界面不稳定性诱导的湍流混合问题的RANS统一预测新思路

准确预测由Rayleigh-Taylor(RT)、Richtmyer-Meshkov(RM)和Kelvin-Helmholtz(KH)等流体力学界面不稳定性诱导的湍流混合问题具有重要的科学意义和工程价值。在工程实践中,利用雷诺平均湍流模型(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)模拟上述问题是当前及可见的未来最主流的方法。RANS模型主要包括物理模型和模型系数两方面。然而,在实际工程中,存在各类复杂性问题及其相互耦合,使得采用同一套RANS模型统一预测不同混合问题变得极具挑战,而这又是RANS模型能落地工程应用的前提条件。为解决上述问题,本研究直面工程应用,基于整体论思维观提出了实现RANS渐近理想统一预测的新思路,给出了系统确定湍流混合模型系数的新方法,并将其应用至混合领域内的k-L、k-ε和BHR三类(含亚类)主流的RANS混合模型,均实现了同一套湍流混合模型对不同混合问题的统一预测,证明了所提思路和方法在混合领域的适用性和鲁棒性。本工作可为RANS湍流混合模型的工程化应用奠定基础,其核心思路也可望延拓应用至其他领域的湍流模型上。

被动标量湍流混合的实验研究方法与进展

湍流混合与日常生活和工程应用息息相关,研究湍流混合对湍流理论及湍流燃烧、化学工程等重要领域具有重要意义。在湍流混合的实验研究方面,传感器技术和非接触式(光学)测量技术的发展促进了人们对湍流混合多尺度、非线性过程的深入研究和机理认知。本文介绍了标量场湍流混合实验中较为常用的瑞利散射技术和激光诱导荧光技术,着重讨论了提高后者空间测量分辨率的方法,可为湍流混合的二维高分辨率精细化测量提供思路。另外,从实验测量角度对小尺度混合的标度律(黏性−对流区)、标量场的概率密度函数和标量场混合界面的分形维数等方面进行了介绍,旨在结合被动标量湍流混合基础理论简要介绍相关实验研究方法与进展。

不同层结条件下海浪生湍流混合特征分析及其对上层海洋的影响

上层海洋混合过程的动力学研究和数值模拟一直是海洋和气象学家关注的重点之一,其中上层海洋垂向混合参数化方案的不准确直接影响海洋模式的模拟效果。风生海浪对海气相互作用以及上层海洋的内部混合都起到极为重要的作用。本文基于包含垂向层结效应的海浪生湍流混合系数理论模型,开展不同层结条件下海浪生湍流混合系数的分布变化特征分析。构建了一维理想解析实验和准全球算例,结果表明,在100 m以浅的上层海洋中,混合层深度与上述混合系数呈现较为显著的负相关关系,当跃层或混合层深度较大时能够显著增强垂向混合过程,进而使表层暖水下降至更深的位置,加深混合层深度模拟结果。主要原因是由于深跃层条件下表层的层结效应较弱,因而对混合的抑制作用较小。此外,在准全球算例中海浪生湍流混合方案可显著提高海洋环流模式对上层海洋温度结构的模拟能力,模式对跃层处WOA13实测数据的模拟精度最高可提升60%以上。

超声速湍流混合层中小激波结构的实验研究

在对流马赫数为1.24的超声速湍流混合层风洞中,以NPLS实验技术为基础观察到了小激波结构。分析了小激波结构产生时的混合层流场参数,给出了从实验图像中确定对流马赫数的方法,避免了理论分析不必要的假设。探讨了小激波结构产生、发展的一般规律。

结构尺寸对液-液喷射器湍流混合性能的影响

建立了液-液喷射器的实验装置,并利用平面激光诱导荧光(planar laser induced fluorescence,PLIF)技术研究了喷射器不同结构尺寸对湍流混合性能的影响。对三种不同混合室直径/喷嘴直径的喷射器进行了研究,利用CCD相机获得了喷射器内二维时均浓度场图片,并通过图片处理获得了浓度场。在此基础上利用离析度(intensity of segregation,IOS)的概念得到了不同结构参数下混合长度的变化规律。结果表明:引流/射流比值越小,混合效果越好,完成混合所需要的距离越短;在低引流流量下,混合室入口直径/喷嘴直径比值越大,混合效果就越好,混合效果与射流流体的压力损失成正比。

