关于混合气体输运系数计算方案的影响研究

为了研究混合气体分子输运系数的不同近似计算方案对边界层及射流剪切层流场计算的影响,以含双方程k-ωSST湍流模式的质量平均Navier-Stokes方程为控制方程,分别采用两种计算方案:公式计算混合气体导热系数、扩散系数的直接计算方案和由普朗特数和施密特数等关联混合气体导热系数、扩散系数的关联计算方案,对Burrow和Kurkov实验流场进行了数值模拟。结果表明:与采用直接计算方案相比,采用关联计算方案,流场数值模拟在获得相当的计算结果的同时,大大降低了计算量;抛开与控制方程的相容性问题,混合气体扩散系数各直接计算方案对流场参数计算影响不明显;在湍流计算时,边界层/剪切层区域的混合气体湍流输运系数大于分子输运系数,由此弱化了混合气体分子输运系数不同的近似计算方案对流场数值模拟的影响;相对输运系数近似计算方案,湍流可压缩修正模型对组分剖面的影响更为明显。计算表明,在边界层近壁流场、剪切层流场以及层流流场的精细化数值模拟中,混合气体分子输运系数的计算方案有重要的影响。     

湍流参数对含管式减涡器盘腔流动特性影响

通过计算卷吸流量对传统湍流参数定义进行修正,并验证了修正后的湍流参数对气流流动的控制情况。结果表明:修正后的湍流参数在不同的管氏减涡器进出口位置和入口预旋下均对盘腔内的气流流场和总压系数取得了很好的控制效果。气流总压系数和实际旋流系数均同时受修正湍流参数和入口旋流系数控制。此外,随同转速下的湍流参数增加,气流保持其径向内流状态的能力增强,需要管氏减涡器抑制其周向旋转的区域减少,使得总压系数最小的最优管氏减涡器长度减短。      

湍流模型对三维翼梢涡流场数值模拟的影响

 梢涡流场数值模拟对减少梢涡的不良影响意义深远。应用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法建立了三维翼梢涡流场数值模型,选用的湍流模型包括两种经典两方程模型和一种代数雷诺应力模型。计算内容包括翼梢涡流场速度分布、压力分布及涡核位置,为了准确模拟梢涡涡核内系统旋转和流线曲率影响,将旋转和曲率修正方法应用于选用的湍流模型中。计算时对翼梢涡涡核处网格进行了加密处理。将计算结果与实验结果对比后发现,修正后的湍流模型较标准湍流模型明显提高了预报精度,与实验结果吻合较好,具有工程应用价值。     

预旋进气的盘腔系统内流场的数值研究

用CFD软件(FLUENT6.0.12)对预旋进气的盘腔进行了数值模拟，计算中采用了多种湍流模型，包括Spalart—Allmaras单方程、K—epsilon和K-omega多种双方程模型，结果表明Spalart-Allmaras模型与结果符合得较好；通过计算研究了流场结构，流场主要由两个参数旋转比βp和湍流参数λT控制，λT主要决定源区的大小，计算结果验证了自由涡流的存在，并且盘腔压力分布的计算值与理论曲线符合得很好。     

气冷涡轮气热耦合数值模拟

应用有限差分方法进行气冷涡轮气热耦合计算,研究了影响气热耦合计算精度的几个因素,包括:流场壁面附近的计算网格、湍流转捩模型以及能量方程中普朗特数的计算等。为了能够应用高精度离散格式,并加快计算速度,采用了气热耦合动力学的微分方程与相应的差分格式,采用了结构化网格。数值计算结果与试验进行对比表明,在流场壁面附近应采用正交性好的网格,并在计算中考虑转捩的影响;而普朗特数的变化对本次计算的影响不大。     

高超声速进气道强制转捩流动的大涡模拟

吸气式高超声速飞行器常在进气道边界层内布置粗糙颗粒或涡流发生器强制流动转捩为湍流以确保发动机正常启动。为了清晰认识强制转捩过程,采用隐式大涡模拟方法,对强制转捩问题开展了数值模拟研究。针对钻石形和斜坡形涡流发生器,计算得到涡流发生器诱导的流动结构,显示出强制转捩流动由涡流发生器产生的反向旋转流向涡对主导。扰动沿流向增长和发展,导致流向涡对以偶模式或奇模式失稳,偶模式失稳产生对称形式的涡对破碎,而奇模式失稳则导致非对称（弯曲）形式的涡对破碎。流向涡对破碎后产生一系列发卡涡并最终促使边界层转捩为湍流。最后就计算网格和数值耗散对隐式大涡模拟结果的影响以及计算的收敛性进行了讨论。     

