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。     

Numerical simulation of hypersonic thermochemical nonequilibrium flows using nonlinear coupled constitutive relations

To predict aeroheating performance of hypersonic vehicles accurately in thermochemical nonequilibrium flows accompanied by rarefaction effect, a Nonlinear Coupled Constitutive Relations (NCCR) model coupled with Gupta’s chemical models and Park’s two-temperature model is firstly proposed in this paper. Three typical cases are intensively investigated for further validation, including hypersonic flows over a two-dimensional cylinder, a RAM-C II flight vehicle and a type HTV-2 flight vehicle. The results predicted by NCCR solution, such as heat flux coefficient and electron number densities, are in better agreement with those of direct simulation Monte Carlo or flight data than Navier-Stokes equations, especially in the extremely nonequilibrium regions, which indicates the potential of the newly-developed solution to capture both thermochemical and rarefied nonequilibrium effects. The comparisons between the present solver and NCCR model without a two-temperature model are also conducted to demonstrate the significance of vibrational energy source term in the accurate simulation of high-Mach flows.     

Recent Evidence for Convection in Sunspot Penumbrae

Whereas penumbral models during the last 15 years have been successful in explaining Evershed flows and magnetic field inclination variations in terms of flux tubes, the lack of contact between these models and a convective process needed to explain the penumbral radiative heat flux has been disturbing. We report on recent observational and theoretical evidence that challenge flux tube interpretations and conclude that the origin of penumbral filamentary structure is overturning convection.     

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。     

对流传热场协同原理在高速可压缩边界层流动中的推广

应用理论分析方法对适用于不可压缩层流与湍流流动的对流传热场协同原理进行了可压缩层流与湍流流动上的推广。分析结果表明,与不可压缩流动的对流传热场协同原理不同,可压缩层流与湍流的对流传热取决于流动当地单位体积的动量与总焓梯度的协同。用当地单位体积的动量与总焓梯度的协同研究可压缩流动的壁面传热问题,对层流热流,不但计及了高速流动的密度变化对热流的作用,而且包括了静焓梯度、压力梯度、壁面分子黏性剪切效应对热流的影响;对湍流问题,除了高速流动的密度变化、压力梯度、壁面分子黏性剪切效应对热流的影响外,还计及了雷诺剪切应力对热流的作用。另外,对黏性影响不能忽略的不可压缩流动的对流传热问题,用速度向量与总温（总焓）梯度协同更精确。     

模型燃烧室紊流燃烧的大涡模拟

采用了两种不同的亚网格尺度燃烧模型对带 V型稳定器的模型燃烧室紊流化学反应流动进行了大涡模拟 ,用 k-ε方程亚网格尺度模型确定亚网格紊流粘性 ,为了考虑热辐射对燃烧室壁温和气流温度的影响 ,运用热流法辐射模型估算热辐射通量 ,用 SIMPLE算法和混合差分求解大涡模拟各守恒方程 ,通过对两种不同亚网格尺度燃烧模型数值模拟结果与实验值的比较表明 ,两种燃烧模型都与实验值较吻合 ,但 G方程小火焰模型要比亚网格 EBU燃烧模型符合得更好些      

Numerical Simulation of High-Speed Flows Using the Algebraic Reynolds Stress Model

A turbulence model for high-speed compressible flows is developed. It is based on modeling the rapid and slow parts of pressure-strain correlation depending on gradient Mach number and on the assumption that the velocity fluctuations normal to streamlines play a key role in turbulent mixing process. It is shown that an increase in the flow velocity leads to a slowing of turbulent mixing and an increase in the anisotropy of the flow. Comparison of the calculation results with the available experimental data showed good agreement.     

高超声速飞行器-进气道一体化热流数值计算

采用CFD(计算流体动力学)技术, 开展了飞行器前体/发动机一体化气动热环境分析.对层流区、转捩区和湍流区分别采用计算模型, 在湍流区利用压缩性修正的SSGZ-Jk-ε湍流模型, 在转捩区引入代数型转捩因子模型描述边界层由层流逐渐过渡为完全湍流的流动过程.计算了前体和内通道的表面热流, 并与实验结果进行了对比.结果表明所采用的计算方法可以较好地预测前体及发动机内通道热流率, 流动状态、几何结构及激波入射对热流值影响较大.      

