A Nonlinear Sub-grid Scale Model for Compressible Turbulent Flow

本文采用直接过滤的Navier-Stokes方程组作为可压缩湍流大涡模拟控制方程组。方程组中因过滤产生的高阶相关项用Taylor级数展开近似,但仅保留级数的一阶导数项。这样产生的误差相当于丢失了模型的部分耗散作用,本文用一种动力学非线性亚格子模型来补偿丢失的耗散影响。本文根据Caylay-Hamilton定理导出了一个非线性亚格子模型,模型中包含的系数由动力学模式确定。与传统的动力学Smagorinsky模式相比,这种动力学非线性模型(DNM)稳定性更好,且不需要在统计均匀方向进行统计平均来计算模型系数,因此减少了计算开销。本文用这种非线性亚格子模型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值、计算值及理论值进行了对比。结果表明,本文模型可以有效地模拟可压缩湍流流场。     

高超声速湍流高效模拟算法

采用了直接过滤的Navier-Stokes(N-S)方程组对高速可压缩湍流进行研究。针对高超声速湍流的非线性流动特性,对N-S方程直接过滤推导了大尺度湍流流场的控制方程,更精确地反映高速湍流的可压缩性,建立了可压缩湍流的大涡模拟TDM模型。使用传统的Smagorinsky模型的非线性推广,采用基于非Favre过滤的超声速可压缩湍流的大涡模拟模型,应用Caylay-Hamilton定理,建立可压缩湍流大涡模拟的非线性亚格子模型,并发展为动力学模式,模型中的两个常数通过当地流场动态的确定,消除了可调经验常数的影响。针对构造的高超声速湍流大涡模型开发相应的高效并行算法。     

基于Reynolds平均的高超声速二方程湍流模型

 在Reynolds平均的框架下推导了可压缩湍流Reynolds应力方程和湍动能方程。根据一定的假设和尺度分析简化并封闭了所推导的湍动能方程。在均匀湍流假设下,湍动能耗散率可分解成可压缩性耗散和旋度耗散,并对其中的可压缩性耗散进行了封闭;同时认为旋度耗散不受可压缩性影响,直接引用传统的Reynolds平均不可压缩湍动能耗散率模型方程。由此构造了适用于高马赫数的二方程可压缩湍流模型。应用所发展的模型计算了高超声速平板绕流,并与若干现有模型的计算、实验与半经验公式的计算结果进行了对比,验证了所发展的模型。在此基础上,通过对压缩拐角的高超声速湍流的数值模拟,对所发展的湍流模型,以及若干现有模型进行了对比,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,说明了湍流模型可压缩修正的必要性,得到了所发展模型的计算结果最接近实验结果的结论。     

运用GAO-YONG湍流模型对扩压器内跨声速流动的数值模拟

运用GAO-YONG可压缩湍流方程组,采用同位网格SIMPLE算法,对扩压器跨声速流动中的二维激波/湍流边界层干扰现象进行了数值模拟。将计算得到的流场的时均参数与实验值进行比较,数值模拟结果在激波强度、壁面压力分布以及分离点和再附点位置等方面,与实验值吻合较好,表明GAO-YONG可压缩湍流方程组能够比较准确的模拟较强激波/湍流边界层干扰流动,从而进一步为GAO-YONG湍流模型的正确性及其在可压缩流场模拟方面的适用性提供了佐证。     

叶轮机转子内流动的三维跨声速Navier-Stokes方程组数值计算及试验验证

应用有限体积法及Baldwin-Lomax代数湍流模型求解叶轮机转子内流动的三维可压缩非定常薄层Navier-Stokes方程组,计算一个绕X轴等转速旋转的转子内流场问题,用当地时间步长方法来加速收敛.采用隐式算法对对流通量进行求解,而耗散通量采用显式算法.采用高阶TVD下的Roe格式计算对流通量,采用中心差分格式计算耗散通量.关于守恒变量Q的非线性方程组,采用牛顿迭代方法求解,线化后的方程用对称的Gauss-Seidle方法求其渐近解.应用该算法模拟了转子Rotor67流场,与试验做了大量的对比研究,包括性能、等马赫线以及总压和总温等.在最高效率点附近计算与试验比较接近,但在靠近失速点时计算与试验有较大的差别.     

