直排波瓣喷管引射器流场计算к—ε模型的选择

应用N-S方程，对一种实验引射性能较好的直排波瓣喷管引射器内复杂流场进行了数值模拟，采用三维贴体坐标，同位网格，研究了标准к-ε，Chenк-ε和RNGк-ε湍流模型应用于波瓣喷管引射器流场计算的可行性和计算精度，结果表明，上述三种湍流模型均能揭示混合段中流向涡的发展规律，总的看来，Chenк-ε模型和RNGк-ε模型计算结果与测量值差别最小，远远好于标准к-ε模型。     

层板冷却结构流阻特性的实验与数值模拟

在吸气式风洞上对两种不同内部流动结构的单层多孔层板进行了流阻实验，采用沿程阻力关系式得出了其流阻特性。应用软件FLUENT，采用隐式有限体积法求解Navier—Stokes雷诺时均湍流方程，对层板冷却结构的内部流动进行了数值模拟，湍流模型采用Realizable κ-ε双方程模型，近壁处湍流利用壁面函数法处理，采用SIM—PLE算法求解速度与压力的耦合。计算表明，层板内部流场结构十分复杂，射流冲击后在扰流柱前反卷形成驻涡。层板结构内部存在流速很低的区域。计算得出的流阻特性与实验结果进行了比较，两者符合较好。     

液体火箭发动机推力室冷却通道流动与传热数值研究

采用气固耦合算法对液体火箭发动机推力室再生冷却通道的流动与传热过程进行了三维湍流流动与传热数值模拟，冷却工质为氢气，其密度、导热系数、动力粘度随着温度和压力而变化。应用大涡模拟及标准k-ε双方程模型两种湍流模型分别进行数值模拟，详细揭示了再生冷却通道固体区和流体区内的速度场和温度场，并在不同的计算网格数目下对两种湍流模型的计算结果进行了对比。结果表明，在相同的网格条件下，标准k-ε双方程模型与实验数据的吻合精度比大涡模拟模型更好，且满足工程计算精度。随着网格数的增加，大涡模拟的计算精度逐渐得到改善。     

一种新的非线性K-ε两方程湍流模型

本文基于理论分析和对标准Ｋ－ε两方程湍流模型数值模拟结果的分析,在标准Ｋ－ε两方程模型的雷诺应力表达式中加入６高阶非线性项;并在模型的涡粘性系数μ１中考虑流动各向异性的影响,将涡粘性系数中参数Ｃμ取为表征流动各向异性的参数Ａ的一个线性函数,从而得到了一个新的非线性Ｋ－ε两方程湍流模型。     

五种湍流涡粘模型在二维方柱绕流数值模拟中的对比研究

为研究不同雷诺时均Navier-Stokes(RANS)模型在求解钝体绕流场的差异,采用五种两方程湍流涡粘模型计算了二维方柱的绕流场(雷诺数Re=22 000),得到了不同湍流模型在不同网格离散方案下的方柱气动力与流场特性。结合以往文献数据,通过对比不同湍流模型计算结果的差异,揭示了不同湍流模型的特点。研究结果表明:网格离散方案对方柱绕流数值模拟结果有重要影响;RNGk-ε湍流模型的计算效率最高,SSTk-ω湍流模型的计算效率最低;Standard k-ε湍流模型的计算结果准确程度整体弱于其余湍流模型;RNGk-ε湍流模型、Realizable k-ε湍流模型与Standard k-ω湍流模型的计算结果大致相当,较接近大涡模拟结果;SSTk-ω湍流模型的模拟结果优于其余湍流模型,其尾流区速度场与试验结果吻合较好;两方程湍流模型计算的二维方柱绕流结果与试验结果以及大涡模拟结果相比,存在不可忽略的差异。     

多股平行非等温受限射流数值研究

本文对高大型空调建筑中常用的多股平行非等温射流进行了数值研究。采用κ-ε湍流模型,以速度及压力为参变量,用SIMPLE法求解偏微分方程组,从而获得了速度、压力、温度场及湍流能量、湍流能量耗散率分布,并进行了实验验证。本文还利用数值计算得到的丰富信息,对多股平行非等温射流流动规律及温度分布作了进一步研究,并回归出相应的计算公式,弥补了实验研究的不足。     

应用S-A模型的自由射流和冲击射流数值模拟

为探索轴对称射流准确的数值模拟方法，根据可压缩的轴对称N-S方程，利用二阶精度的有限体积法对轴对称的自由射流和垂直冲击射流进行数值模拟。结果表明采用Spalart-Allmaras湍流模型，可很好描述射流流动。收缩喷嘴射流计算应从出口上游的内流开始，而不能在出口截面上给定声速条件。计算结果与实验吻合较好，所获得的喷嘴内外部流场的流动状况以及冲击射流参数分布，可用于优化喷嘴内部结构设计。     

