圆柱亚临界-临界-超临界流动特性的大涡亚格子模型比较研究

为获取圆柱在亚临界、临界和超临界区内的气动特征,基于大涡模拟并分别采用Smagorinsky亚格子尺度模型和动力亚格子尺度模型计算了Re=4.1×10^4~8.2×10^5内的绕流场.将获得的圆柱定常与非定常气动特性与相关文献进行了对比.研究表明,两种亚格子模型均能给出圆柱升力系数平均值、RMS值和涡脱St数的合理估计,能预测阻力系数的下降.但两种亚格子模型均无法准确预测临界区阻力系数的快速下降、不同Re数下压力系数平均和RMS值在圆柱表面的分布.在临界和超临界区,Smagorinsky亚格子尺度模型可能高估了亚格子湍流粘性;相反,动态亚格子模型可能在流场部分区域明显低估了亚格子湍流粘性.

混流式水轮机导叶叶道内湍流场的大涡模拟

应用非定常不可压缩流体N-S控制方程和大涡模拟动态亚格子湍流模型,基于混合网格技术,采用SIMPLEC算法实现速度、压力变量的分离求解,得到了型号为A55x的某试验模型水轮机活动导叶全流道速度场、压力场以及涡量场分布。计算结果表明,活动导叶绕流形成的涡带向下游进一步发展,造成转轮进口速度及压力分布的不均匀,直接影响转轮内的流动状态。同时还研究了导叶后不均匀流场的动态特性,发现越靠近下游时间平均的压力和速度不均匀度越来越小,但各断面的瞬时不均匀度值相差较大,提出寻找叶后时间平均上始终处于最小速度不均匀度的断面应成为未来水轮机水力设计的重要设计指标。

可压缩湍流边界层近壁区马蹄涡的演化

采用大涡模拟方法对可压缩槽道湍流进行了数值模拟。通过给定扰动波方法确定进口边界条件,很快得到了完全发展的湍流。利用动态亚格子模型、预处理技术以及高阶格式和方法,得到了精确的数值结果。计算得到的速度剖面和脉动分量与直接数值模拟的解进行了对比,验证了计算结果的可靠性。结果清楚地展示了湍流场中马蹄涡的生成和演化过程,包括对称涡腿、单侧涡腿的马蹄涡结构,以及流场中存在由亚谐波引起的拟序结构的交错现象。分析了湍流边界层近壁区可能出现的复杂的马蹄涡结构,及其涡结构形状也不严格对称的现象。

尺度自适应模拟和大涡模拟的关联性分析

采用理论分析和数值模拟相结合的方法,系统研究了尺度自适应模拟(scale-adaptive simulation,SAS)和大涡模拟(large-eddy simulation,LES)的关联性问题.在理论分析方面,对比分析了系综平均和滤波的定义、Spalart-Allmaras(SA)湍流模型和动态亚格子(subgrid-scale,SGS)模型关于湍流黏性系数的求解方式.理论分析结果表明,系综平均等价于盒式直接滤波,SAS和LES的控制方程在数学形式上具有一致性;SAS存在过多的湍流耗散,主要来自于SA输运方程中的扩散项.在数值模拟方面,选取来流Mach数0.55,Reynolds数2×10~5的圆柱可压缩绕流为分析算例.计算结果表明,SAS和LES预测的大尺度平均流场信息几乎一致,SAS预测的湍流脉动信息略低于LES.SAS在圆柱近尾迹区的湍流耗散过大,而在稍远的尾迹区几乎能够完全等效于LES.

离心泵内部湍流的大涡模拟研究

应用不可压缩流体N-S控制方程和大涡模拟动态亚格子湍流模型,基于非结构网格和滑移网格技术,采用SIMPLEC算法实现速度、压力变量的分离求解,得到了某新型离心泵从进口到出口的全流道各过流部件的速度场和压力场分布.数值模拟结果与试验数据结果吻合较好,可为泵的优化设计提供有益的参考.

SLAU格式在大涡模拟方法中的应用

采用格心格式的有限体积法求解三维大涡模拟控制方程,成功地将最新改进的SLAU格式推广到大涡数值模拟方法中。SLAU格式的空间重构方式采用五阶WENO格式,时间推进采用LU-SGS隐式时间推进。湍流模式为最新提出的基于随机分析的动态亚格子模型。计算了圆柱绕流、NACA4412翼型绕流、NACA0012翼型绕流三个算例,分别从可压缩较大迎角翼型绕流、可压缩跨音速翼型绕流以及不可压缩低马赫数圆柱绕流三个方面验证了将SLAU格式应用到湍流大涡数值模拟计算中的可行性。结果表明,结合SLAU格式的大涡模拟方法可以达到较好的数值模拟效果,同时间接检验了基于随机分析的动态亚格子模型的数值模拟效果。

水下航行体壁面脉动压力的大涡模拟研究

湍流壁面脉动压力是重要的水动力噪声源,开展相应的计算与试验研究十分必要。作者在大涡模拟的理论框架下,结合精细网格生成技术,对于水下航行体的壁面脉动压力进行了数值预报。首先,详细描述了所使用的大涡模拟方程与动态Smagorinsky亚格子模型,介绍了离散求解的数值方法。其次,利用大涡模拟计算了SUBOFF模型主体与附体上的表面压力分布,并利用试验结果进行了验证,分析了大涡模拟方法计算定常流动的可靠性。再次,计算了平板的湍流壁面脉动压力,并与CSSRC的消音风洞试验结果进行了对比,分析了大涡模拟方法计算非定常流动的可靠性。最后,对于水下航行体模型主体上三个位置与围壳上四个位置处的壁面脉动压力进行了大涡模拟,得到了脉动压力1/3OCT频谱,分析了频谱高频与低频特性以及衰减特性,并用试验结果进行了验证。研究表明,本文建立的水下航行体壁面脉动压力的数值预报方法是可靠的。

改进大涡模拟方法及其在建筑结构风场模拟中的应用

掌握结构周围风场及其特性,是开展建筑结构抗风设计的基础。结合流线迎风Petrov-Galerkin(SUPG)稳定化方法和三步流体有限元方法,提出一种适用于模拟结构周围风场的高雷诺数风流动的大涡模拟方法(LES)。将亚格子运动方程弱解形式与SUPG稳定项相结合进行有限元空间离散,对时间离散采用高精度的显式三步有限元方法,压力场通过求解泊松方程得到。结合节点滤波函数和广义箱式滤波函数,发展了一种基于非结构化有限元网格的简洁、快速的空间滤波技术,该技术可使动态亚格子模型(DSGS)计算时储存量低且计算量小。所提方法可对建筑结构周围风场进行稳定、快速和精确的数值模拟,是分析结构周围风场特性和结构风荷载的有效工具。算例中,应用建设的动态亚格子模型(DSGS)模拟立方体建筑周围风场(雷诺数为420 000),并对平均风场和瞬时风场在流线、速度场、压力场和涡量场等方面进行了分析,详细阐明了建筑物表面(三维)大尺度涡结构并实现数值可视化。