三维机翼可压缩层湍流边界层计算

 从三维时间相依可压缩边界层动量积分方程和平均流动能积分方程出发,将二维可压缩层、湍流边界层积分方程算法推广到求解有限翼展后掠机翼的边界层流动。利用四步Runge-Kutta时间步进方案数值求解积分方程组,并利用当地时间步长加速迭代收敛。文中分析了数值方法的稳定性与收敛性,并考查了横向耗散项对计算结果的影响。算例表明,能获得令人满意的三维机翼定常可压缩层、湍流边界层的计算结果。     

使用GAO—YONG湍流模型数值研究管道凸起流动

用GAO—YONG可压缩湍流方程数值模拟了Delery管道凸起跨音流场中的激波湍流边界层干扰现象。分析了GAO-YONG可压缩湍流方程组对湍流的非平衡、多尺度、各向异性等特性的描述能力。计算中对流项、扩散项分别采用二阶ROE格式和二阶中心差分格式离散,并用多步Runge-Kutta显式时间推进法求解了空间离散后的控制方程。计算很好地模拟到了压力平台区、“入”波结构等典型激波湍流边界层干扰的流动现象,也得到了壁面压力分布、平均速度剖面以及雷诺应力分布等,并与相应的实验数据进行了对比分析,两者符合很好。     

求解可压缩流动的低耗散E-CUSP迎风格式性能分析

采用对比分析的方法,对求解可压缩流动的低耗散E-CUSP(LDE)迎风格式的性能进行测评,目的是进一步更好地将其用于分离涡数值模拟。对比格式采用广泛使用的Roe格式。控制方程为Euler和雷诺平均Navier-Stokes方程耦合Spalart-Allmaras一方程湍流模型,采用全隐式无分裂Gauss-Seidel线松驰时间推进方法。结果表明,LDE格式具有强的捕捉激波能力,计算结果与Roe格式一致,和实验数据吻合良好。相对于Roe格式,LDE格式具有较快的收敛速度。     

简化三方程转捩模型在高超声速流动中的应用

在雷诺平均方法的基础上,通过耦合k_(-ω)SST湍流模型和间歇因子转捩模型,引入湍流模型和转捩模型的可压缩修正方法,对高超声速平板、双楔、尖锥三类模型边界层转捩流动开展了数值模拟研究。与实验结果的对比分析表明基于压力梯度表征参数T_w=R_(TΩ/ω)的简化三方程转捩模型,能够准确捕捉高超声速平板边界层流动的转捩起始位置、转捩区域长度以及湍流区壁面热流。而对于双楔、尖锥模型,改进前的简化三方程转捩模型由于受到流动可压缩效应的影响,边界层转捩后湍流区的壁面热流模拟预测结果明显高于实验值。在添加模型可压缩修正方法后,转捩区域长度和湍流区壁面热流模拟结果得到有效改善,与实验值吻合较好。可见,简化三方程转捩模型在添加可压缩修正方法后具备准确模拟预测高超声速边界层流动转捩的潜力。     

用双流体模型模拟超声速气固两相流动

采用了双流体模型对JPL(Jet Propulsion Laboratory)喷管中气固两相流动以及超声速射流两相流动进行了数值模拟,并研究了可压缩两相流动中气相与颗粒的相互作用规律.自主开发的一般曲线坐标系下二维轴对称可压缩双流体程序Solve2D,对气相求解Navier-Stokes(N-S)方程组,采用k-ε湍流模型,颗粒相求解Euler方程组.对JPL喷管内的两相流场和湍流两相射流流场进行了数值模拟,研究了不同颗粒质量百分数以及不同颗粒直径时的气固两相流场的流动规律.      

等离子发生器燃烧流场数值模拟

采用漩涡破碎（EBU）燃烧模型、k-ε双方程湍流模型及SIMPLEC算法,对等离子发生器内部的燃烧流场进行了数值模拟,得到了关于等离子燃烧流场相关特性参数分布。该数值模拟对等离子发生器的研究具有指导作用。     

湍流的耗散及弥散相互作用理论

 湍流具有涡团散裂、耗散和弥散的特性。根据Prigogine倡导的耗散结构理论,推导了表征耗散与弥散相互作用的新的湍流控制方程组。其特点是:用稳定性分析得到湍流动能产生项,再根据广义熵增原理推出并列存在的,分别适用于强弱涡量的二个湍流动量方程。运用该理论已成功地计算了一些典型的湍流问题:湍流边界层中的马蹄涡拟序结构、钝体涡尾区的湍流能量逆转、湍流涡团散裂弛豫及各向异性分布。文中给出了部分算例。     

