超声速气流中液滴破碎的大涡模拟

为了研究超声速气流中的液滴破碎过程,采用基于CLSVOF界面追踪方法的大涡模拟方法。该方法中用可压流和不可压流求解器分别计算超声速气流流场和液体流场,并且在分别计算气相或液相时,另一相作为该相计算时的边界条件参与计算,从而实现可压流求解器和不可压求解的融合。通过去散度化液体速度外推解决界面处大液气密度比所带来的动量误差大的问题。利用该方法对来流Ma=1.358的超声速气流中的水滴破碎进行了数值模拟。模拟结果展示了超声速气流中液滴破碎的几何结构变化细节和基本破碎形态,且与实验吻合较好。数值模拟结果揭示了Rayleigh-Taylor不稳定和气动剪切力对液滴破碎的作用过程。破碎过程中,液滴在垂直来流方向上的最大无量纲宽度(Dmax/D0)约为4.5,无量纲破碎时间(tbU∞/D0)约为29.85。     

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。     

高温高压超音速气液两相流场数值模拟

采用欧拉-拉格朗日方法对燃气-蒸汽发射动力装置内高温高压超音速燃气中的横向喷雾的气液两相流进行了数值模拟研究,气相采用RK-AUSM+格式求解N-S方程,液相应用颗粒轨道模型,两相之间的耦合通过在气相各守恒方程中添加源项来实现。针对不同的喷水孔径、喷水压差以及水汽质量比进行了数值模拟计算,分析了各种条件下的液滴蒸发情况以及对气相流场和能量输出的影响,为燃气-蒸汽发射动力装置的设计优化和能量调节技术提供了理论依据     

大涡模拟模型燃烧室燃烧性能计算

对带双级扩压器的模型燃烧室气液两相瞬态喷雾燃烧过程,在三维贴体坐标系下采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法进行数值研究,同时采用多维经验分析法预估燃烧性能.采用 k 方程亚网格尺度模型模拟亚网格湍流黏性;亚网格EBU(eddy-break-up)燃烧模型预估化学反应速率;多维经验分析法计算燃烧性能;并在非交错网格体系下气相采用SIMPLE(semi-implicit method for pressure-linked equations)算法对控制方程进行求解,液相采用随机离散模型,两相之间的耦合采用PSIC(particle-source-in-cell)算法.通过大涡模拟瞬态及时均计算结果表明:与粒子图像测速仪(PIV)测量的瞬态速度场、出口温度分布试验数据吻合,表明在三维贴体坐标系下采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法,数值模拟模型燃烧室两相喷雾燃烧流场,所采用的亚网格模型可以用于燃烧室气液两相喷雾燃烧流场的大涡模拟;燃烧性能计算结果与试验测量结果基本一致,说明所采用多维经验分析法可以用来数值模拟航空发动机燃烧室燃烧性能的计算,特别是污染物的预估,为设计低污染高性能航空发动机燃烧室提供有用的设计依据.      

水下爆轰燃气泡形态与激波传播过程研究

针对脉冲爆轰发动机在水下工作过程中形成的燃气射流问题,搭建了水下爆轰燃气实验系统,研究了第一个爆轰循环中燃气泡发展变化过程.建立了基于气液两相双流体模型的脉冲爆轰发动机水下喷射模型,采用时-空守恒元和求解元方法,模拟了爆轰波与水相互作用形成的激波的传播及衰减过程.研究结果表明:燃气射流冲击水面时,燃气泡形态在膨胀阶段受...     