低速大迎角三角翼旋涡流动的有粘与无粘数值模拟

通过人工压缩性方法求解了三维定常不可压Euler方程和雷诺平均Nayierstokes方程，应用Beam－Warming近似因子分解格式及其对角化形式，采用BaldwinLomax代数湍流模型。计算模型为70°三角翼，分析了有粘与无粘流动旋涡特性的影响，尤其是对Euler方程模拟大迎角分离涡、涡破裂的能力及其局限性提供了数值验证，计算结果与实验结果相一致。     

渐扩通道内湍流流动与混合的数值模拟

应用标准形式的ｋ－ε湍流模型,对具有逆向压力梯度的渐扩通道内两股等温或不等温射流的湍流流动与混合进行了数值模拟。结果表明,时均速度场与温度场的计算结果与实验测量数据相符合。     

高阶精度格式WCNS在三角翼大攻角模拟中的应用研究

采用5阶精度的加权紧致非线性格式(WCNS-E-5)数值模拟了65°三角翼的大攻角绕流流场,主要目的是考核高阶精度格式WCNS在大攻角旋涡流动方面以及跨声速流场的激波附面层干扰、涡破裂位置的模拟能力,重点研究不同网格规模和湍流模型对尖前缘三角翼涡系之间的相互作用的影响。通过求解任意坐标系下的雷诺平均N-S方程,采用5阶精度的加权紧致非线性格式(WCNS-E-5)和多块对接结构网格技术,两种湍流模型分别是一方程SA和两方程SST湍流模型,在与相应试验结果对比的基础上,详细研究了WCNS-E-5格式在跨声速大攻角旋涡流动中的表现,以及不同网格规模、两种湍流模型对主涡二次涡相互作用、涡破裂位置和表面压力分布的影响。本文的研究结果表明,高阶精度格式WCNS-E-5能成功应用于三角翼的跨声速大攻角流动,网格规模的增加进一步提高流场分辨率,SST湍流模型相对SA湍流模型在三角翼大攻角流动中具有更好的适用性。     

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.     

间断Galerkin方法计算叶型转捩流动

使用间断Galerkin方法研究叶型转捩流动,进行了大涡模拟(LES)和转捩模型的求解,对T106低压透平和Zierke-Deutsch压气机叶栅内的流动进行了计算.通过T106低压透平的计算对LES和转捩模型进行了比较,结果表明两种方法得到的压力分布和分离泡位置均与实验值吻合良好.LES得到的分离泡的轴向位置为0.145~0.165m,转捩模型得到的分离泡的轴向位置为0.150~0.156m.LES可以再现复杂的瞬时流动细节,对于深入研究流动机理很有意义,而转捩模型尽管无法获得足够的流动细节,但是也能预测边界层的分离和转捩现象,并且结果与LES时均结果相差不大,对于工程应用很有价值.使用转捩模型计算Zierke-Deutsch压气机叶栅内的流动也获得了与实验值符合的结果.      

三维方柱不可压缩绕流的大涡模拟计算

用非定常不可压缩流动求解方法对三维方柱绕流问题作了大涡模拟计算研究.求解程序采用虚拟压缩方法和双时间步的时间推进方案,对流项的差分采用高阶精度的数值差分格式.通过与实验和文献结果比较分析,验证了基于虚拟压缩方法的湍流大涡模拟计算方案对于复杂的三维钝体绕流计算是可行的.     

On the computation of instabilities and symmetry-breaking in fluid mechanics

A review on the implementation of modern computational fluid dynamics (CFD) methods for simulating low- and high-speed flows featuring turbulent mixing, instabilities and symmetry-breaking is presented. Results are reviewed for several complex flows including turbulent mixing associated with Richtmyer–Meshkov and Rayleigh–Taylor instabilities, incompressible flows in suddenly expanded geometries, shock-induced instabilities, free-shear instabilities and complex vortex dynamics. Many of the results presented in this review have been obtained by large eddy simulation (LES), monotone integrated LES (MILES) in particular. The computational challenges associated with complex flow physics and nonlinear behaviour of the numerics are discussed.     

应用傅里叶时间谱方法求解二维跨音速流动问题解的精度研究

为了从时间离散精度的角度评估傅里叶时间谱方法的实际计算效率,对用该方法求解二维跨音速流动问题的解进行了精度研究。通过求解Euler方程模拟俯仰振动NACA0012翼型的周期性非定常流动。结果表明:傅里叶时间谱方法可以使用很大的时间间隔较为准确地模拟有激波存在的周期性跨音速流动;对于此类流动问题,相比二阶向后差分公式法,傅里叶时间谱方法在预测翼型表面压力系数积分量特别是升力系数的时间变化规律方面具有明显的计算效率优势;用于模拟翼型表面压力系数自身的时间变化规律时,傅里叶时间谱方法具有不低于二阶向后差分公式法的计算效率。     

