湍流边界层底层相干结构的一个理论模型

本文采用非线性稳定性分析方法,研究了湍流边界层底层相干结干结构的成因.计算得到的增长最快的不稳定波的展向尺度与纵向尺度都与实验相符.这一分析的特点是采用了不同于湍流平均速度剖面的更合理的速度剖面作为稳定性分析的基础,并采用了新的非线性理论.文中结果有助于理解湍流边界层底层相干结构的拟有序现象.

壁面定常波纹状吹吸槽道流中湍流特性的研究

在非平衡湍流中,如具有周期性边界条件的流动,由于雷诺应力与平均流速的变形率有着不同的性质, 当周期性边界条件发生变化时,雷诺应力和平均流速变形率的相位对边界条件的响应也不同,但是二者的相位差在相当大的范围内是稳定的.这一特性加深了对雷诺应力的认识,并对非平衡湍流中的模式理论及大涡模拟中亚格子雷诺应力模式的建立提出了许多需要注意的问题.利用层流模型,把空间周期性边界条件作为某种扰动,研究了扰动及其非线性项的分布以及相位问的关系,得到了一些有益的结果.

超音速混合层稳定性分析及增强混合的研究

利用流动稳定性提高超音速混合层的混合效率,对于提高超音速流的高效混合是一个有效途径。研究结果表明,有展向曲率的三维混合层中,三维扰动的增长率很大,且法向的掺混能力也较强,可以有效地增强混合。对于高马赫数来流的超音速混合层,这一特性依然存在,这将有利于提高高超音速混合层的混合能力。

混合层强化混合的数值研究

受 Ｗａｎｇ ＆ Ｆｉｅｄｌｅｒ（１９９７）的实验的启发，采用高阶精度的差分格式，通过数值模拟的方法，研究了二维混合层及限于两平板间的二维混合层（二维受限混合层）入口处加振动对提高混合层混合效率的作用．计算结果表明：对二维混合层，振动的频率越低，在混合层中产生的大尺度涡结构的尺度越大，在频率很低时，涡具有相似性；对限于两平板间的二维混合层，在一定的振动频率下，混合层中产生的涡较大而且破碎得也较好，这将有利于混合．这一结论与 Ｗａｎｇ ＆ Ｆｉｅｄｌｅｒ（１９９７）的实验观测到的结果是一致的．

流动稳定性中小扰动波传播速度的数值研究

在保守系统中 ,小扰动波如线性水波及线性重力内波等均以其群速度传播 ,且群速度等于能流速度。在非保守系统中 ,波的传播速度还是个不十分清楚的问题。本文用数值计算的方法研究流动稳定性问题中小扰动波的传播速度。结果表明 ,波的传播速度并不等于能流速度 ,而与复群速度的实部近似相等。

耗散修正湍流模型在有个性通风机舱气流模拟中的应用

针对机舱大空间与局部个性通风口之间的高比例尺度问题给舱内气流数值模拟带来的网格质量与数量挑战,通过引入适于个性通风口圆射流的数值耗散修正模型(MDR k-ε湍流模型),并采用合理的机舱网格尺度配比,实施了有温差单排机舱舱内气流流动特征的数值模拟.通过与实验对比,验证了模型的可靠性,进而数值探究了个性通风口射流作用对舱内气流和乘客舒适度的影响,为舱内颗粒污染物控制的进一步研究提供了基础.

