适用于激波/边界层相互作用的线性涡粘性湍流模式

本文选择了两个激波 /边界层相互作用诱导分离的跨声速问题 (轴对称圆弧突起和二维管道突起 ) ,采用五个有代表性的湍流模式 (BL模式 ,JL k-ε模式 ,k-ω模式 ,SST模式和双尺度模式 ) ,通过将数值计算结果和实验结果进行比较 。

应用于激波/边界层相互作用的非线性湍流模式

选择8个近年来有代表性的非线性湍流模式,研究2个跨声速激波/边界层相互作用问题.采用的非线性湍流模式包括4个二阶模式和4个三阶模式. 2个跨声速激波/边界层相互作用的流动是轴对称圆弧突起绕流和二维管道突起流动.通过数值计算结果和实验结果的比较,对有关的非线性湍流模式进行评估和分析.计算结果表明,非线性模式的模化系数与平均流动应变不变量以及涡量不变量有关,反映了湍流的各向异性,比线性模式优越得多.

应用于激波/边界层相互作用的非线性与多尺度湍流模式

论文选择近年来有代表性的两个非线性湍流模式和两个双尺度湍流模式 ,研究二维管道突起跨声速激波 /边界层相互作用问题 .通过数值计算与实验结果的比较 ,对有关的非线性湍流模式和双尺度湍流模式进行评估和分析 .计算结果表明 ,非线性模式较好地反映了湍流的各向异性 ,结果明显优于线性模式 ;双尺度模式在一定程度上反映了湍流能谱输运的非平衡特征 ,相对于单尺度线性模式有所改善 ,但不能反映湍流的各向异性 .

侧壁约束下压缩激波/湍流边界层相互作用低频不稳定性实验研究

侧壁面约束条件下压缩激波/湍流边界层相互作用(Shock-Wave/Turbulent Boundary-Layer Interactions,SWTBLIs)呈现出区别于经典二维SWTBLIs的强三维特性,尤其是低频不稳定性问题自发现以来就受到了广泛关注,而其与下游压缩环境之间的关联性尚不明确。本文基于带侧壁约束的超声速压缩拐角构建三维受限的SWTBLIs流动,并通过自由射流风洞实验进行了系统研究,其中来流Ma∞=2.5,湍流边界层发展厚度对矩形流道宽度的占比约0.08,压缩拐角在12°~24°的宽范围内变化。通过不同压缩拐角下流场结构演化及壁面压力脉动信号谱特性的对比,揭示了侧壁面约束条件下压缩拐角对SWTBLIs低频大尺度振荡时间-空间演化行为的影响规律和作用机制。研究发现:压缩拐角角度较小时,侧壁面约束导致的“拖尾效应”有助于延缓压缩拐角附近流动分离模式的过渡,并抑制压缩激波的不稳定性;压缩拐角达到20°及以上时,压缩拐角前沿逐渐发展为大尺度流动分离模式,侧壁面约束的角区将首先发展出能量集中的低频脉动,并逐步演化为两种峰值频率分别约为50Hz和200Hz量级的不同大尺度间歇性低频振荡叠加行为,且伴随着压缩激波形态的显著改变;两种低频振荡行为都属于SWTBLIs流场的全局性不稳定振荡,但沿着展向振荡强度差异显著,角区内的振荡强度远远高于中心主流区域。

封闭空间中火焰-冲击波相互作用及缸内压力波动现象分析

研究了在自主设计的带孔板新型的定容燃烧弹中,采用氢气-空气作为燃料,得到不同强度的加速火焰和冲击波,证明了湍流火焰和冲击波的相互作用。利用高速纹影技术捕捉经过孔板之后产生的湍流火焰前锋和超声速传播的冲击波。分析孔径、孔隙率对火焰传播速度、冲击波强度以及缸内压力波动强度的影响规律。发现在一定的初始条件下,层流火焰经过孔板加速会产生清晰的冲击波,反射冲击波与火焰相互作用,会使得火焰发生往复传播。此时的缸内压力也会出现较大幅度的波动。这种火焰与冲击波的相互作用机理被认为是导致缸内压力大幅波动的原因。该研究为小型强化汽油机爆震现象的研究提供借鉴,也为DDT和脉冲爆轰现象的研究提供了一种新方法。

