基于时空最优低维动力系统的多尺度可压缩湍流数值模拟方法

按照周培源教授关于研究湍流数值模拟建模时必须分析和求解脉动速度场的思想,该研究基于第一性原理,系统地建立了基于时空低维最优动力系统的多尺度可压缩湍流数值模拟方法(LMS方法),并将其应用于多次冲击Richtmyer-Meshkov问题的数值模拟中,首次得到了可压缩湍流的中尺度流场和不同于DNS近似解的湍流近似解.数值结果表明,LMS方法可以用较少的网格获得更精确的湍流近似解.首先解决了研究中遇到的几个问题,为LMS方法的构建铺平了道路.这些问题是:基于湍流的物理特性,提出了湍流大、中、小尺度分解的新概念;找到了box滤波空间相关性的计算方法;指出了湍流建模理论中长期存在的逻辑错误,提出了多尺度湍流模型的概念;讨论了湍流封闭问题的本质和关键,给出了克服湍流封闭问题的数值方法.采用box滤波方法/空间网格平均方法且在大尺度网格的意义下,LMS方法的本质是一种将RANS、LES、DES和DNS等湍流数值模拟方法统一的全新湍流数值模拟方法.需要指出的是,LMS方法也可以作为湍流模型研究的辅助工具,以检验SGS尺度方程/脉动方程中各项所对应的湍流模型是否正确.

多孔介质壁面湍流边界层的研究进展

多孔介质壁面的可渗透性加强了界面附近的动量和能量输运,增加了多孔介质壁面湍流边界层中流动的复杂性.多孔介质壁面直接影响着湍流边界层中的湍流结构时空演化及各种物理量的生成机制和输运特性.本工作总结了多孔介质壁面湍流边界层统计特性和湍流结构特性的最新研究进展.首先,概述了多孔介质基底特性对边界层湍流特性的影响,包括对平均统计量、壁面摩擦因数和湍流结构的研究,指出多孔壁面湍流边界层的结构特性与开尔文-亥姆霍兹(Kelvin-Helmholtz,KH)不稳定性密切相关;其次,总结了多孔介质边界层中大尺度湍流结构对近壁区小尺度湍流结构的调制作用;最后,给出了该领域的未来研究方向.

湍流普朗特数在高超声速绕流中的修正

为精确模拟高超声速激波/湍流边界层干扰导致的复杂非平衡湍流流动,提出一种湍流普朗特数修正模型。应用数值模拟及理论分析方法,对高超声速来流马赫数为9.22的平板、压缩拐角等绕流进行数值分析,评估了所提出的湍流普朗特数修正模型。数值模拟结果与实验数据及Kays湍流普朗特数模型的对比表明:对高超声速复杂流动,湍流普朗特数应进行修正,提出的经湍流非平衡参数修正的湍流普朗特数修正模型与原模型及Kays模型相比,给出的壁面压强、壁面热流更精确,壁面最大热流相对误差小于6%。

珠三角丘陵灌木下垫面湍流特征

利用2017年珠三角野外观测站湍流连续观测资料,对丘陵灌木下垫面的热量通量、CO_(2)质量浓度和通量、湍流动能等特征进行分析,结果表明:1)丘陵灌木下垫面潜热通量在全年地表能量平衡中占主导地位,对比其他类型下垫面则相反。2)CO_(2)质量浓度比其他类型下垫面低,而CO_(2)通量变化幅度远大于其他类型下垫面,说明丘陵灌木下垫面的光合作用及呼吸作用比其他植被覆盖率和密集度较低的下垫面明显较强。3)湍流动能白天大,夜间小。白天夏季湍流动能最大,冬季峰值出现时间略早于夏季。4)无量纲速度标准差随稳定度的变化满足σ_(i)/u_(*)=a(1+bζ)^(1/3)的形式,归一化风速标准差符合σ_(u)/u_(*)>σ_(v)/u_(*)>σ_(w)/u_(*)的一般规律,说明丘陵灌木下垫面的物理特性差异对垂直风速的统计量影响比水平风速的统计量小。当大气越偏离中性状态,无量纲速度标准差越大,水平方向无量纲速度标准差比垂直方向无量纲速度标准差的离散程度大。丘陵灌木下垫面的无量纲风速分量系数在三个方向上都比大部分其他类型下垫面偏高。5)协谱基本符合Kansas实验的归一化协谱。不稳定条件下,低频大涡对湍流通量有较显著的贡献。稳定条件下各协谱的谱峰所对应的无量纲频率较不稳定条件下大,暗示着受浮力抑制作用,对动量、水汽和感热有显著输送作用的涡旋尺度减小。