对流动稳定性非线性理论中确定幅值演化方程系数的重新考虑

求解扰动速度幅值的演化规律，是流动稳定性非线性理论的关键问题之一。现有的方法都只能用于准中性的情况，或其中有一定的人为因素。本文将给出解决这一问题新方法。

振荡流底层拟序结构及其与泥沙相互作用研究

湍流拟序结构与泥沙及床面相互作用的机理,是目前国内外泥沙学术界研究的热点领域。本文针对单向流和振荡流底边界层的湍流拟序结构与泥沙相互作用研究状况进行了综述,重点论述了振荡流底边界层湍流研究的概况与今后需要开展的重点研究内容。

明渠层流失稳与沙纹成因机理研究

动床水流中 ,泥沙起动之后 ,往往要出现沙纹 ,沙纹成因各家的解释不一· 白玉川 ,罗纪生的观点是 :沙纹的尺度较小 ,主要是由于明渠层流不稳定性波或床面近壁流层中小尺度拟序结构发展演化所致· 当床面边界附近扰动波或拟序结构以及水流自身所产生的床面底部切应力大于Shields切应力后 ,床面即产生响应 ,形成沙纹 ;如果扰动所产生的扰动切应力频率接近床面泥沙固有频率 ,则产生与泥沙颗粒的共振 ,这种现象也称之为“泥沙的检波性质” ,此时床面发生最大响应 ,沙纹发展速度也最快·

大型汽轮发电机组转子轴系扭振弹性波的解析研究

建立了汽轮发电机组轴系的弹性连续体扭振模型，提出了求解复杂阶梯轴系扭振波动方程的解析方法。计算了一台２００ＭＷ机组转子轴系扭振波动特性的精确解，并与离散系统计算结果做了比较。根据机组扭振干扰力矩的复杂性和随机性，利用该方法进行了网机耦合作用下的扭振强迫振动考核。

超音速尖锥边界层中扰动演化特征的数值研究

采用高精度紧致格式,对超音速尖锥边界层中二维扰动的空间演化,进行了直接数值模拟.结果表明,虽然尖锥边界层流动存在一定的锥面法向速度,但小扰动的幅值及相位的演化都与由平行流假设得到的线性理论结果吻合.还研究了有限幅值扰动的演化,给出了其演化规律.并在扰动幅值增长到一定值时,发现了小激波.

高超音速零攻角尖锥边界层转捩的机理

先计算出高超音速零攻角尖锥边界层的定常层流流场.然后在计算域的入口引入两组有限幅值的T-S波扰动,对空间模式的转捩过程进行了直接数值模拟.分析了转捩过程的机理,发现平均流剖面稳定性的变化是其关键.并进一步讨论了不同模态初始扰动在高超音速尖锥边界层中的演化规律.

基于网格数值耗散修正的圆湍射流模型

基于民用机舱内个性通风口,以圆湍射流作为研究对象,以标准κ-ε湍流模型较精细数值模拟与实验对比结果为出发点,通过对粗网格下数值结果的分析,针对网格尺度增大导致计算中数值耗散相应增大、射流速度沿轴向和径向衰减过快问题,从湍流耗散率方程出发,对影响湍流耗散的生成项和耗散项进行修正,平衡因网格尺度产生流动衰减过快的因素,进而提出了耗散率修正的κ-ε湍流模型.采用该修正模型验证了不同雷诺数和非等温条件下射流的适用性.应用修正的湍流模型可以避免机舱内大尺度空间流动对网格的苛刻要求,明显减少网格总数,同时达到对舱内复杂结构和边界条件下流场特征的正确模拟.

大涡模拟中亚格子模型的改进及其在槽道湍流中的应用

在用大涡模拟的方法计算具有强剪切的槽道湍流时,常用的亚格子应力模型,包括考虑壁面修正的模型,都会出现平均流剖面偏高的现象.这表明在壁面附近亚格子应力模型还不能描述实际情况.针对这一问题,修正了亚格子雷诺应力模型的壁面函数,得到了较好的计算结果.用修正后的模型计算出的平均速度分布、均方根速度的分布以及雷诺应力的分布,均与直接数值模拟(DNS)的结果吻合较好.