短舱涡流发生器流动控制机理初探

首先回顾了短舱涡流发生器在民机研制中的应用及发展历程,然后结合民用飞机研发实践,借助于CFD工具初步计算并着重分析了短舱涡流发生器的流动控制机理。结果分析表明合理设计的短舱涡流发生器能够产生能量较强的集中涡,在分离敏感的短舱后翼面区域产生下洗流场并为边界层注入能量,降低短舱后气流的当地有效迎角,延缓由于"挂架涡"提前破裂而导致的大面积分离,从而能够改善失速区形态。     

机械能方程的耗散积分解析表示式

发展了二维可压湍流边界层的耗散积分方法。采用两层涡粘性模型和速度剖面的指数律导出机械能方程的耗散积分解析表示式。它是局部摩阻系数、形状因子,Ma数和基于动量厚度的Re数的函数。该方法运算简捷,使用方便,大大简化了湍流边界层计算。和其他理论结果相比,本文结果更接近于实验数据。     

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。     

均匀湍流场下矩形断面流场及气动参数数值模拟

采用大涡模拟方法数值模拟了两种矩形断面(B/H=1,B/H=2)在不同湍流来流下的流场及气动参数,采用谐波合成方法生成与目标谱一致的脉动入口风速.数值计算结果表明来流湍流对断面的流场及气动参数有较明显的影响,通过与均匀来流的计算结果作对比可以看出,湍流导致断面的阻力系数减小明显,其主要原因为背压区负压系数的增加,与实验的结果较一致;从流场分布看湍流主要影响断面尾流涡的形成,这种影响会影响尾流涡的形成.     

基于高阶WENO格式的旋翼非定常涡流场数值模拟

为提高直升机旋翼黏性涡流场计算流体力学（CFD）的计算精度及降低数值耗散,发展了一套基于五阶加权本质无振荡（WENO）格式的旋翼非定常涡流场数值计算方法。采用运动嵌套网格方法生成围绕前飞状态旋翼的网格系统,以Navier-Stokes方程作为主控方程,湍流模型采用一方程Spalart-Allmaras模型。为了提高旋翼流场中对涡的形成、演化等发展过程的模拟精度,采用高间断分辨率的Roe-WENO格式计算对流通量。对状态变量的插值,选取适当的加权因子,通过多个重构模板的凸组合来构造五阶WENO格式,在交界面附近获得具有五阶精度的状态变量。为了提高计算效率,采用高效的隐式LU-SGS（Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel）推进方法和并行计算策略。最后,运用该方法分别对悬停状态下C-T（Caradonna-Tung）旋翼和UH-60A旋翼以及前飞状态下C-T旋翼和SA349/2旋翼的涡流场及气动特性进行了数值模拟,并将数值结果与传统二阶精度格式的计算值进行了对比。结果表明：在计算时间增长10%～20%的前提下,五阶WENO格式能够捕捉到更精确的涡流场特性,反映了五阶WENO格式在计算旋翼非定常涡流场时具有更高的计算精度与更低的数值耗散特性。     

超声速湍流边界层中横向声速喷流的混合LES/RANS模拟

通过对超声速湍流边界层中横向声速喷流的计算,对一种混合大涡/雷诺平均Navier-Stokes(LES/RANS)模拟方法进行了测试,该方法采用一个依赖于到壁面的距离及当地湍流参数的混合函数结合两方程k-ω SST(shear stress transport)湍流模型和混合尺度亚格子模型来封闭湍流项.计算结果表明:混合模拟方法能够捕捉到喷流/湍流边界层相互干扰的非定常大尺度结构,且对分离区长度、壁面静压峰值和膨胀区静压分布的计算精度要高于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方法.      

