反映流动曲率影响的非线性湍流模式

本文从一般曲线坐标系下的雷诺应力模式出发，在雷诺应力模式向代数应力模式简化过程中，保留工率项对雷诺应力输运的影响，得到了曲率修正的代数应力模式和非线性κ-ε模式。并且该模式对一典型曲率流动－－U型管道内的湍流流动进行了数值模拟与分析。计算结果显示,率修正的代数应力模式较好地模拟出了凸曲率地雷诺剪切应力的阻滞作用和凹曲率对剪切应力的增强作用，捕捉到了曲率流动的主要特征，是对雷诺应力模式的一个合理而有效的简化。     

三维边界层的湍流特性及其二阶矩模拟

根据现有实验数据,本文进一步分析了三维边界层内纵向涡对雷诺应力分布的影响,从而建立了一个足以模拟三维边界层湍流特性的二阶矩封闭模式。在新模式中,着重考虑了三维平均涡场引起的雷诺应力输运的非线性作用。以文[3]给出的模拟无限后掠翼实验为例,本文分别应用基准的二阶矩模式和新建立的非线性二阶矩模式对三维边界层内的雷诺应力分布作了数值预计。结果表明:应用基准二阶矩模式所得雷诺应力诸分量的预计值均比相应的测量值大得多,且完全不能预计切应力方向相对于速度梯度方向的滞后;而非线性二阶矩模式对雷诺应力分布的预计则基本上与测量数据符合,且能定性地模拟切应力方向相对于速度梯度方向的滞后。     

用非线性涡粘性模式计算三维湍流边界层

针对非线性涡粘性模式在求解三维湍流边界层流动时的不足，本文从压力－变形率关联项中的快速项出发，考虑流动非均匀影响，在显式代数应力模式的雷诺应力表达式中引入了反映雷诺应力“松驰”效应的速度二阶导数项，构造了一个新的非线性涡粘性模式。通过对典型算例－翼体角隔流动的计算结果表明，新模式能较好地再现出三维湍流边界层内雷诺切应力方向的发展滞后于速度梯度方向发展这一流动特性。     

新型单方程湍流模型构造及其应用

为了提高雷诺应力本构关系式对于非平衡湍流的预测精度并且兼顾求解效率,发展了一种基于湍动能k的单方程(KDO)湍流模型。其主要思路为:采用平板直接数值模拟(DNS)数据对原始Bradshaw假设进行重新标定,使得当地湍动能和雷诺主应力之比能够根据当地流动条件进行自适应调节;同时,对标准k-ε模型中的湍流耗散率输运方程采用代数形式进行模化,进而形成一种一方程湍流模型。算例结果表明:KDO湍流模型对于对数率能够准确反馈,而在带有激波或部件干扰等流动现象的RAE-2822、ONERA-M6和DLR-F6算例中,KDO湍流模型能够准确控制湍动能的增长和衰减,相比于Spalart-Allmaras和Menter k-ω剪切应力输运(SST)模型,KDO湍流模型的计算结果有了较为明显的改善。     

两相湍流的非线性k-ε-kp模型

由两相湍流的代数应力模型，提出一种两相湍流的非线性k-ε-kp模型，可以合理地模拟各向异性较强的旋流，浮力流等两相流动，具备二阶矩模型的优点，又比二阶矩模型简单。文中推导出气相、颗粒相的雷诺应力和两相脉动速度关联的非线性应力应变关系式。这些代数式和两相各自的湍动能k，kp以及两相脉动关联湍动能kpg的方程联立，就构成非线性k-ε-kp模型。本文将该模型用于模拟突扩湍流两相流动，给出两相时均速度场及雷诺应力各分量，并且将模拟结果和PDPA实验数据以及二阶矩模型的模拟结果对照。结果表明，该模型预报各向异性两相湍流的能力和二阶矩模型的能力接近，但是计算量比二阶矩模型的小得多。     

两相湍流的非线性k-ε-kp模型

由两相湍流的代数应力模型，提出一种两相湍流的非线性k-ε-kp模型，可以合理地模拟各向异性较强的旋流，浮力流等两相流动，具备二阶矩模型的优点，又比二阶矩模型简单。文中推导出气相、颗粒相的雷诺应力和两相脉动速度关联的非线性应力应变关系式。这些代数式和两相各自的湍动能k，kp以及两相脉动关联湍动能kpg的方程联立，就构成非线性k-ε-kp模型。本文将该模型用于模拟突扩湍流两相流动，给出两相时均速度场及雷诺应力各分量，并且将模拟结果和PDPA实验数据以及二阶矩模型的模拟结果对照。结果表明，该模型预报各向异性两相湍流的能力和二阶矩模型的能力接近，但是计算量比二阶矩模型的小得多。     