超声速边界层转捩预测e^N方法及其软件开发

首先论述了边界层转捩预测的研究现状,总结了目前三种边界层转捩预测方法的优缺点,重点从理论方面和工程应用方面分析了现有转捩预测eN方法及其预测软件的不足,展望了未来转捩预测方法和预测软件的发展趋势,然后结合工程应用的需要,提出了面向工程的基于转捩预测eN方法的超声速边界层转捩预测软件的实现途径。在对现有转捩预测eN方法进行不断改进和完善的基础上,结合流动稳定性分析和转捩工程应用方面的经验,建立特征值、感受性系数、转捩判据等一系列知识库,有望开发一套实用、全自动、高效、用户接口友好的面向工程的超声速边界层转捩预测软件。

湍流边界层外区扰动激发近壁区相干结构的一种机制

应用直接数值模拟的方法,研究了湍流边界层近壁区由于外区扰动的作用而导致相干结构产生的问题· 结果表明:在湍流边界层近壁区的上边界存在的速度扰动,可以在近壁区内激发出相干结构。

小攻角高超声速钝锥边界层中不同扰动对转捩的影响

为了研究上游不同扰动对转捩位置的影响,针对来流Ma=6,攻角1°,半锥角5°的钝锥边界层的转捩进行了数值模拟.首先研究了边界层中小扰动的演化,与流动稳定性理论进行了对比,结果表明:在所考虑的流场中,流动稳定性线性理论可以对扰动的增长率做出一个较好的预测.在此基础上,研究了不同扰动对转捩位置的影响.计算给出了在两种不同频率分布的扰动情况下,转捩位置沿周向的分布.结果表明,转捩位置沿周向分布与入口扰动的幅值和频率有关.某子午面的转捩位置由该处的最不稳定波在入口的幅值决定.根据大多数风洞中背景扰动的特性,解释了小攻角圆锥转捩实验中背风面先转捩,迎风面后转捩的现象.同时,还解释了在背风面附近转捩位置"凹陷"的现象.

锥体效应对超音速湍流边界层统计特性的影响

通过直接数值模拟,计算了空间模式下,来流马赫数为2.5,半锥角为5°,零攻角的绝热钝锥湍流边界层,研究了湍流的统计特性,并把结果与超音速平板湍流边界层和马赫数为6的高超音速钝锥湍流边界层的结果进行了比较,重点定量地考察了锥体效应对边界层湍流统计特性的影响.研究发现,锥体效应对平均温度剖面以及压缩性的影响是显著的;而其它统计量,比如速度壁面律、雷诺应力的分布和湍动能各项的贡献等,受锥体效应的影响很小.

后掠翼边界层定常横流涡的非线性演化

横流失稳是后掠翼边界层主要的失稳形式.实验和数值研究发现在后掠翼边界层转捩之前,有一段较长的非线性幅值饱和阶段,因此线性稳定性不能有效预测横流失稳转捩过程,所以研究横流涡的非线性演化过程就极为必要.以NLF(2)-0415翼型为研究模型,在来流Mach数为0.8、后掠角为45°、攻角为-4°的条件下,用扰动方程计算了定常横流涡非线性演化过程.结果显示非平行性起着更加不稳定的作用.当基本波的幅值到达0.1时,非线性作用开始明显.横流涡经历了非线性幅值饱和过程,涡的形状呈现半蘑菇状,涡的涡轴与边界层外缘无粘势流平行.饱和涡使得原有流场发生极大的扭曲,流向速度和展向剖面出现了拐点.

超声速边界层流动数值模拟的边界条件研究

在超声速边界层的计算中,出口处边界条件的好坏会影响计算结果。Poinsot＆S.K.Lele曾建议一种NSCBC方法,被广泛采用。但它是建立在局部一维无粘关系假定上的,而靠近壁面处速度梯度大,粘性作用不能忽略,上述假定不一定成立。此外,NSCBC方法在亚声速区需要下游的某些已知条件,而这往往是无法预先知道的,从而不得不做一些假定。本文将分析这样做可能出现的问题,并对某一类问题,提出一种可以得到更好结果的方法。