利用面激光诱导荧光技术研究喷射器内液-液湍流混合特性

面激光诱导荧光(planar laser induced fluorescence,PLIF)是流场研究中的先进测试技术。今建立了液-液喷射混合器流场研究实验装置,利用PLIF技术对喷射混合器的湍流混合特性进行了研究,得到了喷射器内湍流混合的二维浓度场。对瞬时、时均浓度场的图像进行了分析,并利用离析度(intensity of segregation,IOS)的概念对时均混合效果进行了评价,得到了不同操作条件下IOS值沿射流方向的变化趋势图,结果表明流速比和绝对流速是影响混合的两个主要因素,液液喷射器中流速比越大,达到完全混合所需的距离就越短,在相同流速比的情况下,流速越大混合进行得就越快。

喷射器内湍流混合的多尺度模拟

利用宏观混合分数方差和微观混合分数方差定量表征宏观混合和微观混合状态,对喷射器内的湍流混合进行了多尺度模拟和研究,并计算出了达到完全混合所需要的特征混合时间。对不同操作条件下的多尺度混合情况进行了模拟计算和分析。结果表明:在引射流速度不变的情况下,增加喷嘴速度,可以降低达到完全混合所需要的时间;在喷嘴速度不变的情况下,增加引射流速度,可以增加达到完全混合所需要的时间;在喷嘴和引射流速度比不变的情况下,增加两者绝对速度,可以降低达到完全混合所需要的时间;在本文所研究的情况下,喷射反应器内湍流混合过程由微观混合控制。

高速摄影技术在湍流混合规律实验研究中的应用

介绍了GSJ转镜式光学高速分幅摄影机在湍流混合规律研究中的应用。给出了相应的试验条件、光路设计等。结果表明 ,所设计的光学系统满足物理设计的要求 ,获得了清晰的实验图像 ,为相关的物理规律研究提供了依据。

用湍流模型研究Richtmyer-Meshkov不稳定性诱导的湍流混合

将k-ε模型应用到存在激波的Richtmyer-Meshkov不稳定性诱导混合的研究中,采用代数关系式补充模型的封闭假设,给出了合理描述RMI特征的湍动能产生项的表达式。采用该模型对两个激波管实验进行了模拟。通过与实验和文献中的直接模拟结果比较分析,验证了所采用的模型封闭、模型常数、数值算法、程序实现是合适的。

高温空气燃烧炉内湍流混合特性的数值研究

应用自行研发的三维流动、燃烧、传热和污染物NOx湍流生成的数值模拟程序,对高温空气燃烧实验模型炉进行了湍流扩散燃烧混合特性的数值模拟.数值预报了燃烧室内气体燃料和空气的混合物分数及其湍流脉动的三维分布.数值研究结果表明:在一定的几何条件和气体动力学条件下,高温空气燃烧的湍流混合在更广泛的区域内以较小梯度的进行;混合物分数的脉动主要分布在燃烧区,这表明高温空气燃烧的火焰厚度更大,具有燃烧释热更趋均匀的特性.数值模拟结果与相关的实验结果有相同的规律.

R-T界面不稳定性及湍流混合的大涡模拟

采用大涡模拟 (LES)方法研究R T(Rayleigh Taylor)不稳定性 ,显示了不稳定发展的小扰动阶段、变形阶段、规则非线性阶段、不规则非线性阶段和湍流混合阶段界面演化与特征 ,分析了湍流混合层厚度增长的规律 ,同时还研究了湍流二阶相关量如动量、质量和能量通量在大尺度和亚格子尺度所占分量 ,验证了LES方法是处理R

平面湍流混合层流动的统计理论

本文提出了不可压缩粘性流体充分发展的湍流流动的逐级迭代法。此方法能有效地求解脉动速度的高阶关联函数，并修正平均速度和低阶关联函数的精度，应用此方法给出了平面湍流混合层流动的一级近似的二阶、三阶和四阶脉动速度的关联函数，并同实验结果进行了比较，两者符合得较好。

