S_2流面正命题适用于纯物质流体的变分原理族及实际蒸汽跨声流动的变分有限元解

一、前言 自从叶轮机械基于两类流面迭代的三元流动通用理论提出以来,国内外在对叶轮机械的各种气动命题的求解方面已作大量工作,并得到令人满意的计算结果。但在流动工质的物性对流动的影响方面开展工作尚少,尤其在变分有限元计算方面,几乎还是空白。

S_2流面正命题适用于纯物质流体的变分原理族及其对偶变分原理族

本文建立了适用于纯物质流体轴流式S_2流面正命题的变分原理族及其对偶变分原理族。证明了其中的两条狭义变分原理在均转子焓均熵条件下在亚声速区内分别为极大值原理和极小值原理。在变分原理的构造中,采用吉布斯关系作为约束,从而使这些变分原理适用于纯物质流体。

适用于纯物质流体工质S_2流面半反命题和A型杂交命题的变分原理族

文献[2]建立了轴流式叶轮机S_2流面半反命题、A型杂交命题的变分原理族。文献[1]在此基础上提出混流式叶轮机S_2流面半反命题和A型杂交命题的变分原理族,避免混流式中可能出现解的不确定性及分区处理的麻烦。但这些文章中所提出的变分原理均只适用于完全气体工质,使这些变分原理的应用受到一定的限制。例如对水蒸汽及氟里昂等工质,在某些极限工况下,如果再以完全气体的模型求解,会与实际情况相差较大。本文提出可将以上各变分原理推广至纯物质流体工质,从而使这些变分原理具有较强的适应性。

突然扩张方管中三维湍流流动的数值模拟

本文运用ＳＩＭＰＬＥＣ算法计算了突然扩张方管中的三维湍流流动，湍流模型采用ｋ－ε模型．计算结果详细反映了突然扩张方管中三维湍流流场．从本文结果可以看出，由于突然扩张方管几何形状非轴对称，且尺寸有限，边壁对流场的作用是不可忽略的．以往文献中常见的二维突然扩张湍流的数值模拟结果与三维情况有较大差别，在靠近边壁的区域差别很大，因此对于突然扩张方管中湍流流动的数值模拟应用三维模拟．本文计算所得突然扩张截面后主回流区长度与实验结果接近．本文方法可为数值模拟突然扩张方管中湍流流场及各物理参数的分布提供有效工具．

基于流动仿真大数据应对旋涡-湍流的研究进展

文章以流体科学进入二十一世纪后,在大规模超算、云存储、数据通信和人工智能为支撑的大数据时代背景下,结合目前在复旦大学航空航天系所构建的热流体湍流直接数值仿真数据库,以及复旦大学团队近期与美国德州大学刘超群教授、上海理工大学蔡小舒教授以及国内水动力学杂志编辑部所合作开展的第三代涡识别技术研究,初步概念性地展示旋涡和湍流,特别是针对有工程实际背景和直接应用价值的壁湍流,在这两个流体力学关键基础议题上的最新认知,和基于大数据深度学习的相关湍流工程模拟实践成果.这些成果包括:(1)基于第三代涡识别技术的尾迹湍流中的涡运动学和动力学探索;(2)流-热统一完整的类-1、类-2湍流边界层壁面律构建;(3)基于第三代涡识别量对Kolmogorov幂次律的再认知;(4)基于DNS统计数据和神经网络深度学习构建新型湍流封闭模型及RANS计算实践.通过这些成果展示,论证解决这两个基础流体科学议题的技术路径,进而促进流体及相关学科研究在现代大数据背景下取得实质性进展和突破,并惠及现代流体、气动、水利、动力和化工等工程领域.

NUMERICAL SIMULATION OF THREE DIMENSIONAL TURBULENT FLOW IN SUDDENLY EXPANDED RECTANGULAR DUCT

In this paper,to simulate the three dimensional turbulent flow in suddenly expanded rectangular duct numerically,the SIMPLEC algorithm is employed to solve the incompressible Navier-Stckes equation with k-εturbulence model.The numerical resulis show well the three dimensional turbulent flow field in the rectangular duct behind the sudden expansion cross-section. and agree.fairly well with the experimental result of the length of the main circumfluence.The numerical method of this paper can be applied to numerical analysis of this kind of turbulent flow.

