基于相干结构的大涡模拟壁面模型

首先对湍流边界层近壁区相干结构群进行研究,根据共振三波理论使用沿流向周期性发展的多个三维波构造其初始结构,通过直接数值模拟得到该相干结构群的演化特性.在此基础上,提出了基于近壁区相干结构流动参数的新型大涡模拟壁面模型.确定了此壁面模型与主流大涡模拟衔接的原理方案.计算结果表明:该壁面模型在减少计算量的同时,能够为主流区大涡模拟提供重要的壁面大尺度结构信息,使计算取得准确的结果,实现了壁面模型的基本功能.      

基于湍流尺度的混合RANS/LES模型

比较BL(Baldwin-Lomax)湍流模型的内层模型与Smagorinsky亚格子模型,两者的主要差别在于湍流尺度的计算方法不同,而RANS(Reynolds Average Numerical Simulation)方程组与LES(Large Eddy Simulation)方程组在形式上又是相同的.基于这两点,发展了RANS/LES混合模型.该模型是在网格滤波尺度与到壁面的距离相等处将流场分区,在近壁区直接求解RANS方程组,在远离壁面区域,求解LES方程组.为了保证湍流粘性系数在内外层分界处的光滑过渡,内外层湍流粘性系数通过混合函数连接.混合方法减轻了对壁面附近网格分辨率的要求和时间步长的限制,因此比LES所需的计算成本少.用该混合模型模拟了绕双椭球的高超音复杂流场,结果表明采用混合模型可以准确地模拟可压缩湍流流场.      

使用GAO-YONG湍流方程组对扩压器流动的计算

采用基于同位网格的SIMPLE方法求解GAO-YONG不可压湍流方程组,对二维扩压器流动进行了数值模拟.通过界面速度动量插值法解决了压力锯齿波问题,并且采用了正交贴体网格和二阶QUICK格式离散对流项以提高计算精度.与实验结果以及BL(Baldw-Lomax)模型计算结果的比较表明,不需要任何经验系数及壁面函数的GAO-YONG不可压湍流模型方程组能够对有压力梯度的湍流流动做出很好的预测.计算发现,在机械能方程中引入平均流压力梯度的作用,对GAO-YONG湍流方程组正确模拟逆压力梯度流动起到了关键作用.      

流向磁场作用下二维磁流体槽道湍流直接模拟

对低磁雷诺数近似下流向磁场作用的二维磁流体槽道湍流进行了直接数值模拟(DNS,Direct Numerical Simulation),给出了 Re=10 000时不同磁相互作用数下二维磁流体槽道湍流的近壁速度分布、湍流脉动速度均方根、雷诺应力等统计量的变化,并与中性流体二维槽道湍流进行了比较.结果表明:流向磁场作用会导致对数区上移;雷诺应力最大值随磁相互作用数呈线性变化;随着磁相互作用数的增大,下壁面平均涡量的时间演化由拟周期性向周期性转变,且脉动周期逐渐增大并当流动层流化后下壁面平均涡量成为常值.      

聚合物槽道湍流的直接数值模拟

应用直接数值模拟方法研究了聚合物对槽道湍流的减阻特性.数值计算方法采用谱方法,时间积分采用二阶精度的时间分裂格式.应用FENE-P模型对聚合物槽道湍流进行定压降的直接数值模拟计算,揭示了聚合物湍流减阻的启动(onset)现象;应用O-B模型进行定流量的直接数值模拟计算,分析了其流动特征.计算结果表明:在低减阻形式中聚合物对湍流的影响主要发生在壁面区,而高减阻形式中聚合物对湍流的影响则遍及全流场.     