数值模拟纵向隔热屏加力室热态流场

数值研究纵向隔热屏加力燃烧室的在三维贴体坐标系下燃烧整体流场,所用的数学模型有:k-ε模型、EBU-Arrehenius和二阶矩紊流燃烧模型及六通量模型等.数值分析两种不同几何形状、进口气流参数分布及紊流燃烧模型等对加力室内各气流参数、隔热屏和加力室筒体壁面温度分布的影响,计算结果与试验数据比较表明:不同几何形状对加力室紊流燃烧流场的影响要比进口气流参数分布大些,二阶矩模型更适用模拟紊流燃烧流动.      

多尺度湍流模式在压缩拐角绕流中的应用

 应用4 个多尺度涡粘性湍流模式对一个二维压缩拐角流动进行了数值模拟,通过与实验结果以及两个基准模式(一个单尺度k-ε两方程模式和一个零方程模式) 的计算结果的比较,结合压缩性对湍能输运的作用、湍流的非平衡性对多尺度湍流模式在拐角非平衡湍流中的应用进行了评估。     

SST湍流模型在高超声速绕流中的改进

为模拟高超声速湍流问题,对剪切应力输运(SST)湍流模型系数进行了修正。数值格式采用改进的总变差递减(TVD)格式,并对湍流模型的负值强制项进行了隐式处理。在此基础上计算了绕平板以及具有分离、再附、激波/边界层干扰等复杂流动结构的压缩拐角的高超声速流动。计算结果与试验数据及半经验公式的对比表明:SST湍流模型引入的雷诺剪切应力与湍动能之比为常数(Bradshaw数)在高超声速绕流中并不成立。Bradshaw数修正后的SST湍流模型与原模型相比,所计算的壁面压力、摩擦阻力和壁面热流分布更接近试验结果。     

NUMERICAL STUDY OF TURBULENT SWIRLING FLOW IN COMBUSTOR

ＮＵＭＥＲＩＣＡＬＳＴＵＤＹＯＦＴＵＲＢＵＬＥＮＴＳＷＩＲＬＩＮＧＦＬＯＷＩＮＣＯＭＢＵＳＴＯＲＦｕＳｏｎｇ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ，１０００...     

跨声速和超声速流中激波/边界层干扰数值模拟

对SST湍流模型中的Bradshaw常数a1进行了修正,并对跨声速和超声速流中激波/边界层干扰进行了数值模拟研究,空间离散采用二阶精度差值的低耗散通量分裂格式(LDFSS),时间离散采用对称高斯-赛德尔(SGS)算法。结果表明:在跨声速流动中,计算得到的壁面压力分布、分离区长度和速度剖面都与实验值吻合较好,而且很好地模拟了典型的λ激波结构;在超声速流动中,修正后模型的计算精度较原始模型有了较大改善,计算得到壁面压力分布和分离点的位置都和实验值吻合较好。     

不可压缩湍流的多尺度模型

基于可变时间间隔平均方法,提出了一种不可压缩湍流多尺度模型及平均流动方程.与传统的单尺度湍流模型不同,该模型在建立的过程中,保留了湍流的多尺度特性,结合平均流动方程,可以更好地预测湍流流场特征.通过模拟平面后台阶流动和不对称平板扩压器流动,并将预测结果与标准k-ε模型的预测结果对比,初步验证了其可信性及优越性.结果表明:计算所得的平面后台阶流动的流向再附长度与台阶边压力系数比比标准k-ε模型提高精度约20%;平板扩压器流动的回流区位置误差约为7%、倾斜壁面摩擦因数误差约为5%,而标准k-ε模型未能预测出分离现象.可以看出该模型适用于典型的分离流动,在湍流流场的预测中表现优异,具有一定的工程应用价值      