应用二阶雷诺应力封闭的湍流旋流计算

本文叙述了三种不同的湍流旋流流动有限差分的计算结果,即:涡流管中的流动、强自由旋转射流、轴对称,旋转突然扩张的湍流流动。湍流的模化是求解微分形式的雷诺应力分量输运方程的二阶封闭。计算的结果均与试验数据作了比较。比较的结果表明雷诺应力模型明显地优于常用的K—ε模型。而预示与试验数据的吻合程度也是令人满意的。     

旋流燃烧室内多组分气体湍流混合的数值模拟

为合理地描述旋流条件下组分质量的湍流输运,将考虑湍流-旋流相互作用的新代数质量流通量模型与新代数Reynolds应力模型结合,构成了新代数应力/质量流通量模型。应用该模型对旋流燃烧室内两股不同组分射流的相互作用与湍流混合进行了数值模拟,得到了与实验相符合的气体轴向与切向速度、轴向与切向脉动速度均方根值和氦气浓度分布。模拟结果与k-ε模型的结果进行了对比。     

弯曲管道内湍流流动的数值模拟

为了对弯曲管道内的湍流流动特性进行有效的预测，用显示代数应力模式对－典型的弯曲管道内流动进行了数值模拟和分析，计算结果表明：（1）显式代数应力模式能对弯曲管道内流动的平均量（如速度、压力、摩阻等）进行较为准确的预测；（2）对模式中的ε方程做适当修正后，该模式能较好地模拟出流动曲率效尖对湍流特性的影响，是对雷诺应力模式的一个比较好的近似。此外，该模式在形式上与标准k－ε两方程模式类似，使用方便，具有较强的工程实用价值。     

吹吸扰动控制猝发过程中雷诺应力的实验

采用热线测速技术和双丝边界层热线探针,在风洞中以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率,精细测量了平板湍流边界层施加不同频率周期性质量引射前后,不同流向和法向位置的瞬时流向、法向和展向速度分量的时间序列信号.采用流向脉动速度局部平均结构函数模极大值法检测了壁湍流猝发过程中拟序结构不同速度分量和雷诺应力分量的条件相位平均波形.发现在扰动源下游一定范围内,摩擦因数和雷诺应力幅值有所减小,扰动改变了法向或展向脉动速度与流向脉动速度的条件相位平均波形的相位差,使其保持在π/2的奇数倍左右,此时雷诺应力几乎为0,改变了湍流边界层原有雷诺应力的产生和扩散输运机制,抑制了湍流雷诺应力的产生和输运.      

雷诺应力模型在三维湍流流场计算中的应用

从雷诺应力模型出发,通过求解雷诺平均N-S方程组获得三维湍流流场的数值解。计算中比较了多种湍流模式,并进行了相应的流场计算。本文完成了两个典型算例。从算例1的计算结果与实验值比较中发现:采用雷诺应力模型(RSM)计算的三维流场比采用k-ε模型更贴近实验值;算例2采用了RSM模型及三维非结构网格,对一典型内流问题进行了三维流场计算。算例的数值实践表明:采用雷诺应力模型可以有效的计算各向异性的湍流流场;另外,发展非结构网格有助于模拟壁面附近的流动,并节省计算机内存。      

多点喷射模型燃烧室性能CFD分析

采用Fluent的雷诺应力模型、非预混燃烧和非预混平衡化学反应PDF模型、压力-旋流雾化喷嘴模型、P1辐射模型,对多点喷射模型燃烧室的燃烧性能进行了计算。分析了不同余气系数的影响及旋流器下游各截面的温度分布,结果表明,数值计算能够模拟大部分流场结构,余气系数对回流区几乎没有影响,但对主燃区的峰值温度位置有明显作用;对NOx分布规律进行了研究,结果表明,NO的分布与温度分布类似,高温区对应高NO质量分数区;随着流动向下游发展,NO分布趋于均匀。     

