可压缩均匀各向同性湍流的直接数值模拟

采用8阶精度的中心差分格式及7阶精度的迎风偏斜格式对Reλ=72～153,Mt=0.2～0.7的均匀各向同性湍流进行了直接数值模拟,建立了湍流数据库.与他人的计算结果吻合十分理想,说明方法的有效性.数值结果表明,采用适当的迎风型差分格式可以克服起动问题（start-up problem）对湍流Mach数的限制,提高可计算的湍流Mach数,是可压湍流直接数值模拟的有效方法.分析了压缩性效应对湍流统计量的影响,发现压缩性使得湍动能的衰减加快.探讨了可压湍流中微激波产生的机理,对流场进行了标度律分析.发现在本文的Reynolds数和湍流Mach数条件下,流场中扩展自相似性仍然成立,同时发现压缩性对标度指数影响不大.

三维不可压缩均匀各向同性湍流一维能谱

基于三维不可压缩均匀各向同性湍流的Karman-Howarth方程的精确解,详细讨论了对应一维能谱的动力学行为.特别关注的是在何种自变量函数的标度下,可以得到理论与实验相接近的对比结果.给出的理论预测结论与实验数据(Comte-Bellot和Corrsin,1971),至少在低湍流Reynolds数下具有较好的一致性.

各向同性均匀湍流近壁结构及泥沙起动

采用振动格栅产生的各向同性均匀湍流研究了泥沙的起动。应用PTV技术和局部光学放大技术对湍流场进行了测量,发现近壁面湍流动能的指数分布规律。分析了泥沙在均匀同性湍流中的起动机制,并用概率统计理论对泥沙的起动进行了定量的描述。通过测定泥沙起动事件的概率,得到了同种泥沙在不同流动参数下起动的临界湍流动能。

可压缩各向同性衰减湍流直接数值模拟研究

采用五阶有限差分WENO格式直接模拟了高初始湍流Mach数的可压缩均匀各向同性湍流,主要分析了湍流的统计特性和压缩性的影响,包括能谱特征、激波串、耗散率、标度律等.研究表明,湍动能主要来自于速度场螺旋分量的贡献;各向同性湍流的小尺度脉动对压缩性更为敏感,并且压缩性的增强加快了湍流大尺度脉动向小尺度脉动的湍动能输运;随着湍流Mach数的升高,胀量(压缩)耗散率所占比率也显著增长.标度律分析表明,强可压缩湍流的横向速度结构函数仍然具有扩展自相似性;当阶数较高(p≥5)时,纵向速度结构函数的扩展自相似性则不再成立.对于压缩性较弱的湍流,与不可压缩湍流一致,横向湍流脉动的间歇性要强于纵向湍流脉动;而对于强可压缩湍流,纵向湍流脉动的间歇性要强于横向湍流脉动.

均匀各向同性湍流的频率波数能量谱

对均匀各向同性湍流的频率波数能量谱进行了初步研究,得出均匀各向同性湍流中能量随时间、空间尺度分布的解析表达式,并运用直接数值模拟的方法对理论预测进行验证.数值结果很好地支持了理论预测:横扫速度是决定频率波数能量谱的特征量.

三维均匀各向同性两相湍流的直接模拟

本文对三维气粒两相均匀各向同性湍流进行了直接数值模拟。气相控制方程组采用分布投影方法进行求解,微分方程采用六紧致阶差分格式和快速Fourier变换结合求解;计算颗粒场时,采用Lagrangian方法。由该方法得到的能谱和各统计量与由谱方法得到的对应值进行了比较,吻合十分理想,对不同Stocks数颗粒在流场内的瞬态分布也进行了初步模拟,并观察到局部富集现象,证明该方法是进行两相湍流直接数值模拟行之有效的方法。