高超声速热流计算湍流模型性能评估

采用计算流体力学方法,通过对高超声速来流下双椭球热流计算,综合分析了影响壁面热流预测精度的因素.针对工程上4种常用的湍流模型:BL(Baldwin-Lomax)模型、SA(Spalart-Allmaras)模型、k-ω模型及SST(Shear-Stress Transport)模型,评估了其在高超声速热流预测中的性能,获得了湍流模型下壁面法向网格雷诺数对热流计算的影响规律.此外,对高马赫数下不同后掠角钝舵模型进行热流计算,获得了后掠角对钝舵前缘热流峰值的影响规律.研究表明,两方程湍流模型相比一方程和零方程模型更适合高超声速气动热计算,其中SST模型对热流预测精度更高,总体性能更为优异;钝舵驻点线最大热流随后掠角增大呈非单调变化,在后掠角约为22°时热流达到峰值.      

壁面展向匀速运动的槽道湍流的直接数值模拟

为了解展向存在匀速流动时湍流槽道流动的特性,应用直接数值模拟方法研究了壁面的展向运动对湍流槽道流动的影响.采用标准谱方法对固定质量流率条件下,上壁面展向运动速度分别等于零、流向流量平均速度以及两倍于流向流量平均速度等3种情况进行了直接数值模拟.结果表明,壁面的展向运动会导致表面摩擦力的增大,二阶湍流统计量诸如均方根速度脉动、雷诺剪切应力和均方根涡量脉动等都会随着壁面展向运动速度的增大而显著增长,同时,槽道截面上的均方根速度脉动也变得更均匀.      

近壁区湍能耗散率输运方程的理论模型

提出在湍流边界层的近壁区采用三维不稳定波来描述湍流扰动速度,然后根据理论模型对湍能耗散率的生成、粘性破坏以及扩散等特性进行了系统定量的计算和分析.理论计算结果与直接数值模拟结果符合较好,特别是在y<10的区域中明显优于传统湍流模型的计算结果.这不仅在理论上有益于对湍流物理机制的了解,而且可能为湍流模型计算开辟一条新的途径.     

高超声速二方程湍流模型的数值模拟对比

对基于Reynolds和Favré(密度加权)混合平均的二方程湍流模型进行了修正,同时根据数值模拟高超声速流动时必须具有高分辨率捕捉间断面与在边界层内抑制数值粘性的能力的要求,提出了新的总变差减小(TVD)格式熵修正函数.在此基础上,通过对压缩拐角的高超声速湍流的数值模拟,对基于Reynolds和Favré混合平均的二方程湍流模型,以及其它不可压缩模型及可压缩性修正模型进行了对比,显示了不同湍流模型及可压缩性修正在计算壁面压力分布和热流分布上的特点,说明了对高超声速压缩拐角型流动,湍流模型可压缩修正的必要性,得到了基于Reynolds和Favré混合平均的二方程湍流模型的计算结果最接近实验结果.      

近壁区Reynolds应力输运方程的理论模型

在湍流边界层的近壁区,采用对称共振三波的理论模型描述相干结构,根据理论模型对Reynolds应力输运方程逐项进行计算和分析,结果与直接数值模拟符合很好.这不仅在理论上有益于对湍流物理机制的了解,而且展现了一种可能性,即根据相干结构的理论知识来改造湍流模型,使之具有更清晰的物理内涵以提高近壁区的预估精度.     

LES／RANS混合方法对超声速底部流动的应用

为克服大涡模拟(LES,Large Eddy Simulation)对近壁区域使用的局限,近年来LES/RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)混合方法成为研究热点,利用LES与RANS两者自身的优点克服对方的不足,有效实现计算精度和效率的统一.基于LES/RANS混和方法,采用Smagorinsky-BL(Baldwin-Lomax)模型和新型Vreman-BL模型,对超音速底部流动这一难题进行了模拟,分析了其流场结构.计算结果表明:得到的速度型、底面压力分布与实验值吻合,优于雷诺平均方法的结果.     

