文丘里喷嘴空化流大涡模拟亚格子模型对比研究

针对文丘里喷嘴不同机制下可压缩空化流开展了大涡模拟(LES)研究,并对比讨论了3种常用的亚格子模型的适用性。结果显示,各模型在预测回射流机制和凝结激波机制的流速与空化云脱落周期上表现良好。在空化云演化过程中,WALE模型在两种机制下的模拟吻合度最佳,SL模型预测溃灭过程提前,蒸汽相体积分数偏小;KET模型吻合度最差,溃灭过程以及周期内脱落存在时间延迟。初步发现回射流机制下的喉部压力功率谱密度分析服从-5/3标度律,凝结激波机制服从-7/3标度律。

基于动态亚格子模型的方柱绕流大涡模拟

目的对高雷诺数下的方柱绕流进行数值模拟,得到方柱下流场时间平均结果以及湍流流场的流场特征,用于验证亚格子模型对大涡模拟(LES)计算精确性的影响.方法基于有限体积法(FVM)的流体计算开源软件OpenFOAM,采用两种不同动态亚格子模型下的大涡模拟方法,模拟高雷诺数(Re=2.2×104)下的方柱绕流.结果通过数值计算得到流场完整的平均和脉动结构,并得到阻力系数、升力系数、斯托拉哈数等重要的气动力参数,经对比与试验实际情况吻合.结论高雷诺数复杂流场下亚格子应力的封闭形式对大涡模拟的计算结果有重要的影响,采用动态模拟技术一方程模型计算结果优于常规的Smagorinsky模型,在高雷诺数复杂流场下的计算是高效的,为结构抗风的数值研究提供了参考.

代数亚格子湍动能模型及非黏性亚格子应力模型在喷雾大涡模拟中的应用

在KIVA3V中将考虑简化的代数亚格子湍动能模型的3种亚格子尺度模型和K方程湍动能模型的非黏性亚格子应力模型纳入程序中,对定容弹中柴油的喷射和雾化过程进行了数值研究.以燃油液相和蒸气相分布的试验数据为依据,揭示了代数亚格子尺度湍动能模型对燃油喷雾计算结果的影响,并且与K方程亚格子湍动能模型进行了对比,同时分析了加入的非黏性亚格子应力张量模型的适用性.结果显示3种亚格子应力模型及代数亚格子湍动能模型的组合可以有效地模拟流场中湍动能变化对液滴弥散速度的影响,从而使液相贯穿距及液相和气相浓度分布与试验结果更为接近.同时,该代数模型所计算的亚格子尺度湍动能与K方程模型计算结果相当吻合.非黏性亚格子模型可以计算相对准确的喷雾结果.

二阶双系数动态亚格子应力模型

基于亥姆霍兹速度分解定理和Smagorinsky模型,提出二阶双系数动态亚格子尺度应力模型,即亚格子尺度应力是可解的应变率张量和旋转率张量的函数。应用有限差分法对此模型的控制方程进行了离散,并数值模拟得到了弯管内部的流场分布和压力分布。把雷诺数为40000的弯管流动的实验数据和此模型的模拟结果相比较,证明此模型是可行、可靠的。

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.

二阶动态亚格子尺度应力模型

提出了一个基于亚格子尺度应力与速度梯度张量之间关系的二阶动态模型· 然后利用在高雷诺数的流场直接数值解的结果对此二阶模型进行检验· 直接数值解的流场包括均匀各向同性强迫湍流,衰减湍流以及均匀旋转湍流· 数值检验结果发现与一阶动态模型相比,二阶模型的相关系数提高·

