三维超声速混合层内标量混合的大涡模拟

对三维对流马赫数0.62的超声速混合层流动的标量混合进行大涡模拟, 控制方程对流项采用五阶精度的WENO格式求解, 小尺度涡的作用采用一方程LDKM亚格子模型处理, 过滤后的组分方程中的亚格子组分对流通量采用梯度扩散模化.模拟得到了混合层流场大尺度拟序结构以及标量场的演化过程, 研究表明标量混合过程受混合层内涡系演化所控制, 标量场具有明显的三维特征.模拟得到的速度、组分及其脉动的统计时均结果和实验结果相符较好.      

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。     

守恒型可压缩一维湍流方法及其在超声速标量混合层中的应用

一维湍流（ODT）方法是一种能在一维计算域上遵循湍流基本物理规律的湍流建模方法。通过结合确定性和随机性求解方法,能够在一维计算域上准确捕捉到湍流统计规律,且降维建模可显著减小计算量。ODT方法主要被广泛用于不可压湍流和湍流燃烧研究,若要将其拓展用于模拟高速可压缩湍流,需对建模方法进行深度改进。相比于不可压ODT方法,本文基于欧拉参考框架,针对可压缩湍流的特性,将因变量由原始变量改为有利于减小可压缩湍流模拟误差的守恒通量,并加入了组分求解模块。对确定性和随机性求解模块均进行了相应的深度改进,开发出具有标量混合模拟功能的守恒型可压缩ODT方法。在确定性模块中改为求解以守恒通量为变量的一维截断控制方程,在随机性模块中构造一维涡时,将三联映射的作用对象也相应地由原始变量改为守恒通量,并选用了可保证变密度情况下动量守恒的双核变换。通过模拟空间发展超声速平面湍流混合层并将自相似阶段结果与实验结果比对,验证该方法对可压缩剪切湍流场中标量混合的捕捉精度。守恒型可压缩ODT方法模拟得到的速度场和组分场的平均剖面和脉动强度分布与实验结果准确吻合,精度明显优于传统的耦合梯度扩散亚格子模型的大涡模拟方法（LES-GRAD.DIFF.）以及耦合线性涡（LEM）亚格子模型的大涡模拟方法（LES-LEM）,且该方法的降维处理使其在降低计算成本方面具有显著优势。     

PDPA与HW测量技术的对比试验研究

利用自由剪切湍流中的圆管射流所具有的流动特性，采用相位多普勒粒子分析仪对射流随轴向发展的最大速度进行了７次重复性测量试验，给出非侵入测量射流的势流区和湍流自模拟区的测量精度。文中还进行了热线与ＰＤＰＡ对射流最大速度随轴向衰减变化的测量试验，给出了ＰＤＰＡ与ＨＷ测量结果之间的关系曲线和公式。同时给出了侵入测量中探头对流场中当地速度的干扰影响量。     

气动雾化喷嘴强化湍流扩散的实验研究

用热线风速仪对气动化嘴出口的气相湍流速度场进行测量，得到了气流的脉动速度及旋涡尺度分布。用浓度测量仪测量了喷出口相浓度的分布。     

标量图像测速原理及数值检验

标量图像测速是一种新型的能够测量微小结构的湍流实验测量系统,其理论依据是Schmidt（Sc）数〉1的标量湍流里,标量场脉动的时间尺度和空间耗散尺度要小于对应的速度场脉动的时间尺度和空间耗散尺度,标量脉动比速度脉动具有更强的间歇性,标量场所含信息大于速度场所含信息,从高＆数标量场提取速度场是可能的。笔者详细介绍了标量图像测速原理,并在积分最小化法思想指导下根据标量输运守恒方程及限定条件,建立了积分最小化标量图像测速的数学表示。通过变分法,获得了积分空间每个点的三个速度分量的欧拉特征方程,对欧拉特征方程离散化即可在积分空间建立一线性稀疏方程组。采用变分迭代法对此线性稀疏方程组进行求解即可获得三维速度场,据此采用积分最小化法建立了标量图像测速图像处理系统。还介绍了四维标量场（三维空间加一维时间）的图像采集原理,并采用DNS数据对标量图像测速处理系统进行了数值检验,检验结果表明标量图像测速技术所求解的速度场和DNS精确解之间在结构上是十分相似的,标量图像测速可以正确地提取速度场。     