火焰增厚燃烧模型计算旋转预混火焰的参数敏感性分析

为了分析各种参数对火焰增厚(TF)模型的影响,并找出各个参数在火焰增厚模型中最佳的适用范围,采用该模型对PRECCINSTA燃烧器内的湍流预混旋转火焰进行了大涡模拟研究,并针对TF模型的主要影响因素:火焰厚度网格数、褶皱函数、动态增厚过程,开展了一系列的敏感性对比计算。研究表明:采用了动态增厚过程的TF计算结果与实验结果的吻合度有明显的提高;如果将层流火焰的厚度增加过大,达到10倍网格尺度,则会对正确预测湍流与火焰的相互作用带来较大困难,对于本文所研究的火焰,火焰厚度网格数的理想范围是2.5~5.0;采用固定指数的幂律褶皱函数相比于传统的Colin褶皱函数并没有明显的改善。     

几何微扰动对脱体涡非对称性影响的数值分析

利用拟压缩性方法，Ｂｅａｍ－Ｗａｒｍｉｎｇ近似因式分解格式数值求解三维定常不可压缩Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程采用Ｄｅｇａｎｉ－Ｓｃｈｉｆｆ修正的Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型，计算了绕尖头正切拱型旋成柱体的大迎角大雷诺数脱体涡流场，计算结果表明，在柱体头部施加微小的非对称几何扰动时，可以得到与实验相符的非对称脱体涡。     

风对建筑绕流流动的数值方法

本文利用k-ε湍流模型及SIMPLE方法,在二维条件下,就风对建筑绕流流动进行了数值模拟,建筑及地面的边界条件采用以低Re数k-ε湍流模型中导出的壁函数处理近壁湍流。自由边界采用外推格式。对于计算域中的建筑物则利用控制粘性系数的方法处理。并对计算结果和风洞实验进行了比较。 为了研究建筑物之间的气流及压力分布,本文还对并列两栋建筑的不同情况进行了数值计算和分析。     

室内气流分布的大涡模拟

准确地模拟室内气流分布对优化室内通风设计及预测舒适和健康的室内环境有着重要的意义，传统的空内气流分布的数值模拟大都采用к-ε两方程湍流模型，该方法求解出的是流动变量的平均值，无法给出流场结构的详细信息，体现不出湍流流动的瞬时性的特点。本文采用大涡模拟（LES）法求解室内气流分布，使HSMAS法保证计算的稳定性和收敛性。通过对室内等温贴附射流和非等温受限射流两种类型的射流作用下的室内气流分布计算，以及导入к-ε两方程湍流模型对计算结果进行比较与分析表明，大涡模拟求解室内气流分布是一种确定可行和有效的方法。     

湍流参数对复杂形状涡轮盘腔流场的数值研究

以罗罗公司未来某型双轴发动机的高压涡轮旋转盘腔为计算模型，目的是要对复杂的内部旋转空腔流场有一个详细的了解，通过CFD(FLUENT6．0．12)的研究为即将进行的放大比例的旋转涡轮盘腔试验提供指导。计算中采用了Spalart-Allmaras湍流模型，结果表明湍流参数相同的流动，其流体结构是非常相似的；流场主要由湍流参数λT决定涡旋的大小和数量；对于湍流参数小于0．199的旋转流动，盘腔内存在着自由涡流。     

旋转槽道湍流的格子Boltzmann方法模拟

基于多松弛格子Boltzmann方法的大涡模拟对雷诺数为194,旋转数从0~5.0的旋转槽道湍流进行数值模拟.采用动态亚格子应力模型模化滤波后的不封闭项,修正二阶矩作用力模型计算压力梯度、哥氏力.对平均速度、均方根脉动速度、雷诺应力以及湍流结构进行了计算.结果显示哥氏力使流场平均速度呈现不对称性:在压力面,随着旋转数的增加,湍流度增强;而在吸力面湍流脉动减弱,具有层流化的趋势.将格子Boltzmann模型与直接数值模拟求解进行对比,结果验证了格子Boltzmann方法在旋转湍流模拟中的可行性.      

圆管湍流的近壁涡结构

本文利用流动显示方法研究圆管湍流的近壁涡结构.采用激光诱导荧光技术显示流场,以每秒25帧的CCD摄象机记录近壁流动结构.通过图象时间序列计算纵向涡的平均间距和平均猝发周期.实验结果表明圆管湍流的近壁结构和平壁湍流结构类似,但是平均间距和猝发周期均大于平壁湍流的相应参数.本文还利用图象处理技术重构近壁涡的空间图象.     

DNS/LES方法在剪切湍流模拟中的应用

提出采用DNS/LES混合方法进行自由剪切类混合流动湍流研究,该方法兼顾了直接数值模拟(DNS)方法在转捩线性范围内的高精确度模拟和大涡模拟(LES)方法在转捩非线性及全湍流区的高效模拟两方面优点,通过对低对流Mach数流场计算表明该方法可以较好地模拟流场的转捩过程.同时,文中还对比实验分析了湍流场对光学传输效应的影响,给出了与实验一致的结论.