Wall-layer models for large-eddy simulations

The numerical simulation of high Reynolds number flows is hampered by model accuracy if the Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) equations are used, and by computational cost if direct or large-eddy simulations (LES) that resolve the near-wall layer are employed. The cost of a calculation scales like the Reynolds number to the power 3 for direct numerical simulations, or 2.4 for LES, making the resolution of the wall layer at high Reynolds number infeasible even with the most advanced computers. In LES, an attractive alternative to compute high-Re flows is the use of wall-layer models, in which only the outer layer is resolved, while the near-wall region is modeled. Three broad classes of approaches are presently used: bypassing this region altogether using wall functions, solving a separate set of equations in the near-wall region, weakly coupled to the outer flow, or simulating the near-wall region in a global, Reynolds-averaged, sense. These approaches are discussed and their ranges of applicability are highlighted. Various unresolved issues in wall-layer modeling are presented.     

基于RANS/LES混合方法的分离流动模拟

飞行器在大迎角、快速俯仰机动时,流场中含有大尺度、非定常的涡结构,传统雷诺平均Navier-Stokes （RANS）模型不能准确模拟流场结构,根据国际上相关研究的发展趋势,需要采用混合RANS/大涡模拟（LES）模型来对复杂分离流动进行准确模拟。本文对基于分区混合与湍流尺度混合的双重RANS/LES混合计算模型进行发展与应用。通过典型简化模型的静、动态湍流大分离流动,测试和验证所采用的脱体涡模拟（DES）类方法,重点研究改进的延迟DES （IDDES）模型在动态问题应用中的正确性和有效性,并对所采用的数值模拟方法和相应的计算软件的可靠性、鲁棒性以及精度进行了考核验证。典型算例包括超声速圆柱底部流动、跨声速方腔流动、NACA0015机翼深失速分离涡模拟等。计算表明：发展的IDDES类混合计算模型可有效解决对数层不匹配的问题;对于定态非定常分离流动,DES、DDES、IDDES等模型计算结果差别不大,随着流动的非定常特性增强,IDDES模型的优势逐渐显现;对于动态非定常分离流动,则需要采用IDDES类模型。     

Towards the use of large eddy simulation in engineering

This paper reviews some important aspects of Large Eddy Simulation (LES) as applied to engineering flows. We first summarize the present status of modeling in incompressible, compressible and reacting multi-phase flows, with a view towards the overall formalism instead of the intrinsic details of different subgrid models. On the basis of the assumed requirements on future LES, expected to handle full-scale flows and reacting flows with detailed chemistry, we discuss some potentially interesting LES methods for the future. These methods are exclusively based on multi-scale modeling, in which simplified equations are solved within each LES cell, instead of semi-empirical modeling based on the resolved flow scales only. After that we outline a few flows studied by LES at the Swedish Defense Research Agency—FOI, which form the basis for the subsequent discussion of validation and verification, and quality management, being of increasing importance for practical engineering flows. Next we summarize some practical aspects of LES of engineering applications, many of which being crucial to the successful use of LES, and being of increasing importance for engineering flows. Finally, a view of the future use of LES in engineering is presented, which is based primarily on the evolutionary use of LES during the last decade in the fields of hydrodynamics and combustion.     

多段翼型大迎角分离流动的DELAYED RANS/LES混合算法

多段翼型的大迎角绕流发生大范围附面层分离,具有明显的三维与非定常流动特性。RANS/LES混合算法继承了LES对流动分离区大尺度漩涡准确模拟的优点,避免了纯LES算法需求网格量巨大与亚格子模型壁面函数不成熟等问题,对分离流动的模拟效果优于RANS算法。以S-A湍流模型与Smagorinsky亚格子模型为基础,借鉴DDES的附面层延迟控制思想,构造了可用于对接网格、重叠网格的DELAYED RANS/LES混合算法。研究了GA（W）-1多段翼型的大迎角分离流动及其气动特性。     

Large eddy simulation of turbulent diffusion flame combustion using a conserved scalar methodology

The present paper describes an LES prediction of turbulent diffusion flame combustion in a simplified axi-symmetric combustor geometry.The calculations are carried out using a well-tested finite volume incompressible LES code which has been modified to handle variable density and reacting flows.The basic mixture fraction conserved scalar method is used with the chemical state relationships described by fast chemistry.The turbulence-chemistry interaction is modelled by a sub-grid PDF method and the PDF is assumed to follow a Beta-function shape.The LES predictions have been time-averaged over 3.5 flow-through times to generate the mean radial profiles of mixture fraction,product mass fraction,temperature,axial velocity and axial rms.The agreement of the LES predictions with the experimental data is good for all the above quantities at four different axial positions with largest differences at the first measurement plane.The LES method also provides information on the unsteady nature of turbulent diffusion combustion. For turbulent reacting flows with large density ratio,it was found necessary to use a relaxation method in order to remove unphysical high-frequency fluctuations and to maintain numerical stability.