不同亚格子模型在亚声速槽道流大涡模拟中的应用对比

湍流边界层流动是一种广泛存在于飞行器内部和外部的流动现象,是基础理论和模型验证的重要研究对象.能够捕捉大部分流动细节且计算量适中的大涡模拟(large-eddy simulation, LES)方法在湍流数值模拟中得到了越来越广泛的应用.文章基于格心有限差分方法,使用4阶紧致中心格式离散N-S方程无黏项,分别应用5种不同的亚格子(subgrid-scale, SGS)模型,即隐式, SM(Smagorinsky model), DSM(dynamic Smagorinsky model), WALE(wall-adapting local eddy-viscosity model)和CSM(coherent structures model),对Re=3 000, Ma=0.5的等温壁面槽道流动进行了大涡模拟研究.与实验值和直接数值模拟(direct numerical simulation, DNS)结果对比后发现,流场平均温度、平均密度等热力学量以及平均流向速度对亚格子模型不敏感,不适宜作为判断模型优劣的判据.亚格子模型在壁面附近的耗散越大,壁面摩擦速度以及阻力系数就越小.对于与速度相关的脉动量来说,不同模型得到的结果在壁面和脉动峰值附近误差比较大,中心线附近较小;显式模型结果在流向速度峰值处均高于参考值,而在展向和壁面法向速度脉动峰值处则均偏低.考虑显式的4种模型在壁面附近的涡黏系数分布, DSM和CSM曲线满足涡黏系数与无量纲壁面距离3次方成正比的分布规律, SM曲线斜率偏小而WALE曲线斜率偏大.

格子Boltzmann亚格子模型的研究

为了将格子Boltzmann法应用于大雷诺数流动的模拟,本文将Smagorinsky亚格子模型和LBGK模型相结合,并对该亚格子LBM模型进行了研究。利用该亚格子LBM模型,对二维顶盖驱动流进行了模拟,得到了若干大雷诺数下流线图和方腔中心线上无量纲速度分布。计算结果与基准解进行比较,两者相互吻合。

大涡模拟Smagorinsky模型用于磨粒流精密加工喷嘴的质量控制研究

为研究固液两相磨粒流加工喷嘴小孔过程中的流场分布、涡旋形成规律及涡旋的存在对磨粒流加工的影响机制,采用Smagorinsky亚格子模型对磨粒流加工喷嘴小孔的流道进行大涡数值模拟,并使用磨粒流对变直径喷嘴工件进行加工试验。数值模拟发现磨粒流流体中磨粒与壁面的碰撞与剪切作用随流体的速度增大而增大,同一截面的速度存在速度差,其中还伴随涡旋的存在;通过试验研究发现:经固液两相磨粒流加工后的喷嘴小孔表面质量得到明显提高,喷嘴经过四次不同入口速度的磨粒流加工后大孔处表面粗糙度Ra由1.24μm降至0.542μm,小孔处表面粗糙度Ra由1.21μm降至0.437μm。结论显示固液两相磨粒流加工技术可有效提高被加工喷嘴工件的内表面质量,加工时同一截面的速度存在速度差,速度差的存在利于涡旋的形成,涡旋的存在利于提高磨粒流加工过程的剪切作用,有助于获得高质量的喷嘴小孔内通道表面。

基于Smagorinsky和Vreman模型的竖通道内旋转热流场大涡模拟

为了确定Vreman亚格子模型对于有侧开缝的竖通道内旋转火焰热流场模拟的适用性,基于一竖通道内旋转火焰实验场景,分别使用基于Smagorinsky和Vreman亚格子模型的大涡模拟技术进行了模拟。通过对所得结果比较确定基于Smagorinsky亚格子模型的大涡模拟技术可以得到与实验吻合的火焰状态,而使用Vreman亚格子模型会在一定程度上低估旋转火焰周围的粘性耗散,从而过高地估计旋转火焰周围的切向速度,使火焰不能保持相对稳定的旋转状态。

舱室壁火仿真的不同亚格子模型适用性分析

有限空间舱室内墙壁火灾具有很大危害性,为研究火灾大涡仿真时不同新型亚格子模型的适用性,对半封闭实验舱室中墙火蔓延和火灾烟气运动过程进行了大涡仿真。分别采用常系数Smagorinsky模型、动力学Smagorinsky模型、Deardorff模型及Vreman模型等不同的亚格子模型与混合物分数燃烧模型结合,分析得到了舱室内烟气温度、主要组分浓度及地面辐射热流密度随时间的变化,将数值仿真得到的结果与实验测量结果进行了比较分析。结果表明,采用常系数Smagorinsky模型计算耗时最少,采用动力学Smagorinsky模型耗时最多。四个亚格子模型对主要组分浓度和辐射热流密度的预测精度基本相等,但Deardorff模型对烟气温度的预测结果与实验结果最接近,综合考虑仿真精度和计算耗时采用Deardorff模型最合适。