燃油喷嘴内部流动和油膜破碎的数值模拟

本文采用VOF法对某航空发动机离心式喷嘴主油路的两相流进行模拟,得到了不同流量时喷嘴内部压力分布、速度分布及喷雾半锥角等参数;采用realizable k—ε模型和雷诺应力模型进行了模拟;将实验数据、经验公式和模拟得到的数据进行对比分析,模拟结果比较理想;捕获了喷嘴下游油膜的初级破碎。     

多旋流器阵列LDI燃烧室流场的数值模拟

采用雷诺应力模型（RSM）对于同旋向多旋流器阵列LDI燃烧室流场进行了数值模拟。计算结果表明,九个旋流器产生的回流区迅速变形衰减,在远离旋流器阵列的下游,形成了一个大的总体旋流。流场中存在的多个回流区及强湍流表明该燃烧室有潜力实现良好的燃烧性能。通过将RSM的模拟结果与激光多普勒测速仪（LDV）测量值进行比较发现,RSM准确描述了绝大部分流动特性,较好地求解了回流区和高速度梯度问题。     

应用修正的k-ε模型研究超声速H2/Air燃烧

为了研究超声速燃烧中流体可压缩性的影响,对标准k-ε湍流模型进行可压缩性修正(包括结构可压缩性修正和膨胀可压缩性修正两部分)。分别应用标准k-ε模型、修正的k-ε模型和雷诺应力模型(RSM),考虑氢气/空气详细化学反应机理(GR I-M ech 2.11机理,10组分,28基元反应),数值模拟有壁面限制的超声速混合层冷态及热态流场。结果表明:壁面和燃烧对湍流影响都很大;修正模型对冷态以及燃烧场的预测结果优于其它两个;修正模型预测的混合层厚度更薄,燃烧区域更窄,与实验结果吻合地更好。     

微分雷诺应力模型在激波分离流中的应用

由于Boussinesq涡粘性假设的湍流模型在一些流动中如激波分离流中预测失真,本文介绍一种基于完全雷诺应力方程的微分雷诺应力模型(DRSM),应用压缩性修正和改进耗散率方程构造出应用于可压流体的可实现DRSM,SSG压应力模型测试了两组参数。将其应用于ONERA M6机翼在跨声速大攻角的计算,结果表明DRSM能更好地模拟激波位置和流动分离。     

Uncertainty analysis of turbulence model in capturing flows involving laminarization and retransition

Flows experiencing laminarization and retransition are universal and crucial in many engineering applications. The objective of this study is to conduct an uncertainty quantification and sensitivity analysis of turbulence model closure coefficients in capturing laminarization and retransition for a rapidly contracting channel flow. Specifically, two commonly used turbulence models are considered: the Spalart-Allmaras (SA) one-equation model and the Menter Shear Stress Transport (SST) two-equation model. Thereby, a series of steady Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) predictions of aero-engine intake acceleration scenarios are carried out with the purposely designed turbulence model closure coefficients. As a result, both SA and SST models fail to capture the retransition phenomenon though they achieve pretty good performance in laminarization. Using the non-intrusive polynomial chaos method, solution uncertainties in velocity, pressure, and surface friction are quantified and analyzed, which reveals that the SST model possesses much great uncertainty in the non-laminar regime, especially for the logarithmic law prediction. Besides, a sensitivity analysis is performed to identify the critical contributors to the solution uncertainty, and then the correlations between the closure coefficients and the deviations of the outputs of interest are obtained via the linear regression method. The results indicate that the diffusion-related constants are the dominant uncertainty contributors for both SA and SST models. Furthermore, the remarkably strong correlation between the critical closure coefficients and the outputs might be a good guide to recalibrate and even optimize the commonly used turbulence models.     

Wall-layer models for large-eddy simulations

The numerical simulation of high Reynolds number flows is hampered by model accuracy if the Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) equations are used, and by computational cost if direct or large-eddy simulations (LES) that resolve the near-wall layer are employed. The cost of a calculation scales like the Reynolds number to the power 3 for direct numerical simulations, or 2.4 for LES, making the resolution of the wall layer at high Reynolds number infeasible even with the most advanced computers. In LES, an attractive alternative to compute high-Re flows is the use of wall-layer models, in which only the outer layer is resolved, while the near-wall region is modeled. Three broad classes of approaches are presently used: bypassing this region altogether using wall functions, solving a separate set of equations in the near-wall region, weakly coupled to the outer flow, or simulating the near-wall region in a global, Reynolds-averaged, sense. These approaches are discussed and their ranges of applicability are highlighted. Various unresolved issues in wall-layer modeling are presented.