周培源湍流理论的实验研究——纪念周培源先生诞辰一百二十周年

周培源先生于1952年在北京大学创建了我国第一个力学专业,联合力学所、清华大学和北京航空航天大学创建了我国第一座以混凝土薄壳结构为主体的大型低速风洞,亲自用爱因斯坦符号讲授理论力学课,在湍流课上形象地介绍均匀各向同性湍流以及湍流的声产生特征[1]。周培源先生[2-3]第一个得到了对N-S方程在统计意义上的准确解,其湍流理论覆盖了从各向同性湍流到剪切湍流和极高湍流强度的极限湍流,给出了这些湍流场随标志性参数的变化,形成了具有鲜明特色的湍流统计理论。

在EBEX-2000实验资料中湍流谱和局地各向同性特征

采用 2 0 0 0年 8月在美国加州棉花地两个高度上应用超声三分量仪、快速响应温度和湿度仪进行的EBEX 2 0 0 0(InternationalEnergyBalanceExperiment,2 0 0 0 ,EBEX 2 0 0 0 )风速三分量、温度和湿度湍流实验观测数据 ,计算分析了湍流速度、温度和湿度谱在不同稳定度下的特征。对湍流的局地各向同性进行了讨论并与Kansas和长白山原始森林湍流实验得到的结果进行了比较 ,得到了一些湍流特征量在不同下垫面情况下的一些有意义的特征。

障碍物管道中湍流火焰发展的数值模拟

应用湍流马赫数修正的非稳态可压缩性K ε f gr四方程湍流模型 ,模拟了半开口狭长管道中重复布置的障碍物引起的湍流火焰加速现象 .结果表明 ,障碍物产生的扰动对加强燃烧和湍流输运的影响很大 .随着火焰向前传播 ,火焰穿过障碍物时发生变形 ,反应区越来越长 ,且火焰速度逐渐上升 .同时 ,火焰速度和管内压力的计算结果与实验测量值吻合良好 .

用二阶矩两相湍流模型模拟鼓泡床内气泡-液体湍流两相流动

建立了二阶矩气液两相湍流模型 ,模拟了不同工况下二维矩形断面气液鼓泡床中气泡 液体湍流两相流动 ,给出了气泡和液体的速度场、气泡体积分数和两相雷诺应力分布 ,基本工况的模拟结果与美国俄亥俄州立大学PIV测量结果符合较好。文中研究了不同气体表观速度对两相流场的影响。模拟结果显示了鼓泡床内液体的回流流动和气泡的上升运动、各向异性的两相湍流 ,气泡湍流脉动比液体的强 。

