热湍流多重态与热输运效率实验研究

湍流多重态是近期湍流研究的热点问题.多重态是指在相同的控制参数下,湍流系统会出现不同的流动结构和统计特性.文章通过实验研究,分析了Rayleigh-Bénard热湍流系统中的多重态现象以及湍流态与热输运的关系.首先借助粒子图像测速技术直接测量了偶极子流态和四极子流态的空间结构,结果表明通过温度场和速度场测量得到的大尺度...     

湍流热对流调制及其机理的研究现状和展望

湍流热对流现象广泛存在于自然界和实际工程应用中，Rayleigh-Bénard(RB)系统是研究湍流热对流问题的经典模型。湍流传热的调制及其机理问题是湍流研究的重点。在经典RB系统中，上下板附近的温度边界层与系统传热关系密切，边界层内热湍流结构（羽流）的生成演化特性直接决定着系统传热效率。目前的调制策略主要通过改变上下板边界的几何型形状或改变温度边界条件来控制RB系统的对流强度，实现增强或抑制系统传热。本文主要从边界几何调制、边界温度时间调制和边界温度空间调制三个方面分别介绍和讨论了近年来有关湍流热对流调制及其机理研究方面的最新进展，并在最后提出了针对该方向的一些思考和展望。     

展向旋转平板Couette湍流中的多态现象

展向旋转平板Couette湍流(Spanwise rotating plane Couette flow,RPCF)是旋转壁湍流的标模问题之一,在过去的几十年里,被广泛用来研究旋转对壁湍流的统计和流动结构的影响。近些年,作者及其合作者就该问题开展了一系列直接数值模拟研究工作。该研究不仅发现了旋转在低旋转数和高旋转数时对流动结构和统计的不同影响,还首次在RPCF中发现了多湍流态现象:即在相同的控制参数下,流动可以处在两种不同的湍流态上,这两种不同的湍流态的流动结构和湍流统计差别显著。还发现该多态现象可以在很大的旋转数范围里存在。进一步分析大尺度二次流在不同态的能量传输中的作用,发现在二次流较弱的流态下,二次流起的作用相对较小,能量很大一部分直接从平均流传到剩余场;而当二次流较强时,二次流起到一个能量传输纽带作用。该分析也从侧面验证了大尺度结构在多态现象中占据重要地位的猜想。     

湍流输运的张量系数模型

实验表明,除均匀各向同性湍流之外,由湍流脉动引起的标量的输运都是各向异性的,且平均量梯度与湍流输运通量之间有一夹角。因此,在用梯度准则模拟湍流输运时,其输运系数应是一个二阶张量。本文推出一个张量形式的输运系数计算公式,并用它分析均匀各向同性湍流、有应变率的均匀剪切流、管内流动和二维平面射流中的热通量问题,均获得了满意的结果。     

湍流射流扩散火焰的层流火焰面模拟

采用双尺度κ-ε湍流模型，标量联合的概率密度函数（PDF）输运方程和层流火争面模型相结合，模拟湍流射流扩散火焰，比较了几种不同κ-ε湍流模型对轴对称湍流射流速度场模拟的结果，建立了混合物分数和湍流频率的联合PDF输运方程，并假定湍流频率和标量 线性关系，得到标量耗散率的概率分布，化学组分的浓度和温度由层流火焰面系综的平均得到，计算结果与直接用化学反应动力学计算的结果及实验数据做了比较。     

新型单方程湍流模型构造及其应用

为了提高雷诺应力本构关系式对于非平衡湍流的预测精度并且兼顾求解效率,发展了一种基于湍动能k的单方程(KDO)湍流模型。其主要思路为:采用平板直接数值模拟(DNS)数据对原始Bradshaw假设进行重新标定,使得当地湍动能和雷诺主应力之比能够根据当地流动条件进行自适应调节;同时,对标准k-ε模型中的湍流耗散率输运方程采用代数形式进行模化,进而形成一种一方程湍流模型。算例结果表明:KDO湍流模型对于对数率能够准确反馈,而在带有激波或部件干扰等流动现象的RAE-2822、ONERA-M6和DLR-F6算例中,KDO湍流模型能够准确控制湍动能的增长和衰减,相比于Spalart-Allmaras和Menter k-ω剪切应力输运(SST)模型,KDO湍流模型的计算结果有了较为明显的改善。     

高强驻波声场中的湍流

反射端声压级高于140dB以后驻波管中的声流结构会发生明显变化。利用流动显示和LDV（Laser Doppler Velocimetry)技术对该问题进行了实验研究。流动显示结果表明，在160dB左右的高强驻波声场中随着旋涡结构的合并、破裂等现象的出现，声致流力有明显的湍流特性。LDV测量结果显示，随着驻波管中声压级的提高，一些测点的速度频谱明显加宽，出现高频速度脉动，而另一些点的速度频谱则没有显著变化。径向湍流强度测量结果显示，此时管中流动已是复杂的三维结构，而非轴对称的二维结构。     