气液同轴离心式喷嘴喷雾流场数值模拟

采用计算流体动力学（ＣＦＤ）方法对气液同轴离心式喷嘴冷态液雾两相流场进行了数值模拟，并且与试验结果进行了比较。为了比较，计算中采用的入口边界条件和液滴质量平均直径（ＭＭＤ）及其分布规律都是由试验确定的。研究了气液喷注压降对喷雾流动过程和流强分布的影响规律。结果表明，数值模型和计算程序能较好地模拟气液同轴离心式喷嘴两相喷雾流动过程，喷雾的存在对流场流型有很大的影响。     

关于变形网格“几何守恒律”概念的讨论

在国内外文献中应用包含有变形的动网格进行流动数值模拟时,要满足所谓的几何守恒律条件;通过对这一概念最早提出推导过程和近年来应用发展情况分析以后发现,逻辑上存在不适当之处.从流体力学基本理论出发,对包含有变形的动网格技术的理论基础进行讨论,证实几何守恒律是流体力学控制方程的伴随方程或退化方程;通过简单模型分析有限体积方法离散过程,发现计算过程中不满足几何守恒律所引起的非物理现象本质上是目前有限体积离散处理中微元体积计算方法不符合物理定律所致;因此在变形动网格计算方法中不存在必须要满足的几何守恒律.最后根据理论提出物理背景清晰的微元体积计算方法,数值验证可行.     

环形燃烧室两相喷雾燃烧的大涡模拟

在三维任意曲线坐标系下采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法对环形燃烧室火焰筒气液两相紊流瞬态反应流进行数值模拟.采用椭圆偏微分方程生成三维贴体网格,计算中所采用的数学度模型有:k方程亚网格尺度模型估算亚网格紊流粘性;亚网格EBU燃烧模型估算化学反应速率;热通量辐射模型估算辐射换热.并在非交错网格体系下气相采用SIMPLE算法和混合差分格式求解,液相采用随机离散模型(Stachasttc Separated Flow,简称SSF),在拉格朗日坐标系下追踪各油珠群沿各自轨道运动、质量损失及能量变化.通过计算结果与实验数据相比较,表明在三维贴体坐标系下对燃烧室火焰筒两相紊流油雾燃烧流场进行大涡模拟,采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法能反映两相紊流化学反应流流动及实际燃烧过程.     

模型燃烧室两相燃烧大涡模拟的并行计算

在三维任意曲线坐标系下采用欧拉-拉格朗日两相大涡模拟方法对模型燃烧室气液两相瞬态喷雾燃烧过程进行大涡模拟并行计算研究。通过大涡模拟计算结果与雷诺平均计算结果对比表明大涡模拟方法能更好的模拟流场细观结构。同时分别采用多个处理器和动态内存分配对大涡模拟并行计算程序进行数值模拟,并行计算结果表明:多个处理器之间并行计算结果与PIV测量的瞬态速度场以及出口温度分布实验数据相互吻合,表明采用并行计算和动态内存分配在保证计算结果正确的前提下,大幅度降低计算机内存和大涡模拟计算时间。     

回流燃烧室燃烧过程的三维数值模拟

在三维任意曲线坐标系下数值模拟回流燃烧室火焰筒内两相燃烧过程,采用RNG k-ε模型模拟紊流粘性,EBU-Arrhenius模型模拟燃烧反应速率、离散坐标模型以及六通量模型考虑辐射传热,液相采用颗粒轨道模型,气相采用SIMPLE算法求解,并用PSIC算法考虑气液两相之间的相互作用的影响,计算得到燃烧室内速度、温度等各气流参数分布.通过将计算与实验结果对比表明,计算方法可靠,离散坐标模型优于六通量辐射模型,更适用于模拟火焰筒内两相燃烧流场.      

注塑模熔体非牛顿流动的数值模拟

研究注塑模流动的数值模拟。用有限元-有限差分方法模拟非牛顿流体的压力场和温度场,用流体网格法（FAN）模拟熔体锋面的推进过程,这种方法具有通用性好和容易实现自动推进的优点。在486微机上对几个算例进行了模拟计算。比较了牛顿和非牛顿流体的流动特点和锋面推进自动处理的效果,得到了满意的结果。     