可压缩边界层的入口合成湍流生成方法

在壁湍流中开展RANS-LES方法混合模拟时,入口处添加合理的湍流脉动能够缩短流场向完全湍流的发展距离,提高数值模拟精度以及节省计算资源.采用SA-IDDES方法对槽道湍流和可压缩湍流边界层开展了数值模拟研究,对比了3种较为常用的合成湍流方法对流场发展的影响,包括合成湍流生成器(STG)、数字滤波法(DFM)和合成涡方法(SEM);研究了不同合成湍流入口条件下流场壁面摩阻、流场结构、雷诺应力的发展过程,评估了各方法在壁湍流中的表现.其中在不可压槽道湍流和可压缩湍流边界层的模拟中,STG方法展现了较短的摩阻恢复距离,流场结构与雷诺应力发展相比DFM也有一定的优势.在高马赫数湍流边界层的数值模拟中,忽略热力学量脉动可能会降低合成边界层脉动恢复到物理真实脉动的速度.因此,文章进一步基于STG给出的速度脉动,在入口处通过若干强雷诺比拟方法(SRA,GSRA和HSRA)添加热力学脉动量,对比研究了对可压缩湍流边界层流场发展的影响,结果显示是否添加热力学脉动对于流场摩阻和雷诺应力发展影响较小,但对流场中的热力学量影响显著,其中GSRA下流场热力学量恢复得最快.

湍流研究近况

本文介绍了近年来湍流研究的理论和实验情况,对湍流特性作了较清晰解释,并指出今后湍流问题研究的新动向。

激波与湍流边界层干扰流动的马赫数效应

激波与湍流边界层相互干扰(SWTBLI)现象可诱导形成复杂的流场结构和气动力热分布特性,其干扰机制和影响机理至今仍未被充分掌握。为分析超/高超声速SWTBLI流动的机理,开展了来流马赫数为3、5、11条件下压缩拐角流动的直接数值模拟(DNS)研究。结果显示,SWTBLI使干扰区内的速度、压强等物理量的脉动显著增强,且增强幅值随来流马赫数升高而增大;同时,上游边界层中的温度、压强等物理量的脉动也随来流马赫数的增大而增强。在SWTBLI作用下,流动的可压缩效应明显增强,干扰区内压力膨胀项和膨胀耗散项不再可忽略。在高超声速条件下,上游边界层中的压力膨胀项和膨胀耗散项也比较重要。此外,SWTBLI诱导的壁面压强平均值和脉动均方根值的分布存在共性。在所有来流马赫数下,干扰区内的壁面压强脉动相比上游边界层均显著增强,并形成明显的峰值。流动发生显著分离时,将分别形成位于平均分离点和再附点附近的壁面压强脉动峰值。

稳定分层流动中湍流统计特性和输运特性的数值研究

采用大涡模拟方法研究了上下两层温度不同的稳定分层湍流,主要对其中的湍流尺度特性、统计特性和湍流输运特性,以及标量场的时空演化进行了分析研究.研究结果表明:浮力尺度沿流动方向先增加然后趋于某个稳定值,剪切越强,浮力尺度越大;翻转尺度沿流向也是逐渐增大,剪切越强,翻转尺度越大;统计特性的分析发现,在较大的区域内温度脉动的平坦因子都偏离Gauss分布。强分层条件下温度脉动的统计特性与速度脉动的统计特性有较明显差别;湍流混合的过程开始于小尺度运动,最后扩展到大尺度运动.

中国典型地形风能资源的湍流特征分析

选取4种风能开发利用的典型地形,对其大气边界层风场特别是湍流场的特征进行分析。通过分析不同下垫面无量纲方差与无量纲稳定度参数z/L的关系,表明均在风力机标准的湍流模型适用范围内。湍流动能随风速呈指数增长,不同稳定度下指数差异明显。湍流动能的垂直变化,除受稳定度影响外,还与下垫面有关。东海塘沿海局地平坦地形和锡林浩特平坦草原下垫面,湍流动能随高度变化较小;鄱阳湖湖陆交界复杂下垫面,近地面湍流动能明显增大,随着高度的增加,湍流动能迅速下降;河北尚义起伏的中山丘陵下垫面,地形使下层湍流动能随高度减小,上层湍流动能随高度增大。摩擦速度廓线与湍流动能廓线基本一致,但其最大值并不一定在地表附近。

面向星地激光通信的大气湍流预报研究进展(特邀)