盐指型双扩散湍流二维直接数值模拟研究

针对海洋相关盐指型双扩散湍流开展了二维直接数值模拟研究，特别关注了四种不同物性参数组合情况下，传输特性和流动结构随瑞利数和密度比的变化趋势。结果表明：温度努塞尔特数、盐度努塞尔特数和流动雷诺数随瑞利数的整体变化规律受密度比的影响较小，但其具体数值随密度比的增加而减小；密度比的影响幅度随着组分扩散率比值，即刘易斯数的增大而减小；相关变化规律可由幂律模型描述，且基于数值模拟结果本文确定了四种物性参数组合所对应的幂律指数。对于大多数算例，流动主导结构为盐指。对具有小刘易斯数和大瑞利数的数个算例，主导结构变为类对流涡结构。对所有物性参数组合，盐指水平宽度随瑞利数变化趋势与线性稳定性分析给出的结果类似。这些结果对理解海洋盐指双扩散湍流、以及实验和模拟结果应用于真实海洋流动等方面有重要的意义。     

利用PIV技术对非光滑表面湍流边界层的实验研究

利用在线式 Ｐ Ｉ Ｖ 系统在低速风洞中对两种非光滑表面：阵列涡发生器表面和波纹壁面的湍流边界层进行了实验测量。观察到了壁面几何形状的改变对非光滑表面湍流边界层拟序结构的产生和发展的影响：阵列涡发生器表面（１０ｍ ／ｓ）湍流边界层内有明显的双剪切带状结构,外剪切带状结构接近边界层的外边界,小尺度的涡在内剪切带状结构的附近产生;波纹壁面（２０ｍ ／ｓ）湍流边界层内涡的尺度比较小。并在相同的壁面几何形状条件下,在不同的流动工况下,研究了非光滑表面对湍流边界层拟序结构的影响。实验结果表明,壁面几何形状的改变对外层的大尺度横向涡的产生和发展有明显的影响;而这种影响效果在不同的流动工况下相差很大。     

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。     

基于人工神经网络的可压缩湍流大涡模拟模型

在国家数值风洞（NNW）工程项目的指导下，空间人工神经网络（SANN）模型被用于强可压缩湍流大涡模拟（LES）研究，其中流场的湍流马赫数分别为0.6、0.8、1.0。基于湍流的多尺度空间结构特性和人工神经网络方法发展的高精度空间神经网络（SANN）模型适用于不可压缩湍流和弱可压缩湍流。对于强可压缩湍流，流场中会出现激波结构，给大涡模拟带来了挑战。本文的研究结果表明：SANN模型适用于强可压缩湍流的大涡模拟。在先验分析中，SANN模型预测的亚格子应力和亚格子热流的相关系数超过0.995，远远高于梯度模型和近似反卷积模型等传统模型；传统模型的相对误差大于30%，而SANN模型在这方面有很大的改进，相对误差低于11%。在后验分析中，与隐式大涡模拟（ILES）、动态Smagorinsky模型（DSM）、动态混合模型（DMM）相比，SANN模型能更精确地预测能谱、各类湍流统计特性以及瞬态流动结构。因此，基于湍流多尺度空间结构特性的人工神经网络模型加深了人们对强可压缩湍流亚格子建模的认识，同时可以服务于NNW工程的流体力学模型构造。     

应用二阶雷诺应力封闭的湍流旋流计算

本文叙述了三种不同的湍流旋流流动有限差分的计算结果,即:涡流管中的流动、强自由旋转射流、轴对称,旋转突然扩张的湍流流动。湍流的模化是求解微分形式的雷诺应力分量输运方程的二阶封闭。计算的结果均与试验数据作了比较。比较的结果表明雷诺应力模型明显地优于常用的K—ε模型。而预示与试验数据的吻合程度也是令人满意的。     

网格湍流CAARC模型风洞实验

对大气湍流边界层的真实模拟是风工程风洞模拟实验所要满足的基本条件之一，平均速度剖面，湍流度剖面，积分尺度和风谱是反映大气湍流边界层流动的四个最基本的因素。本文首先研究了不同孔隙率的均匀网格湍流场的流动特性，得到湍流度，积分尺度以及风谱的变化规律，然后在变化基中某一个因素而保持另外三个因素不变的条件下，研究了处于均匀网格湍流场中的CAARC模型风荷载响应的变化，从而确定每个因素的独立变化对模型所受风荷的影响。实验结果表明湍流度和积分尺度对结构物所受风载都有很重要的影响，在风洞大气湍流边界层模拟中应该予以充分的考虑，否则将会引起风荷载实验结果的偏差。     

基于湍流输运特性对S-A模型在压气机角区流动模拟中的改进研究

在非设计工况下,压气机叶栅角区的三维分离加剧,流场内的湍流处于较强的非平衡状态,因此必须对于非平衡状态的湍流的输运过程给出准确的预估.基于不同工况下压气机内角区分离流动的湍流输运过程的分析,提出了一种修正Spalart-Allmaras(S-A)模型中模拟湍流黏性生成和耗散关系的改进方法,经过数值研究发现改进的S-A模型对于静子角区分离的模拟更接近物理实际,从而提高了对非设计工况的预估能力.      