基于Vreman亚格子模型的有限开口空间内热驱动流数值模拟

利用基于Vreman亚格子模型的大涡模拟技术对有开口的单室和双室房间内热驱动流进行了数值模拟,利用函数分析法定量分析了模拟结果的准确性,并与Smagorinsky亚格子模型的模拟结果进行了比较。结果表明,Vreman和Smagorinsky亚格子模型的计算结果均能够满足工程的需求,但Vreman亚格子模型在开口附近区域的温度和U速度计算结果在整体上比Smagorinsky亚格子模型更接近实验值;Vreman亚格子模型未像Sma-gorinsky亚格子模型那样过高地估算壁面附近高温区域的粘性耗散;对于单室房间内热烟气层高度的预测,采用Vreman模型得到的计算结果准确性比Smagorinsky亚格子模型提高近50%。

基于三种亚格子模型的空腔振荡流动计算

使用三种亚格子应力模型,对长深比(L/D)为5的三维矩形开式空腔的可压缩流体进行大涡模拟计算。研究得到的空腔自激振荡频率与Rossiter公式计算结果和实验结果吻合良好,结果显示振荡能量主要集中在较低频率区域,压力幅值主要出现在前三阶模态。Dynamic Smagorinsky-Lilly(DSM)模型在空腔前后壁面附近区域的脉动强度分布比Smagorinsky-Lily(SM)模型更为接近实验值,Wall Adapting Local Eddy Viscosity(WALE)模型的脉动强度分布与实验值最为接近。由空腔底部监测点声压级分布及声压频谱图可以看出:WALE模型性能最佳,DSM模型结果也与实验结果相符合,SM模型的预测性能略差。

不同亚格子尺度模型对气动噪声仿真精度的影响

大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)湍流模型在汽车外流场及气动噪声模拟计算分析中有着广泛的应用,高精度的非定常流场计算结果是有效进行气动噪声仿真分析的前提和基础。采用现代简易汽车模型(HSM模型),基于不同亚格子模型的LES对其进行非定常流场计算分析以及声场计算,并利用模型内部监测点的实验数据和仿真计算的结果进行对比验证。结果表明,使用WMLES模型可以得到更为准确的结果。

相干结构的尺度相似性与尺度相似亚格子模型

为了对多尺度相干结构在湍流大涡模拟尺度相似亚格子模型中的作用进行实验测量研究,分析尺度相似亚格子模型的适用尺度范围以及尺度相似亚格子模型沿平板湍流边界层法向的变化规律.用热线风速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率精细测量了风洞中平板湍流边界层不同法向位置流向速度分量的时间序列信号,用局部平均速度结构函数检测湍流多尺度相干结构的条件采样方法将壁湍流信号中的多尺度相干结构成份与非相干成份分离,比较去除多尺度相干结构成份前后尺度互相关系数的变化规律,研究多尺度相干结构在湍流不同尺度间动量、能量传递的机理.研究表明,不同尺度的湍流结构相似特性存在一个尺度范围,大涡模拟的尺度相似亚格子尺度不能大于能量最大尺度.