激光通信系统在大气环境下应用的性能受到严重制约,当激光在大气湍流中传输时,其波面会发生畸变。在激光通信系统中,对大气湍流相关参数进行预报可以提前对星地数据传输链路进行调度,避免建立无效的通信任务。此外,大气湍流预报在天文选址、光学遥感等领域也有重要价值。随着国内外相关工作的长期积累以及算力、观测设备等硬件的能力提升,当前科研人员已经提出了一些大气湍流预报方案。文中主要综述了国内外学者在大气湍流预报方面的研究进展,首先详细介绍了目前应用比较广泛的中尺度数值预报技术,列举了使用中尺度数值预报方法对国内外典型区域的大气湍流进行预报的相关工作;然后介绍了深度学习方法在大气湍流预报中的应用情况,对其优势与局限性进行了讨论;最后介绍了一种面向星地激光通信的大气相干长度短时预报方法。

基于物理信息神经网络的气膜冷却湍流模型反演学习

由于气膜冷却问题中湍流的复杂特性,传统雷诺平均(RANS)方法会低估湍流的热扩散强度,导致冷却效果计算不准确。对此提出了一套基于物理信息神经网络(PINN)的湍流建模框架,基于RANS流场和大涡模拟(LES)温度场,建立了数据驱动的湍流普朗特数神经网络模型,在RANS求解器中嵌入该模型,可以动态调整湍流的热扩散强度,获得了与LES高度一致的温度场。结果表明:PINN是构建数据驱动湍流模型的良好方法,对于湍流普朗特数的建模可以有效提升RANS方法对温度预测的准确性。

湍流热环境中毫米级木质生物质颗粒燃烧特性

燃煤机组耦合生物质甚至全燃生物质是高效低成本降碳的可行技术。生物质燃料破碎能耗高导致入炉粒径相对较大,部分大粒径颗粒在炉内高温湍流环境中的燃尽问题值得重视。采用四风扇对冲高温湍流实验装置,构造近均匀各向同性湍流流场。以两种粒径的木质生物质颗粒(d_(p,0)=2.5、6.0 mm)为研究对象,通过改变炉温(T_(gas)=500、700、900℃)和湍流脉动速度(u_(rms)=0~1.8 m/s),研究湍流脉动速度urms对毫米级生物质颗粒燃烧特性的影响。试验通过颗粒表面-中心温度测量系统记录了颗粒温度,通过彩色图像测量系统捕捉燃烧全过程,确定不同工况下生物质颗粒的燃烧时间、着火模式、火焰形态及粒径变化。结果表明,生物质颗粒通常倾向于发生均相着火,仅在T_(gas)=500℃时增大u_(rms)使着火模式由均相着火转变为异相着火。u_(rms)增至1.8 m/s,着火前颗粒升温速率提高了近30%,挥发分燃烧阶段颗粒表面温度升高约300℃。u_(rms)增加引起挥发分火焰锋面褶皱变形,均相燃烧强度增加,tvol略微缩短;生物质焦炭的孔隙发展更加迅速,大量氧气扩散进颗粒内发生反应,使焦炭燃尽时间大幅缩短40%以上,焦炭燃烧温度亦随之增加。颗粒湍流雷诺数Re_(p,t)越大,受湍流脉动影响越显著。升高炉温,增大u_(rms)对颗粒温度的影响将减弱,对缩短燃烧时间的影响越强烈。