高精度中心-WENO混合格式在可压缩各向同性湍流大涡模拟中的应用

为提高可压缩湍流大涡模拟的格式精度和分辨率,通过引入当地压力脉动的感应因子和格式加权函数的取值界限,发展了一种数值耗散自适应可控的近似6阶中心-WENO(加权本质无振荡)混合格式,采用傅里叶法对离散格式数学特性进行了理论分析,并对一维激波/密度脉动干涉问题和三维可压缩各向同性湍流大涡模拟问题进行了计算。结果表明:近似6阶中心-WENO混合格式相比于5阶-WENO格式具有更小的耗散误差,且对激波和物理脉动均具有较高的分辨率;基于所发展的中心-WENO混合格式的大涡模拟计算结果与已有的直接数值模拟结果符合较好,且能够成功捕捉-5/3幂律能谱特性曲线;该格式标定了适合于可压缩流动大涡模拟的格式加权函数界限数值,为流体机械内部可压缩湍流的高精度大涡模拟研究奠定了算法基础。

均匀各向同性湍流中标量耗散的动力学特性

采用直接数值模拟方法,对具有平均标量梯度的被动标量场在稳定均匀各向同性湍流中耗散的动力学特性进行了研究(计算Reλ为25和48,Pr数从0.3-4.0).结果表明,标量耗散的形成主要是由于标量梯度同流场的应变张量压缩主轴耦合的结果,而涡量对标量梯度的形成只有较弱的影响,然而它可以产生与平均标量梯度方向相反的标量梯度,来抵消在大尺度上施加的平均标量梯度的影响,同时通过破坏标量梯度与应变张量之间的耦合来抑制大强度标量耗散的产生,借助于不变量理论发现,高强度的标量耗散主要产生在拓扑结构为、unstablenode/saddle/saddle流形区域,其对应的应变张量的特征值两个为正,一个为负;由于涡管的感生作用,也有少许中等强度的标量耗散位于流形为stablefocus/stretching的区域,

一种改进的均匀各向同性湍流初始化方法

均匀各向同性湍流是一种最简单的湍流理想状态,也是湍流基础理论研究的最重要对象之一.为了用数值方法产生均匀各向同性湍流场,一般采用Rogallo提出的方法在谱空间生成初始场,然后再转换到物理空间.研究表明,由该方法生成的初始湍流场在3个棱向上呈各向异性,在结构函数和速度概率密度分布上均有体现.尽管在初始场样本很多时,这种各向异性可以在平均意义上消除,但作为数值模拟采用的单个流场则波动较大,不利于在实际计算中作为单个初始场生成各向同性湍流.在此基础上提出一种改进的Rogallo初始化方法,称为模量平均法,将Rogallo方法在3个轴向分别进行,并进行模量平均,最后采用能谱进行模量控制.这种方法可以一方面保持初始场能谱,另一方面减小单个流场的各向异性波动,以产生各向同性程度更佳的单个初始场.在统计意义上,新方法可以分别将结构函数和速度概率密度的相对标准差减小约10%.

可压缩均匀剪切湍流的二阶矩模拟

基于对可压缩湍流中脉动压力场和脉动速度场特性的理论分析以及ＤＮＳ结果，建立了可压缩均匀剪切湍流中压力－变形率关联的压缩性修正模式．应用这个模式，加上Ｓａｒｋａｒ等建立的脉动体胀率项（ｄｉｌａｔａｔｉｏｎａｌｔｅｒｍｓ）的模式，预测可压缩均匀剪切湍流随时间的发展，所得雷诺应力各向异性张量的平衡值与Ｂｌａｉｓｄｅｌｌ等的ＤＮＳ数据非常一致．这个模式准确地预测出均匀剪切湍流中压缩性导致的雷诺应力结构的“流向化”和雷诺切应力分量的显著减小，从而正确地反映出自由剪切流动中压缩性效应抑制湍流动能发展的物理机制．