NPLS技术及其在高速飞行器气动研究中的应用

近年来,与高速飞行器相关的超声速/高超声速流动受到了极大关注。这类流动所具有的非定常性、强梯度和可压缩性对试验研究提出了挑战。纳米示踪的平面激光散射技术（NPLS）是2005年由作者所在的研究团队研发的非接触光学测试技术。它能够获得超声速三维流场的某个剖面的瞬态流动结构,并且具有较高的时空分辨率。目前,许多研究结果表明NPLS是研究超声速湍流的一项非常有效的技术。近年来,作者应用 NPLS 技术在超声速湍流研究中取得了较大的进展,并且基于NPLS开发了其它几种技术,比如基于 NPLS 的密度场测量技术（NPLS-DT）,能够获得超声速流动的密度场信息并还能进一步得到雷诺应力分布。本文介绍了NPLS技术并回顾了其在超声速边界层、激波/边界层相互作用等流动中的应用。由于能够获得雷诺压力和湍动能等统计量, NPLS技术有望在发展可压缩湍流模型的研究中发挥作用。     

发动机舱油雾着火及火蔓延特性的数值模拟

为研究发动机舱内典型火灾规律，采用大涡模拟技术，针对某型发动机核心机舱建立了油雾火的火灾模型，研究舱内着火及火蔓延规律，分析不同泄漏位置及泄漏孔朝向对火焰传播及温度、热流分布的影响。结果表明：在舱内的通风热环境下，油雾泄漏会被引燃并稳定燃烧，中间有一定的潜伏期，火灾强度较大，破坏性严重；油雾火灾是典型的由通风控制的不充分燃烧过程，呈现一定的蔓延规律，火焰中心位于高速回流区，向引气口及尾部排气方向快速蔓延；不同泄漏位置及泄漏孔朝向对火灾的蔓延形态、温度及热流的分布有一定影响，其中泄漏位置对温度热流峰值影响较大，泄漏孔朝向对温度热流的分布影响较大。     

DCR进气分流与掺混流场的数值模拟

采用矢通量分裂法求解2D-Euler方程组, 对亚燃/超燃双重燃烧冲压发动机(DCR)进气分流流场及其双重燃烧的冷态掺混流场进行了数值模拟。计算结果给出了全流场清晰的激波结构, 并提供了超燃室中两股高速气流掺混的物理图像。本文的数值结果对于亚燃/超燃双重燃烧室的点火燃烧研究提供了一些有用的信息。      

A new simpler rotation/curvature correction method for Spalart-Allmaras turbulence model

 A new and much simpler rotation and curvature effects factor, which takes the form of Richardson number suggested by Hellsten originally for SST k-x model, is presented for Spalart and Shur's rotation and curvature correction in the context of Spalart-Allmaras (SA) turbulence model. The new factor excludes the Lagrangian derivative of the strain rate tensor that exists in the SARC model, resulting in a simple, efficient and easy-to-implement approach for SA turbulence model (denoted as SARCM) to account for the effects of system rotation and curvature, techniquely. And then the SARCM is tested through turbulent curved wall flows: one is the flow over a zeropressure- gradient curved wall and the other is the channel flow in a duct with a U-turn. Predictions of the SARCM model are compared with experimental data and with the results obtained using original SA and SARC models. The numerical results show that SARCM can predict the rotation-curvature effects as accurately as SARC, but considerably more efficiently. Additionally, the accuracy of SARCM might strongly depend on the rotation-curvature model constants. Suggesting values for those constants are given, after some trials and errors.     

燃烧室中湍流涡旋流动的数值模拟

ＡＳＭ也进行了研究。研究的流场包括有约束的和自由的强涡旋流动。研究结果表明,二阶矩封闭模式在计算强涡旋湍流流动中很有效,代数模式则不能令人满意。计算结果可供燃烧室设计参考。     

不可压缩湍流的色散模型

分析了广泛存在于湍流运动中的能量逆转现象,揭示了其产生的原因,提出了湍流的色散性质.在此基础上,修改了Boussinesq假设,建立了包含色散效应的新的雷诺应力封闭式和湍流色散系数,给出与不同模型相结合时,湍流色散系数所具有的不同形式,并阐述了湍流运动中能量的传递方向及条件.采用不可压缩平板边界层流动和平面后台阶流动验证了其可信性和优越性.平板摩擦阻力系数及边界层速度型与实验结果吻合良好,平面后台阶流动的流向再附长度、台阶边压力系数及湍流强度等参数均比标准k-ε模型更接近实验结果.结果表明:色散项的加入可以在不显著增加计算量的同时显著改善预测精度,模型具有一定的工程应用价值.