根本原因.     

RNG k-ε模型数值模拟油雾燃烧流场

采用RNG(R enorm alization G roup)k-ε紊流模型对某环形燃烧室火焰筒内三维两相燃烧流场进行数值模拟。运用偏微分方程法和区域法生成贴体网格,EBU-A rrhen ius紊流燃烧模型估算化学反应速率,六通量热辐射模型估算辐射通量。在非交错网格下求解气相采用S IM PLE算法,液相采用颗粒轨道模型和PS IC算法。近壁区处理分别采用两层和三层壁面函数。计算数据与试验值比较表明,采用三层壁面函数的RNG k-ε模型更适用于模拟三维两相燃烧流场。      

星孔型装药发动机三维两相流场的数值模拟

为了研究颗粒在星孔型装药固体火箭发动机燃烧室和喷管中的运动轨迹以及颗粒与发动机壁面的碰撞情况,针对可压两相流动,采用了高雷诺数下的k ε湍流模型和欧拉 拉格朗日两相流模型,用全速度SIMPLE方法对方程组进行求解,并用PSIC方法进行气固耦合计算。计算得出了流场内两相的速度、温度等参数的分布及多种情况下固体颗粒的运动轨迹。在燃气生成量确定的情况下,从距离喷管较近的某些位置进入流场的颗粒比较容易撞击壁面;颗粒的尺寸和局部产生的旋涡对颗粒的轨迹和碰撞也会产生较大的影响。     

凝结相变对低温风洞雷诺数试验的影响

为了研究凝结相变对低温风洞雷诺数试验能力的影响,基于Fluent软件建立了气-液两相凝结流动模型,相变模型采用考虑非等温效应修正的经典成核理论和Gyarmathy液滴生长理论;针对不同来流压力和不同试验雷诺数工况条件,对氮气绕流NACA 0012翼型进行了数值模拟。模拟结果表明:随着来流温度的降低,翼型附近区域气体膨胀越过气态饱和线并达到过冷状态,进一步降低来流温度则会在宏观层面上观测到凝结相变对当地流场的改变,与无凝结相变的流场相比,释放的潜热加热气流导致马赫数降低及压力系数的改变;在确保不破坏翼型气动性能试验的前提下,充分利用气体过冷区域来降低来流压力以此减少驱动功率和液氮喷入量是可行的,或者保持来流压力不变提升低温风洞的试验雷诺数。     

基于风洞试验和数值模拟的超临界机翼雷诺数修正方法研究

结合风洞试验方法和数值模拟,对采用超临界机翼的大型飞机进行雷诺数影响规律研究。对比分析了不同雷诺数下的试验结果和数值模拟结果,在此基础上研究了基于数值模拟结果的雷诺数修正方法,将低雷诺数试验结果向高雷诺数进行修正。修正结果与相应雷诺数试验结果相比,阻力系数相差不超过0.0004,升阻比最大误差约为0.2。针对于力矩系数修正误差问题进行了修正方法改进,改进后的修正误差从0.01降为0.001,表明了修正结果在飞行雷诺数下的适用性。     

单个中性球形颗粒在三维方腔中的运动

采用多松弛格子Boltzmann方法模拟了单个中性球形颗粒在三维顶盖驱动方腔流中的运动。考虑了展向弱受限的对称边界和强受限的固壁边界两种情况下初始位置、颗粒大小以及雷诺数的影响。对于展向弱受限的情形，发现颗粒的初始位置显著影响着最终的运动轨迹。根据相图被划分为三个区域：外层稳定区、内层稳定区以及涡中心区域。通过对颗粒受力的分解解释了其在极限环上运动的机理。此外，还详细介绍了球形颗粒在极限环上的顺时针旋转运动。随着雷诺数的增加，颗粒逐渐向外围靠近，不断旋转达到相应的极限环轨迹。对于选定的初始位置，观察到在高雷诺数时大颗粒向外迁移，而在低雷诺数时大颗粒的极限环靠近涡中心。对于展向强受限的情形，极限环与颗粒的初始位置无关。随着雷诺数的增加，除方腔左上角外，极限环轨迹有向外迁移的趋势。最后，随着颗粒尺寸的增大，极限环向方腔内部收缩。     

网格对高超声速钝头体表面热流数值模拟结果的影响

高超声速钝头体热流的精确预估，对高超声速飞行器热防护的设计具有重要意义，而网格划分尺度对预估飞行器表面热流精度具有重要的影响。应用理论分析及数值模拟方法，提出了一种基于壁面网格雷诺数及基于钝体特征长度的来流雷诺数网格划分方法，并给出了壁面网格雷诺数的取值范围。应用所提出的网格划分方法，对不同来流条件的高超声速半圆柱及球头表面热流进行了数值模拟，结果表明，应用所提出的网格划分方法，及给出的可供参考的壁面网格雷诺数的取值范围划分网格，在满足高超声速钝体表面热流精度要求的同时，有利于网格合理分布并提高数值计算效率。     