湍流环境下颗粒与气泡黏附过程的数值模拟研究

研究湍流环境中颗粒与气泡的黏附过程对于探究浮选微观过程具有重要意义。基于EDEM的API(应用程序编程接口)二次开发模块,建立了颗粒与气泡黏附过程相互作用的三维离散元法(DEM)模型。在Fluent软件中通过构建规则格栅以激发各向同性的湍流,并将湍流环境通过计算流体力学-离散元(CFD-DEM)加入到EDEM软件中。模拟了颗粒粒径为0.10、0.15、0.20、0.25和0.30 mm,颗粒密度为1500、2000和2500 kg/m^(3),球形度为0.746~0.854的不规则颗粒,和气泡直径为1.00、1.20、1.60和2.00 mm,在气泡与格栅间距离为1.00、1.50、2.00和3.00 mm的湍流环境下颗粒与气泡的黏附过程。研究了颗粒、气泡、流场各参数对于颗粒与气泡黏附过程的影响。结果发现,无论规则颗粒还是不规则颗粒在湍流环境中与气泡的黏附均存在临界脱附流速(颗粒与气泡发生脱附的最小湍流流场流速)。密度大的颗粒和粒径大的颗粒与气泡黏附的临界脱附流速更小,表明粒径和密度大的颗粒与气泡难以稳定黏附。气泡的直径越大,颗粒与气泡稳定黏附的临界脱附流速越小,颗粒越难以稳定黏附。在相同的流速下,气泡与格栅间距离越小,则流场湍流强度越大,颗粒与气泡稳定黏附的临界脱附流速越小,表明湍流强度的增加不利于颗粒与气泡的稳定黏附。球形度小的颗粒与气泡稳定黏附的临界脱附流速也较小,表明球形度小的颗粒与气泡难以稳定黏附。

湍流风况下风电机组机舱近尾流的数值模拟研究

水平轴风电机组机舱风速是机组控制的主要信号参数。机舱风速受风电机组来流湍流与风电机组近尾流影响,变化复杂,对风电机组的优化控制有重要的影响。本文采用计算流体力学(CFD)方法,对湍流风况下风电机组机舱近尾流进行了详细分析。对比研究了稳态均匀风况和湍流风况下的近尾流的结构、机舱速度分布及其对风电机组总体性能的影响。研究发现,风电机组总体性能随湍流风况波动也呈现多尺度波动特征。湍流风况下,经过滤波后的机舱风速的时间序列和来流风速的时间序列体现出很强的相关性。对于湍流风况和稳态均匀风况,叶片/风轮旋转对风电机组机舱风速波动的影响最大。湍流风况会增加风电机组机舱风速的波动频率,增大波动的幅值,削弱风轮旋转对尾流和机舱风速的影响。湍流风况使得机舱周围的流动结构更复杂。稳态均匀风况与湍流风况下叶片吸力面叶根位置处都发生了分离流动,湍流强度增大了叶根位置处的流动分离。

明渠湍流结构对粒子运动跟随性影响综述

近年来大量学者通过室内试验、现场观测以及数值模拟等方法对明渠湍流中粒子的运动规律进行了深入细致的研究,逐步揭示了明渠湍流中粒子运动复杂性的本质和规律,并将成果应用于河流泥沙输移、河流地貌演变以及生态环境保护等多个领域。鉴于明渠湍流具有明显的分区效应,其湍流流速分布、分区结构组成以及相干结构分布特性等对水中粒子的运动过程均会产生显著影响,对水中粒子在明渠湍流结构中的整体运动规律、湍流结构内区以及外区的运动过程进行了总结;重点阐述了近壁区粒子运动规律的反常现象和原因,以及湍流结构中粒径、密度和Stokes数这3个影响粒子运动过程的主要因素。研究成果可为泥沙运动以及生态保护等研究及应用提供参考。

基于动态格栅的湍流风实验模拟方法研究

开发一种基于动态格栅的湍流风实验模拟方法和装置,并通过调节格栅运动参数和来流风速,实现对湍流风特征参数的定量调控。实验分别研究罗斯贝数Ro、格栅雷诺数Re_(M)、格栅运动角加速度α、格栅运动周期长度T对湍流参数的影响规律。结果表明,湍流参数仅对罗斯贝数敏感,平均风速与湍流度均随罗斯贝数增加而增大,而湍流积分尺度则呈现先减小后增大的趋势。综合实验工况参数,得到湍流强度可调节范围为0.05~0.39,湍流积分尺度可调节范围为0.15~1.56 m,适用于缩尺比1∶20~1∶1200范围的风电机组模型实验。