波浪运动在底边界层的湍流结构数值研究

本文基于k-ε模型研究了波流边界层内湍流结构特征。研究结果表明,时均流速分布数值解与实验结果高度吻合。一个波周期内湍流结构特征(如:涡量、湍动能、湍动能耗散率等)呈周期性变化规律,波浪作用引起涡量、湍动能及湍动能耗散率均在减速阶段减小,在波谷处达到最低值,而后在加速阶段增大,并在波峰处达到最大值。近壁面处湍流结构变化幅值较大(湍动能耗散率变化可达53%),远离壁面处变化幅值较平均值较小(仅3%)。波流边界层厚度在减速阶段增加,在加速阶段减小。本文所建立的数值模型克服了现有模型因采用“高雷诺数方法”引起的近壁区精度不高问题,可较好地描述波浪作用下湍流结构演变过程的物理机制,为河口海岸地区泥沙运动、岸滩演变及海洋可再生能源的开发利用提供一些指导意义。

激波-边界层-分离流相互干扰三维湍流的数值模拟

本文采用数值方法求解时间相关三维可压缩雷诺平均Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程组，模拟激波—边界层—分离流相互干扰三维湍流流动。湍流模型为Ｂａｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ两层代数模型，改进后用于三维内流问题。采用单元中心有限体积法离散流场控制方程，ＶａｎＬｅｅｒ矢通量格式计算无粘通量，中心差分法计算粘性通量，ＬＵＳＧＳ时间推进格式计算定常流场。本文以二元跨音速扩压器内三流动为算例，数值模拟较强激波—边界层—分离流相互干扰维湍流流动，并与实验结果进行了比较。数值模拟结果，在激波强度、分离点位置和再附点位置等方面，与实验结果吻合较好。

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。

求解激波/边界层相互干扰问题的有限体积方法

提出了一种高效的求解二维激波／边界层相互作用问题的算法．应用该方法分析了超音速绕压缩拐角的流动情况，与有关实验数据比较，结果令人满意．本算法采用Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔａ法对时间进行离散，湍流采用Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ模型．本算法可以推广到其他激波／边界层相互干扰的问题．

马赫数4二维直管内拟似冲击波实验和数值研究

通过计算流体力学数值仿真和高速彩色纹影照片显示技术对马赫数4拟似冲击波进行研究。实验是在日本室兰工业大学的压力—真空型超声速风洞中进行的。数值计算是采用三阶精度的QUICK格式和SpalartAllmaras湍流模型进行的。用实验验证CFD模型,计算结果与实验显示出较好的一致性。可以得出结论,从目前的CFD模型获得的计算结果是精确的。因而,实验很难获得的拟似冲击波流场内部一些流动量可以通过数值仿真结果进行分析。另外,推测了马赫数4拟似冲击波非对称的原因。

液晶显示方法研究管内马赫数4拟似冲击波流动

在一个压力-真空型超声速风洞中,剪切应力敏感的液晶表面流动显示技术被用来研究方管内马赫数4拟似冲击波的超声速流动。实验是在日本室兰工业大学的超声速风洞中进行。它提供了关于测试表面流动结构的定性信息,诸如湍流边界层分离和再附,以及边界层流动的维数等。液晶显示结果与纹影实验照片和油膜方法进行比较,证实了它是一种非常有效的表面流动显示工具。

大气边界层物理研究进展(2012～2017年)

本文总结了2012~2017年中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室大气边界层物理研究的最新进展,主要包括不同下垫面(城市、青藏高原、草原、沙漠、湖泊、海洋等)大气边界层观测实验、大气湍流和阵风相干结构的理论研究以及大气数值模拟的参数化改进等,同时对未来几年内大气边界层物理的发展方向做了展望。

一种计算超声速流中由湍流剪切层脉动引起的激波振荡频率的方法

在超声速或高超声速绕流中,一种很严重的脉动压力环境是由激波边界层相互作用引起的激波振荡.这种高强度的振荡激波可能诱发结构共振.因这一现象非常复杂,已发表的文章都采用经验或半经验方法.本文首次从基本流体动力学方程出发,给出了由湍流剪切层引起的激波振荡频率的理论解,得到了振荡频率随气流Mach数M_(∞)和压缩折转角θ的变化规律,计算结果与实验值是相符的.本文为激波振荡导致的气动弹性问题提供了一种有价值的理论方法.