亚格子模型对泵喷推进器宽带非定常力预测的影响研究

为了研究亚格子模型对泵喷推进器非定常流动与宽带非定常力预报结果的影响,采用分块结构化网格建立了模型尺度下艇后泵喷推进器的计算模型,并进行了大涡模拟数值计算。从艇尾非定常流场特征量和推进器转子脉动载荷两个方面对比了三种不同亚格子模型计算结果的差异,并分析了泵喷内部流动与转子非定常力间的内在联系。研究结果表明:三种亚格子模型均能得到含有叶频宽带峰的轴向推力谱,且整体趋势相近。泵喷转子上游的湍流强度和尺度的分布对亚格子模型较敏感,其中Smargrinsky-Lilly模型得到的湍流强度较强,尺度较大,该模型下的湍流谱在非平衡区量级较大,但由低频向高频的衰减较快,并且预测到的分离区范围大,导叶尾缘脱落涡分散,导致转子上游来流空间分布不均程度较强。对于转子叶片上的载荷脉动,Smargrinsky-Lilly模型预测的推力谱中线谱成分明显,并且叶频处宽带谱峰“陡峭”,而WALE模型和KET模型的结果宽带特性较强,对比非定常推力测试结果可知,WALE模型和KET模型更适于该问题宽带非定常力预测。

亚格子模型对三维扭曲水翼空化现象的影响

[目的]旨在探究三维扭曲水翼空化数值模拟中网格密度及亚格子模型的适应性问题。[方法]为此,使用大涡模拟(LES)方法和Schnerr-Sauer(S-S)空化模型对Delft Twist11N三维扭曲水翼的非定常空化流场进行数值模拟,重点研究3套不同密度的网格和WMLES,SL,WALE这3种亚格子模型对Delft Twist11N水翼空化演变过程、空化脱落频率及时均升阻力系数等的影响。[结果]结果表明:适当的网格加密形式既能够捕捉到较多的细小空泡脱落、马蹄形云空泡的初生与溃灭等非定常空化演变现象,又能够获得具有较高精度的空泡脱落频率、时均升阻力系数和时均压力分布。相较于WMLES和SL亚格子模型,WALE亚格子模型较好地捕捉到了片空泡及云空泡的演变,在预报空泡脱落频率、时均升阻力系数及压力系数方面精度较优。[结论]因此,推荐采用基于WALE亚格子模型的LES方法进行非定常云状空化的数值模拟。

多孔介质内流体流动的大涡格子Boltzmann方法研究

为研究多孔介质内流动随Re数变化的特点,采用结合Smagorinsky亚格子模型的格子Boltzmann方法(LES-LBM)对多孔介质内流动进行了数值模拟.结果表明:多孔介质内的单相流动在高Re数时会表现出复杂的非线性现象;LES-LBM克服了传统LBGK方法模拟高Re数流动时容易产生数值不稳定的缺点,能清晰地描述出多孔介质内流动存在的3个区域,即低速时的线性达西区、过渡区和高速时的非线性二次区;不同Re下的流线图还说明微观的惯性作用最终导致了多孔介质宏观上的非线性现象,多孔介质流动呈现明显的多尺度特征.进一步分析计算结果可以证明:LES-LBM方法能准确地验证Darcy-Forchhimer阻力方程,Darcy-Forchhimer总阻力随Re数增加而增加,随孔隙率增加而减小,并且小孔隙率下的Forchhimer阻力占总阻力比例小于大孔隙率时的比例.

基于格子Boltzmann方程的大涡模拟对湍流时空关联性的研究

将格子Boltzmann方程和大涡模拟(LBE-LES)相结合,提出适应于格子Boltzmann方法(LBM)的涡黏性亚格子尺度模型,开展均匀各向同性湍流时空关联性的研究.采用D3Q19格式计算湍流的三维能谱、湍动能耗散率和其它高阶统计量,与实验和直接数值模拟结果的比较表明,该模型比传统涡黏模型有明显改进.考察了不同亚格子模型预测湍流频率波数能量谱的能力,结果表明,尺度涡产生的横扫作用是造成小尺度涡时间去关联的主要因素,不同波数的频率能量谱之间有一定的相似性,横扫速度是描述湍流频率波数能量谱的特征量.

速度估计模型在大涡模拟中的应用

介绍了速度估计模型的基本思想及其在物理空间的实现。速度估计模型依靠湍流大尺度的非线性作用估计出小尺度,从而可直接求解亚格子应力项而不需要额外的模型。本文采用该模型对不同雷诺数下的各向同性衰减湍流进行了模拟,并与直接数值模拟、理论分析和其他亚格子模型的大涡模拟结果进行了比较。也初步考察了网格分辨率、不同精度的紧致格式对大涡模拟结果的影响。