可压缩混合层的涡结构演化与流质混合

为研究可压缩混合层的流动结构,采用七阶精度广义紧致格式离散对流项和用显式八阶精度的中心格式离散粘性项,数值求解了非定常三维可压缩Navier-Stokes方程。用约4亿规模的网格,直接数值模拟了对流马赫数为0.7的超声速可压缩混合层的空间发展流动,获得了自初始流动失稳直至充分发展湍流流动结构的精细演化历程,所得结果表明:大尺度涡结构的生成使得混合层的动量厚度快速增长,并主宰了由被动标量质量分数展示的可视混合厚度的量级,充分发展湍流的小尺度的结构主要使得该量级厚度内的流质混合趋于均匀,对可视厚度增长的贡献非常有限。     

用于可压缩自由剪切流动的湍流混合长度

抓住可压缩流动变密度特性,构造出基于有效涡量的三维von Karman混合长度。湍流模型采用仅依赖湍动能k的单方程KDO(Kinetic Dependent Only)模型,引入新构造的混合长度替换旧尺度得到CKDO模型。为了验证其描述可压缩自由剪切湍流的能力,选择无壁面束缚、密度梯度大和可压缩效应强的自由剪切混合层为算例,其对流马赫数Ma_c=0.8。计算结果表明,KDO模型对混合层的速度分布有着良好的控制和模拟,而经可压缩修正后的CKDO模型与原模型及其他可压缩修正模型相比,所计算的速度分布、主雷诺剪切力和混合层厚度与试验结果更加接近,说明了该混合长度对可压缩混合层这种自由剪切湍流有着良好的刻画能力。     

回流燃烧湍流流场激光可视化实验

实验测量了钝体后丙烷/空气湍流扩散燃烧流场及其对应的冷态流场,分析了两种流场的异同点。利用粒子图像速度场测量(PIV)技术对4种不同工况的冷热态流场进行了测量,得到了燃烧火焰内部的速度场和相应工况下的冷态速度场。结果表明,冷热态流场的速度分布总体相似,但与冷态流场相比,燃烧状态下流场回流区的中心位置升高,长度增加,最大回流速度减小,速度场变得相对紊乱。实验表明,在对湍流扩散燃烧流场作深入研究时,仅利用冷态实验来模拟燃烧状况是不能满足要求的。      

基于互相关的光流测速法在湍流热对流中的应用

同时准确地测量大尺度流动结构和小尺度湍流统计特性对于理解湍流的能量传递规律有着重要意义。尽管粒子成像测速（PIV）技术得到了广泛的应用，但由于算法原理的要求以及商用相机分辨率的限制，PIV技术在同时获取大、小尺度流动特性方面并不实用。另一方面，近年来逐渐引起关注的光流测速法虽然可以实现单像素分辨率的大区域速度场测量，但其准确性通常受限于应用场景而难以保证。本文采用一种基于互相关的光流测速法来分析RayleighBénard对流的粒子图像，进而同时获得全局速度场和小尺度湍流特性。结果表明，这种方法不仅可以获得与PIV技术一致的全局场和流动强度，还能有效地解析出湍流耗散区的速度结构函数。进一步的，分别基于速度结构函数和定义直接计算而获得的能量耗散率不仅在数值大小上互相吻合，还与直接数值模拟的结果以及理论预测相一致。这些结果表明基于互相关的光流测速法在同时测量大尺度流动结构和小尺度统计特性上有很好的应用潜力。     

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...     

关于热量与质量传递的湍流模式问题

本文发展了一个新的热量与质量传递的标量—压力相关模式。讨论了局部平衡湍流的标量脉动与速度脉动相关。同时将所得理论结果和自由射流中关于温度脉动的测量数据进行了比较。     

3D—PDA测量2相流场时散射粒子的选择

应用激光技术测量流体速度时，需要合适的散射粒子。本文研究了激光三维粒子动态分析仪（３Ｄ－ＰＤＡ）测量２相流场速度时，如何选择合适散射粒子的问题。研究结果表明，散射粒子的合理选择是保证测量精度的重要措施之一；测量湍流脉动较强流场时，应选用密度小、直径小、折射率大的粒子作散射粒子，并选择合适的粒子散播浓度。     

剪切水气界面下湍流特性的实验测量

通过实验研究了受气流剪切但无明显波动的水气界面下的湍流特性。当界面剪切较强(ur≥0．20cm／s)时，水面边界层中平均流速、速度脉动强度和Reynolds切应力的分布形状与固壁湍流相似，预示剪切水气界面和固壁附近的湍流相干结构是相类似的。另一方面，水面湍流也表现出不同于固壁湍流的细节特征。与自由面湍流不同的是，在靠近剪切水气界面的流场中流向和垂向速度脉动同时受到抑制。     