矩形横截面螺旋管湍流流动与传热特性的数值研究

 采用了剪切应力输运(SST)k-ω两方程湍流模型并考虑近壁低雷诺数的修正对矩形横截面螺旋管内冷却水流动和传热特性进行了数值研究。数值分析了在不同入口雷诺数、曲率半径以及扭距条件下,螺旋管内的温度、速度场以及流线的变化,讨论了螺旋管内、外壁面对流传热系数的差异及产生机理,同时与直通管道传热性能进行了比较。研究发现由于离心力的作用,螺旋管内存在显著的二次流动,管内、外侧壁面对流传热存在差异。旋转一周后,螺旋管即进入了流动稳定状态,入口雷诺数可以显著提升螺旋管整体的对流换热效率,扭矩和曲率对内外壁面传热效果的影响不大,而窄高型的横截面构型可以显著改善螺旋管的传热效果。研究结果对应用矩形横截面螺旋管的冷却设计提供参考。     

SRM两相内流场模型计算

火箭发动机内流场中的大量液态颗粒与喷管的壁面发生碰撞后会产生沉积和破碎,从而影响发动机的性能。针对此问题,采用颗粒与壁面碰撞破碎沉积模型和欧拉-拉格朗日两相流模型对某固体火箭发动机中不同尺寸的颗粒与喷管背壁区和收敛段碰撞破碎和沉积的基本情况进行了数值模拟,并与相关试验结果进行了对比。计算得到了流场中不同直径颗粒在考虑碰撞破碎后的分布情况和在壁面的沉积情况。计算结果说明,颗粒与壁面碰撞破碎后会大大增加流场尤其是喷管段中小颗粒的数目,颗粒的沉积主要集中在背壁区的下部,而大颗粒主要沉积在喷管收敛段。     

小高径比扰流柱冷却通道的换热和流动特性

采用数值模拟的方法,对涡轮叶片尾缘处圆形小高径比扰流柱冷却通道的换热和流动特性进行了研究,分析进口雷诺数和扰流柱间距对冷却通道换热和流动特性的作用过程.结果表明:进口雷诺数的提高能够有效改善冷却通道端壁的换热性能,但这种改善能力随着进口雷诺数的提高而逐渐减弱,同时降低冷却通道的压力损失系数.在两种扰流柱间距中,流向间距是影响端壁换热性能的主要因素,随着流向间距的减小,冷却通道换热性能逐渐变好,压力损失系数降低;横向间距是影响冷却通道流动损失的主要因素,两者大小成反比关系.在通道计算中,扰流柱平均换热性能约是端壁平均换热性能的1.8倍,端壁换热权重约是换热面积比0.824倍,同时该权重几乎不受进口雷诺数的影响.      

惯性颗粒在非均匀加速流中的输运问题

基于新型碳基颗粒增强或碳基纤维材料的再入体热烧蚀问题对飞行器的气动力/热性能影响机制尚不明确。初步研究不考虑化学反应和气体引射效应,把热烧蚀问题中的颗粒剥离问题模化为驻点流中的离散颗粒启动问题。由于高速气流在驻点温度达上万度量级,局部马赫数接近于0,研究近似假设靠近壁面的流体动力学为不可压缩的,并使用不可压缩颗粒解析的直接数值模拟方法（PR-DNS）研究一个惯性颗粒在平面挤压流和壁面驻点流中的动力学,从而揭示在驻点流中的颗粒输运机制。研究发现颗粒在壁面驻点流中的输运机制是水平输运,几乎没有垂直输运,与平行剪切颗粒床输运非常不同,这是驻点流特有的垂直向下挤压作用导致的。     

颗粒无序分布的堆积床内部流动与传热分析

为了详细分析单组元发动机催化床内部的流动与传热,针对颗粒无序分布的堆积床,提出了一种网格生成途径,适合于对大量颗粒自然堆积的管道流动进行数值模拟。根据该方法,对不同颗粒直径、不同进口速度的管道堆积床进行了液体介质的流动与非定常传热模拟,并与实验结果和Ergun方程计算进行了对比。结果表明,本文提出的方法可以有效模拟颗粒无序分布的堆积床内部流动与传热,适合于大量颗粒的堆积床仿真;网格尺度小于1/20颗粒直径时,模拟结果与实验结果符合很好;在相同雷诺数下,摩擦系数随颗粒直径增大而减小,Ergun方程在高雷诺数下计算的流阻偏大;非定常传热时,壁面效应会使壁面附近温度先接近流体温度。