后台阶流动的Hybrid RANS/LES模拟

采用雷诺平均的Navier-Stokes和大涡模拟混合的方法对后台阶流动进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比;分区尺度采用IDDES(Improved Delayed Detached Eddy Simulation)模式:来流包含背景湍流度时,混合方法转化为WMLES(Wall Modeling in LES)模拟,除了近壁区外的大部分区域都是直接求解;不包含来流湍流度时,转化为DDES(Delayed Detached Eddy Simulation)模式,附面层采用纯RANS模拟,大分离流动区用类脱体涡模拟方法模拟;对流通量的离散采用迎风型低耗散通量分裂格式和中心型四阶偏斜对称格式组合的模式;湍流模型采用Spalart-Allmaras(S-A)模型;亚格子长度尺度取决于网格分布和到壁面的距离.      

XY-SAS模型对于分离流动的性能分析

XY-SAS(Xu-Yan-Scale Adaptive Simulation)模型是一种新的基于平均涡量的一方程SAS类模型,不但解决了分离涡模拟DES(Detached Eddy Simulation)的雷诺平均N-S方程RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)-大涡模拟LES(Large Eddy Simulation)交界面问题,而且计算量远小于早期SAS.通过对XY-SAS模型的机理分析,认为该模型克服了早期SAS模型预测的湍流能谱在高波数衰减不足的缺陷,并在分析的基础上对该模型进行了改进,取消了其限制器.选用平板边界层和方柱绕流作为算例,进一步研究了该模型对于稳态流动和大分离流动的性能,数值模拟结果同实验值符合良好,证明XY-SAS模型自身完备,是预测稳态流动和大尺度分离流动的有效方法,实现了涡粘性系数根据当地流动状态动态地自适应调整和光滑过渡.     

基于非Favre过滤的大涡模拟

将直接过滤的可压缩Navier-Stokes(NS)方程组作为可压缩湍流大涡模拟方程组.方程组中因过滤产生的高阶相关项用Taylor级数展开近似表达,得到可压缩张量扩散模型.与传统的采用质量加权过滤(Favre过滤)的可压缩大涡模拟方程组相比,由于这种方法没有密度信息的损失,所以能反映真实的密度脉动信息;方程所求量为流场物理量的过滤值,物理意义明确,使大涡模拟结果与直接数值模拟或实验结果更具有可比性.用这种大涡模拟方程组对绕双椭球高超声速湍流进行了模拟,并将所得结果与实验、Baldwin-Lomax(BL)模型及Smagorinsky亚格子模型的结果进行了对比.      

二维微槽道电渗流的增强混合

微尺度流动中的混合一直是微流系统研制中的一个大问题,对壁面zeta势非均匀分布情况下的二维微槽道电渗流进行了数值分析,重点分析了这种情况下的微流动混合增强.基于电渗流的Helmholtz-Smoluchowski滑移速度模型,应用SIMPLE方法计算了4种滑移速度在整个壁面上的分布不均匀一致时的微槽道电渗流动的流场及被动标量在其中的混合.计算结果表明,滑移速度的非均匀一致导致微槽道电渗流中的流线发生剧烈的转折,从而使得微槽道流动的混合效率有很大的提高.流场中流线的转折越剧烈、转折的次数越多,微槽道流动混合效率的提高就越大.     

SST-DES在小分离流动数值模拟中的改进

在基于剪切应力运输（SST,Shear Stress Transport）分离涡模拟（DES,Detached Eddy Simulation）应对小分离流动的数值模拟中,上游雷诺平均方法（RANS,Reynolds Averaged Navier Stokes）区域内较大的涡黏性通过对流扩散方程传递到下游大涡模拟方法（LES,Large Eddy Simulation）区域,导致自由剪切层解析湍流解迟迟得不到发展,剪切层失稳延后,出现强烈的灰区效应。为此将SST-DES中体现LES求解的类亚格子模式重新构造成标准k方程亚格子模式,防止多变量在RANS和LES交界面处对湍流黏性系数的混合影响,最终得到了一种改进的SST-DES方法。采用该方法对AS239翼型小分离数值模拟并与DES和延迟分离涡模拟（DDES,Delayed Detached Eddy Simulation）结果进行对比,可以看出该方法在壁面边界层保留了SST-DDES特性的同时,在尾迹区大大提高了LES的可解能力,显著降低了灰区的影响。