方型和矩型环管湍流直接数值模拟分析:I.平均流场,对直管道充分发展湍流边界层的再认识

通过对槽道,方型环管及矩型环管内一系列充分发展湍流的系统直接数值模拟研究,建立直管内充分发展湍流数据库,其中包括详细的湍流统计数据:(1)湍流平均流场,即平均流向速度与湍流驱动平均二次流(史称Prandtl第二类二次流);(2)湍流雷诺应力场;(3)湍流能量谱.在此基础上,作为系统研究的第一部分,本文对这些流动构型的湍流平均流场,包括平均流向速度,由湍流驱动的平均二次流结构以及平壁-角域剪切应力等,进行仔细剖析,进而总结出具有规律性的重要物理内涵.建立了直管内充分发展湍流边界层的广义壁面律,其中涵盖了von Karman平壁律和Xu90°凸,凹角域律.通过构造广义抑制函数和广义加强函数来定量描述和揭示这些规律之间的数学物理联系.首次提出在广义湍流边界层的框架下,泛型直管道边界层内层底部无量纲壁面切应力可以在一个较为宽广的范围内存在,即w0Ud3.23.5.而传统意义上由von Karman平壁律所支配的单位无量纲切应力,即层流底层关系wUy1,则仅为广义壁面律中的中性情形之特例.广义湍流边界层概念的提出和直管内充分发展湍流广义壁面律的建立,对传统意义上的湍流边界层及其密切相关的平壁律物理机制和相应数学表述进行了重新认识和重要拓展,由此达到对泛型直管内充分发展湍流边界层再认知的目的.

二维叶栅通道直接数值模拟涡系分析

该文基于有限体积法对NACA0065叶栅内二维不可压缩流动进行直接数值模拟,得到不同雷诺数下叶栅通道内的瞬时涡系结构和时均物理量分布,进而表明了涡系结构对叶片气动系数的影响。在低雷诺数情况下,尾迹旋涡的周期性脱落频率导致升阻系数的周期性变化。利用傅立叶变换,气动系数谱中的主频与涡脱落频率精准对应,进一步分析表明次频是由脱落周期内相邻区域的不同涡核低压区交替出现而导致。在高雷诺数下,气动力系数频谱中出现了更多的高频谐波。此外,该文利用Liutex理论中的R-S分解和涡量输运方程解释了NACA0065叶片表面剪切层产生旋涡的机理,并研究了强剪切区和弱剪切区处的涡核特性。该研究结果可使工程界对NACA0065叶栅中的相应旋涡结构及其相互作用有了更深入的物理理解。

基于直接数值模拟数据和神经网络的湍流封闭模型构建

雷诺平均Navier-Stokes方程(Reynolds-averagedNavier-StokesRANS)是目前工程上高效数值模拟湍流的基本方法,但这一方法需要给出关于雷诺应力的湍流封闭模型。该文从环形方管流场的直接数值模拟(DirectNumerical Simulation,DNS)数据出发,构建了一种基于神经网络的湍流封闭模型。文中利用环形方管流场DNS结果中的平均速度场及其梯度场作为流动特征输入量,与雷诺应力张量中各分量分别建立神经网络映射,从而构造出平均速度场及其梯度场与湍流雷诺应力的非参数化映射关系。计算结果表明,通过对环形方管DNS数据的深度学习,神经网络模型可有效地表达湍流时平均流场与雷诺应力之间的映射关系,并且能够准确地重构DNS所给出的雷诺应力,进而采用RANS基本方程捕捉到传统湍流模型中难以模拟的湍流驱动二次流现象,为新型湍流封闭模型的构建及其工程计算的实现提供创新思路。

类-1湍流边界层时平均壁面垂向速度普适解析律

湍流边界层普适统计规律的探索一直是湍流研究中的重要课题之一。该文在前人成功获得零压梯度平板湍流边界层流向速度普适规律的基础上,对壁面切应力仅为流向坐标函数的类-1湍流边界层,采用时-空间平均摩擦速度为尺度,根据壁面律研究中所获得的经验,设计构造了反映垂向速度边界层特征的指示函数(IndicatorFunction,IDF),进而完整获得了对湍流垂向时均速度边界层各个亚层的严格定量划分。在此基础上,该文提出不依赖于雷诺数的三控制参数解析公式,对类-1湍流边界层壁面垂向速度进行预测。该文对其中的控制参数,如抑制长度和抑制强度特征量进行了物理剖析,验证了相关控制参数对边界层壁面垂向时均速度描述的准确性和有效性。研究首次清晰地得到了类-1湍流边界层垂直壁面方向时均速度分量的各个亚层特征,清楚地界定了关于壁面垂向速度分量的内层、双对数线性层、尾迹过渡层和尾迹层的划分,并发现了与时均流向速度半对数层相对应的垂向速度双对数线性层,即ln(7)v(8)与ln(7) y(8)呈线性关系的区域。湍流壁面垂向速度边界层普适统计规律的发现及其解析描述,即分别基于时均局部和时-空间平均摩擦速度为尺度的壁面垂向速度解析表达,与之前流向速度边界层壁面律相结合,将形成表述平板湍流边界层不依赖于雷诺数的普适完整壁面解析规律,即平板完整解析律(Analytical Wall Law),为相关流体工程应用及测量技术提供了数学物理基础。