复杂建筑物对近场扩散影响的数值与风洞模拟的比较分析

采用CFD数值模拟技术与风洞试验相结合的手段模拟了复杂建筑物群对周围流动与污染物扩散的影响。CFD技术采用k-ε（RNG）湍流模型模拟了建筑物群对流动与扩散的影响,风洞试验通过采用多种探测手段,分析建筑物群周围的流动和弥散,并将统计学方法应用于风洞试验结果,验证了CFD数值模拟结果的合理性。研究结果表明,CFD技术能较好地模拟建筑物群对污染物弥散的影响,并与风洞试验吻合,有、无建筑物B的情况下,吻合因子FAC2与FAC5均大于50％,归一化均方误差（NMSE）均小于4,部分偏差（｜FB｜）均小于0．3;建筑物对污染物弥散的影响非常复杂,建筑物尾流对污染物浓度分布影响较为显著,建筑物后方空腔区污染物的数值模拟结果略高于风洞试验结果。综合分析表明,风洞试验与数值模拟相结合的方法是研究这类微小尺度湍流扩散问题的有效手段。     

带隔热屏加力燃烧室热态流场计算

在任意曲线坐标系下对带有横向波纹隔热屏、外冷却通道和尾喷口的涡喷加力燃烧室的三维热态流场进行数值模拟.利用椭圆型微分方程和区域法生成三维贴体网格, k-ε模型预估紊流特性, EBU-Arre-henius紊流燃烧模型估算化学反应速率, 六通量模型预估辐射通量以考虑其对壁面和气流温度的影响.在非交错网格系统下应用混合差分格式离散控制方程, SIMPLE算法求解离散方程, 数值分析两种进口气流参数分布对加力室热态流场和壁温分布的影响.所得计算值与试验数据基本相符, 表明计算方法合理.      

三维机翼的静气动弹性特性数值模拟研究

发展了一种计算流体动力学（CFD）和计算结构动力学（CSD）的耦合计算方法,对三维机翼的静气动弹性进行了数值模拟研究。采用三维欧拉方程为控制方程基于直角网格计算气动力,并耦合结构静平衡方程进行静气动弹性数值模拟,设计了CFD/CSD耦合计算的数据交换的方式。以M6机翼作为算例,进行了机翼静气动弹性的数值模拟,计算结果表明所发展的三维机翼静气动弹性数值模拟方法是合理可行的,并可作为机翼结构优化设计和考虑结构弹性变形影响的气动外形优化设计的基础。     

某微型发动机离心甩油燃烧室建模及数值模拟

对某微型发动机离心甩油燃烧室进行了三维建模及数值模拟。湍流模型采用旋流修正的Realizable k-ε双方程模型,化学反应及组分浓度采用简化的概率密度函数模型,液相采用离散相模型;计算得出了组分、压力、温度的分布特性,分析计算结果可知,该燃烧室的外壁面冷却考虑较少,同时其出口温度不均匀系数较大;提出了掺混孔改进方案,数值模拟结果表明,改进后的燃烧室出口温度分布得到明显改善。     

分析实体-壳体组合结构及抗拉压平板-平面梁组合结构的一类过渡元素

本文建立了一类过渡元素,它与同阶次标准等参数实体（或平面）元素及超参数壳体（或平面梁）元素配合协调,可用来处理实体-壳体及抗拉压平板-平面梁这样的非标准交接组合结构。叙述了建立这类过渡元素的一般方式。给出了2次过渡元素的公式系统。数值计算结果表明,这类过渡元素是十分有效的。     

突扩管中受限射流的计算方法研究

突扩型燃烧室的结构简单可靠,近年来已引起广泛注意。为了计算时均流场和湍动流场,必须考虑迴流区及附面层全方位的压力梯度,给计算方法带来困难。 本文由时均的N—S方程和—ε湍流模型出发,将Patankar解耦技术推广到可压缩流,采用牛顿迭代法和稀疏矩阵技术,由连续和动量方程直接求解压力和速度场,继而获得温