概率密度函数湍流二阶矩封闭模式

Ｈａｗｏｒｔｈ和Ｐｏｐｅ＾〔１，２〕应用概率密度函数方法，通过描述流体粒子速度变化的一般方程建立了一个控制湍流运动的普化Ｌａｎｇｅｖｉｎ模式（ＧＬＭ）。本文对与这一模式相对应的二阶矩封闭模式进行了重新整理，揭示了该模式的非线性特性。ＧＬＭ同时被应用于强旋流诱导涡流场的计算，以检验其对复杂湍流场的再现能力，计算结果与实验、ｋ－ε模式和常用的基准二阶矩模式计算结果进行了比较。     

贴壁方柱湍流场TR—PIV实验研究

采用时变粒子图像速度场测试技术（TR—PIV）,对低速循环水槽中贴壁二维方柱绕流湍流场进行了细致的测量。通过对实验得到的30000个连续瞬态速度场进行分析,得到了时均速度场和流线图谱,以及流向、法向速度分量的脉动强度场和涡量场。此外,对脉动速度时序信号进行谱分析,得到了流场中低频大尺度相干结构脱落频率。通过对瞬态速度场的分析,揭示了贴壁方柱绕流的旋涡脱落及其发展过程。     

双油路离心喷嘴雾化油滴的平均和脉动速度场的实验

采用相位多普勒粒子分析仪对某型航空发动机双路离心喷嘴的雾化油滴的速度场进行了实验研究,得到了雾化油滴平均速度、脉动速度及湍流度的分布.实验结果表明:供油压力不变时,同一个测量横截面内,随着径向距离x的增加平均速度和脉动速度呈凸形分布而湍流度呈下凹形分布;随着测点与喷口之间轴向距离z的增加,主、副油路共同工作时油滴的平均速度减小而脉动速度和湍流度增大.随着供油压力增加,油滴平均速度增加而湍流度减小.     

可压缩混合层中的大尺度结构及其作用初探

利用粒子示踪图像流动显示技术和粒子图像测速技术(PIV技术)研究了对流马赫数Mc=0.38时可压缩混合层发展早期出现的大尺度结构的形状和特性,并将这些混合现象与湍流脉动场结合起来研究了这些大尺度结构对流动混合效率的作用.将粒子示踪图像和湍流脉动强度场对比以后发现:混合层流动中早期出现的大尺度结构沿着顺时针方向旋转着向前移动;该结构上的流体微元具有高涡量.由于该结构旋转和高涡量产生了较大的诱导速度,加上该结构的非定常性导致在这些大尺度结构频繁出现的区域具有很高的脉动强度,从而可能带来较高的混合效率.     

高对流Mach数三维混合层转捩特性分析及小激波结构模拟

采用空间大涡模拟方法对超/超混合、超/亚混合两类三维可压缩平面混合层转捩及其全湍流流场进行了研究,认为混合层动量厚度饱和点可作为流场转捩完成的标志.计算所得到的线性扰动波激励下流场转捩拟序结构与随机扰动下自然失稳结构以及文献结果进行了比对,其结果是一致的,表明了引入线性扰动激励来研究流场转捩结构是合理的.同时,本文还在较高对流Mach数流动下得到了三维流场动态小激波结构,其分布具有非对称特性,且形状与实验及直接数值模拟结果相似.不同条件混合层转捩计算表明:高对流Mach数下混合层转捩以Λ涡结构的形成和发展为主导机制,受扰动及对流条件的影响Λ涡结构不尽相同,某些情况下流场出现二维与三维涡结构共存现象.充分发展湍流区域,流场脉动速度分量量级相同,湍流压缩效应随着对流Mach数提高而明显增强.     

三维槽道湍流的大涡模拟

利用大涡模拟方法模拟了雷诺数为13000的充分发展槽道湍流流动。为了比较网格和亚格子模型对计算结果的影响,采用了三种不同的网格数目,以及Smagorinsky模型和动力模型等两种亚格子模型,并与直接数值模拟结果进行了比较。结果表明,大涡模拟可以比较准确地给出速度分布、脉动速度均方根分布等湍流统计参数。在此基础上,对近壁区小尺度湍流结构进行了研究。