壁面扰动对超声速湍流边界层拟序结构的影响研究

本文研究了壁面扰动对来流马赫数为2.0的超声速湍流边界层中相干结构和湍流输运的影响.通过对直接数值模拟数据的分析,本文讨论了与动量和热传输相关的物理量的瞬时分布和谱特性.研究发现,壁面扰动在增强动量和热传输方面发挥重要作用,其在近壁区域引起了与壁面扰动波长及其谐波长度尺度的能量湍流脉动.同时,壁面扰动也激发了大尺度运动,其长度尺度为湍流边界层厚度,这是由壁面扰动和某些尺度的湍流运动之间的非线性相互作用所致.壁面扰动还引起了较强的密度和压力脉动,通过改变声速面而穿透边界层,保持等熵的特性向自由流辐射.在此过程中,稳态壁面扰动被湍流扭曲,从而具有了多尺度和多频率的特征.

深厚大气边界层演变与湍流运动、沙尘滞空的研究

大气边界层是地球表面与大气之间水热、动量、能量和痕量气体等物质交换和输送的重要通道,在天气和气候的演变过程中有着重要作用。深厚大气边界层现象和特征、形成机理以及天气气候效应是大气边界层研究领域的热点问题,也是科学难题。着眼于对天气和气候高敏感、高影响的极端气候区和特殊地理区域,回顾梳理了深厚大气边界层的观测事实,归纳总结了不同地区深厚大气边界层的成因和影响因素,描述深厚大气边界层演变过程中独特的湍流运动图像,解析探讨了深厚大气边界层演变与沙尘滞空之间的关联。最后,提出了深厚大气边界层的未来研究关注重点和实现突破的4个关键科学问题,以期为更加系统地开展深厚大气边界层研究提供参考依据。

高超声速复杂外形再入体粘性流场的数值模拟

基于三维可压 Favre 质量加权平均 N—S方程,采用 B—L湍流模型模拟了高超声速条件下,球头大攻角双锥再入体周围的流场特征。利用一种改进的时间、空间二阶精度的 NND 格式,再现了高超声速条件下再入体周围的复杂流动现象,初步考察了激波与边界层的相互干扰,分析、对比了层流流场和湍流流场的流动现象的差别。

蜡纸存贮法在高超声速脉冲风洞舵—锥干扰流场显示中的应用

简述了蜡纸存贮法在高超声速脉冲风洞锥—舵干扰流场显示中的应用,给出了迎风面内舵周围干扰区立体和平面展开两种油流谱图,揭示了其三维干扰流动的特征。

Sajben扩压器复杂流动中湍流模型的性能评估

用8个常用的湍流模型对Sajben扩压器中跨声速流动进行了数值模拟,评估了Spalart-Allmaras,标准k-ε,RNG(re-normalization group)k-ε,realizable k-ε,标准k-ω,SST(shear stress transport)k-ω,v^2-f,Reynolds stress共8个湍流模型对激波/湍流边界层相互作用的模拟预测能力.通过与实验数据比较发现:SSTk-ω模型和v^2-f模型比其他模型模拟的更准确,其中SSTk-ω模型比v^2-f更能准确地预测壁面压力,然而对于分离点、再附点以及分离区长度v^2-f比SSTk-ω预测得更准确.

The experimental study of interaction between shock wave and turbulence

The interaction between shock wave and turbulence has been studied in supersonic turbulent mix layer wind tunnel. The interaction between oblique shock wave and turbulent boundary layer and the influence of large vortex in mix layer on oblique shock wave have been observed by NPLS technique. From NPLS image, not only complex flow structure is observed but also time-dependent supersonic flow visualization is realized. The mechanism of interaction between shock wave and turbulence is discussed based on high quality NPLS image.