离心式喷嘴充填过程内部流动特性仿真

基于两相界面追踪方法VOF(volume of fluid)模拟了离心式喷嘴充填过程中的内部流动特性。研究了气液界面随时间的变化过程,发现了充填过程中气核收缩和旋转液膜的现象;通过提取气相体积分数等值线的方法计算了充填过程中喷嘴出口液膜厚度和喷雾锥角的变化。结果发现:液膜厚度随出口流量的增大而增大,出口喷雾锥角随出口流量的增大而减小;描述了喷嘴旋流室内的回流现象,分析了充填完成后的压力场和速度场分布,发现在压降和气液作用的共同影响下,中心气核轴向速度沿轴向先增后减。      

基于VOF方法模拟离心式喷嘴内部流动过程

基于两相界面追踪方法VOF(volume of fluid)模拟了离心式喷嘴内部的流动过程,得到了液相填充喷嘴内部的过程,初始时刻,气液界面出现褶皱,随着进入液体的增多,褶皱逐渐消失;着重分析了喷嘴各个部位速度、压力分布,由于气液两相的存在,喷嘴内部流场变得异常复杂,流场分布不能用单相流的模式分析,总压损失大部分存在于喷嘴收缩段以及直管段,增大收缩段锥角、减小收缩段长度有利于减小总压损失;在喷嘴出口处设置一定扩张角,能够增加液相速度,减小液膜厚度,有利于雾化.      

凝固过程液相区内晶体形成的模拟研究

通过NH_4C1水溶液二维凝固过程的模拟实验,研究了凝固过程中液相区内的晶体形成条件。结果表明,随凝固条件和时间的不同,型壁上晶体的游离、表面凝固产生“晶雨”及枝晶熔断均可在液相区形成晶体。     

幂律流体液膜破裂的线性稳定性分析

为对凝胶推进剂撞击式喷嘴产生的液膜的破裂行为进行研究,使用线性稳定性分析方法并结合幂定律本构方程对幂律流体液膜的稳定性进行了研究,并对流体物性参数、流变参数等对液膜流动稳定性的影响规律进行了分析.结果发现:稠度系数、流动指数和表面张力越大,液膜表面扰动波的增长率越小,波长越大.而较高的液膜速度、气液密度比和液膜厚度都使扰动波增长率变大,但波长随液膜速度和气液密度比的增大而减小,而液膜厚度的情况却相反.理论计算与实验值的对比表明,线性稳定性分析能较准确地预测液膜的破碎长度,但预测的表面波长却大于实验值.      

固体火箭发动机液体喷射熄火过程中喷射液体的射流速度和液滴运动与蒸发

针对在固体火箭发动机液体喷射熄火研究中所用液体喷射实验装置,推导了液体射流速度,液滴运动与蒸发的控制方程组,并进行丁数值求解,研究了影响射流速度、液滴尺寸及其蒸发速率的因素。结果表明:液滴的初始速度和直径主要受喷射压降、液体表面张力和粘度的影响;影响液滴运动速度的因素有环境压强和温度;环境温度和液体的汽化潜热对液滴的蒸发速率有着重要的影响。上述结果对于合理设计满足固体火箭发动机熄火要求的液体喷射装置,选择合适的液体介质具有一定的指导意义。     

气液喷流与超声速凹腔流场的相互作用

为了解凹腔火焰稳定器的工作过程,通过试验和数值仿真手段,对超声速条件下凹腔的流动特性进行了深入细致的研究,探讨了气/液喷流与超声速凹腔流动的相互作用机理。研究结果表明,无喷流时超声速凹腔流场具有五个典型的特征;引入喷流会引入新的流场特征,同时流场结构会发生机理性的变化;气/液喷流对凹腔整体流动特征的影响是一致的;有气体喷流时,不同压降下凹腔流场结构是类似的;而对液体喷流而言,提高喷注压降会增加雾化距离、射流穿透度、喷流厚度,提高来流速度则会使其减小。     

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。     

飞机螺桨声场的数值模拟方法

本文给出了预测飞机螺桨在自由空间内幅射的气动声场的一种数值方法。即时域内进行延迟时间积分的一类方法。在该方法中使用片条假设,并考虑厚度声源和负荷声源项作为非紧致声源。计算与实验结果对比表明,该方法和相应软件可作为一种工程手段来使用。      

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.