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。

水平湍流混合对莫拉克(2009)台风强度及结构的影响

在台风的发生、发展过程中,水平湍流混合是重要的物理过程,该过程的参数化方案对台风个例的数值模拟结果有很大影响.研究通过调整WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式水平湍流参数化方案中的Smagorinsky系数Cs(Smagorinsky Coefficient)控制水平湍流混合的强弱,对比分析了水平湍流混合强度在台风莫拉克(2009)数值模拟中对台风强度和结构的影响.结果表明:水平湍流混合对莫拉克台风路径的模拟没有显著影响,但对台风的最大强度有显著影响,随着Cs增大台风强度减弱,热力场分析表明过大的水平混合不利于台风暖心的维持.从轴对称风场特征来看,Cs变化的影响并非集中在边界层中,台风中上层的风场均发生了改变,但边界层中变化更大,随着Cs增大最大风速半径外扩.从雨带和对流的发展特征来看,Cs越小越有利于模拟出单点发展的对流胞,但这些对流胞不易组合发展为有组织的对流带,而Cs过大时,对流胞出现涡丝化发展形态而发展为平滑的长雨带,减弱了雨带内的对流强度但使对流区的分布更趋于对称化,且过大的水平交换作用不利于雨带精细结构的模拟.

T型混合器内湍流混合的多尺度模拟

建立了T型混合器内物料的宏观混合模型和微观混合模型,基于湍流κ-ε模型,利用fluent6.2软件对T型混合器的宏观混合性能和微观混合性能进行了模拟研究。结果表明,T型混合器的侧管入口角度对混合性能具有重要的影响。对于宏观混合,在30°时混合效果最佳;而对于微观混合,60°时混合效果最佳。侧管入口速度与主管速度比越大,混合效果越好,达到完全混合所需要的长度越短。速度比相同时,混合效果不随绝对速度的变化而变化,达到完全混合所需要的混合长度相同。

界面不稳定性引起湍流混合的二阶封闭模型

在Ｂｅｓｎａｒｄ［１～３］等人的模型基础上发展了一个二阶封闭模型。它比原模型少二个方程，降低了计算量，使模型更具有经济性。并采用各向异性的扩散系数，能够更好地描述各向异性的湍流流场。编写了一维可压缩流体力学湍流混合程序，数值模拟Ｂｒｏｕｉｌｅｔｔｅ［４］等的实验结果。

射流与有约束横流的湍流混合的数值模拟

对多股射流与圆柱管中的横流湍流混合的三维流场进行了数值模拟 .结果显示 ,在有约束的横流中射流的发展可分成三个区 .三维流场与二维流场有很大的区别 ,射流下游没有预测到回流区 .

无剪切湍流混合层中被动标量扩散的实验研究

研究被动标量在无剪切湍流混合层中的扩散。实验在风洞中进行,用大小网格尺度比为2∶1的网格实现无剪切湍流混合层,用烟粒子作为测量用的示踪粒子同时作为被动标量形成浓度场,用PIV测量得到速度场同时用Mie散射测量得到高施密特数的浓度场,由此可以计算得到速度和浓度相关,并用实验数据直接检验大涡模拟中亚格子应力Smagorinsky模式和亚格子质量通量梯度模式。

磷化合物的火焰抑制中湍流混合作用数值研究

首先构筑了含磷化合物添加剂的甲烷氧化复杂化学动力学机理,验证了该机理的可靠性,进而采用随机Monto Carlo概率密度函数PDF模拟,详细计算了部分搅拌器中考虑湍流混合作用的磷化合物的火焰抑制行为,讨论了湍流混合时间与驻留时间比τmix/τres对火焰结构的影响、熄火、以及包含关键火焰自由基重组的催化循环等问题.

用二阶矩模型研究Richtmyer-Meshkov不稳定性诱导湍流混合

发展了考虑密度脉动和各向异性湍流的二阶矩模型,强调了涉及湍流能量产生项的关联。采用该模型对Poggi等的激波管实验进行了模拟。通过与实验结果的比较分析,验证了采用的模型封闭、模型常数、数值算法和程序实现是合适的。在此基础上,进一步探讨了冲击马赫数和Atwood数对混合的影响。