针对叶轮机流场分析的不同Spalart-Allmaras湍流模型评价

Spalart-Allmaras（SA）湍流模型在Reynolds-Average Navier-Stokes（RANS）方程求解中得到了广泛的应用。针对叶轮机数值模拟，国内外学者提出了很多修正的SA模型，但它们之间的对比少有研究。为此，综述了原始的SA（SA-standard），SA-neg，SA-Helicity，SA-Ning及SA-R五种不同SA湍流模型。针对NASA Rotor 67和NASA Rotor 37，考察这五种湍流模型对数值计算稳定性的影响及对叶轮机内部流动细节捕捉的能力。研究表明：SA-standard和SA-neg湍流模型计算结果几乎相同；相比于SA-standard湍流模型，SA-Ning湍流模型计算的压比、效率和堵塞流量均较大；SA-R湍流模型模拟的激波/边界层干涉更严重，分离区域更大，计算的压比小，模型修正效果不理想；SA-Helicity湍流模型不仅能极大地提高计算的压比和流量范围，而且能提高计算的稳定性和失速工况下的计算准确性，但计算的堵塞流量和效率较小。     

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。     

平面预混滞止火焰冷态流场湍流特性研究

 本文建立了预混滞止火焰燃烧实验装置，采用激光多普勒测速方法，对平面预混滞止火焰的冷态流场的湍流特性进行了流场相干测量并展开了分析。通过对射流轴线上的湍流度进行测量发现，靠近滞止板的绝对湍流度呈现加速上升的趋势。采用多点相干速度测量的结果表明，靠近滞止板的湍流积分长度尺度逐渐降低。经分析，是由于滞止流动轴线上的流线受到压缩而产生的结果。该实验结果和数据处理方法为将来的热态实验提供了基础数据和技术支持。     

高超声速流动中噪声与湍流度的关系

在不可压缩流动中，湍流度对流动失稳与转捩的影响机制有很多研究成果，已发展了一些依据其大小预测流动转捩的模型应用于工程设计。但在高速可压缩流动中，湍流度很难测量，给该速域的流动转捩预测建模带来困难。近年来的研究表明，高速流场（马赫数≥3）中的噪声是影响流动转捩提前与推迟，甚至决定转捩途径的关键因素。但流场噪声与湍流度对流场的激励机制有没有内在联系，或流场噪声与湍流度理论上是否存在相互关联，迄今仍缺少理论分析结果。由于可压缩流场中噪声的测量相对容易，因此探讨流场噪声与湍流度之间的定量关系具有重要的理论意义和实用价值。讨论了Euler系统中各类双曲波特性，重点分析了流场声波中脉动压力与脉动速度的本质联系，从理论上得到了声压级与声致湍流度的关系。同时，为了对影响湍流度的因素有更全面的认识，导出了非声扰动与非声致湍流度的关系。为建立高速流动转捩预测模型和探讨天地一致性问题，奠定了一定的研究基础。     

反映流动曲率影响的非线性湍流模式

本文从一般曲线坐标系下的雷诺应力模式出发，在雷诺应力模式向代数应力模式简化过程中，保留工率项对雷诺应力输运的影响，得到了曲率修正的代数应力模式和非线性κ-ε模式。并且该模式对一典型曲率流动－－U型管道内的湍流流动进行了数值模拟与分析。计算结果显示,率修正的代数应力模式较好地模拟出了凸曲率地雷诺剪切应力的阻滞作用和凹曲率对剪切应力的增强作用，捕捉到了曲率流动的主要特征，是对雷诺应力模式的一个合理而有效的简化。     

光滑通道内格栅湍流特性实验

为了更好地模拟实际涡轮叶片内冷通道的流动换热，采用格栅对光滑通道内湍流度进行控制。并通过实验的方法对不同格栅尺寸激发的湍流度进行测量。实验中，在边长为80mm×80mm的方形通道中，放置了3种不同尺寸的格栅，利用热线风速仪，得到了通道雷诺数为5000~30000范围内的格栅后下游湍流特性。研究发现:流体通过该格栅后，气流在流经格栅后较短距离内就获得了4.5%的湍流度，同时湍流度沿程呈现衰减趋势，雷诺数对湍流度的影响较小。湍流积分时间尺度与雷诺数呈负相关的关系。