湍流热环境中毫米级木质生物质颗粒燃烧特性

燃煤机组耦合生物质甚至全燃生物质是高效低成本降碳的可行技术。生物质燃料破碎能耗高导致入炉粒径相对较大,部分大粒径颗粒在炉内高温湍流环境中的燃尽问题值得重视。采用四风扇对冲高温湍流实验装置,构造近均匀各向同性湍流流场。以两种粒径的木质生物质颗粒(d_(p,0)=2.5、6.0 mm)为研究对象,通过改变炉温(T_(gas)=500、700、900℃)和湍流脉动速度(u_(rms)=0~1.8 m/s),研究湍流脉动速度urms对毫米级生物质颗粒燃烧特性的影响。试验通过颗粒表面-中心温度测量系统记录了颗粒温度,通过彩色图像测量系统捕捉燃烧全过程,确定不同工况下生物质颗粒的燃烧时间、着火模式、火焰形态及粒径变化。结果表明,生物质颗粒通常倾向于发生均相着火,仅在T_(gas)=500℃时增大u_(rms)使着火模式由均相着火转变为异相着火。u_(rms)增至1.8 m/s,着火前颗粒升温速率提高了近30%,挥发分燃烧阶段颗粒表面温度升高约300℃。u_(rms)增加引起挥发分火焰锋面褶皱变形,均相燃烧强度增加,tvol略微缩短;生物质焦炭的孔隙发展更加迅速,大量氧气扩散进颗粒内发生反应,使焦炭燃尽时间大幅缩短40%以上,焦炭燃烧温度亦随之增加。颗粒湍流雷诺数Re_(p,t)越大,受湍流脉动影响越显著。升高炉温,增大u_(rms)对颗粒温度的影响将减弱,对缩短燃烧时间的影响越强烈。

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.

毫米级颗粒在湍流场中的传热及着火特性

燃料在强湍流中的燃烧广泛存在于实际工业装置中,研究湍流脉动对燃料传热及着火的作用对准确理解燃烧过程具有重要意义。目前,对于气体燃料和液滴在湍流脉动条件下的蒸发着火等过程已经有了非常详细的研究,而对于固体颗粒受热和着火的研究,大多数试验方法,如落管炉、单颗粒炉和平焰燃烧器等,是在层流条件下进行的。湍流条件下的研究方法主要包括高速射流、一维炉和旋流燃烧器,但普遍存在着光学可视性较差以及湍流强度难以调控等问题。为此,通过搭建能够在高温下运行的四风扇对冲实验装置,建立起湍流强度可调的近均匀各向同性湍流场,研究了湍流脉动对毫米级单颗粒升温及着火的作用。通过在不同风扇转速及环境温度下测量流场的瞬态速度分布以及颗粒温升曲线,获得了不同环境温度及湍流强度下颗粒的传热特性。基于粒径为4.4 mm的铜球传热试验结果提出了考虑湍流脉动作用的颗粒传热模型,并利用粒径为2.0 mm的铜球升温试验数据进行模型验证。研究结果表明,所建立试验台测量区域流场的脉动速度具有各向同性特征,且远大于时均速度,脉动速度大小随着风扇转速线性增加。脉动速度的增大使得煤颗粒着火提前、铜球颗粒升温速率加快,说明湍流对颗粒传热的强化作用不可忽略。通用的Ranz-Marshall公式会明显低估强湍条件下颗粒的升温历程,进而造成计算的颗粒着火延迟时间偏大。通过在Ranz-Marshall公式中引入附加的湍流作用项,并根据强湍流场中的试验结果拟合其中的系数,可以准确地表征湍流对大颗粒传热的强化作用。

湍流场中被动标量的细微结构

本文采用直接数值模拟方法,在具有平均标量梯度的各向同性湍流中,研究被动标量的小尺度结构特性及其与湍流场中应变与涡量的关系.对欧拉统计量及拉格朗日统计量的统计表明:标量耗散的形成主要是由于标量梯度同流场的应变张量压缩主轴耦合的结果,而涡量对标量梯度的形成只有较弱的影响,然而它可以间接影响大强度标量耗散的产生.强标量耗散的细微片状结构的形成时间尺度大约为10倍Kolmogrov时间尺度;在形成强标量梯度的细微片状结构过程中,应变强度随标量梯度同步增大,而涡量则先减小后增大,并在5倍Kolmogorov时间尺度时达到最大.

均匀各向同性大气湍流对声爆传播特性的影响

基于离散Fourier模态有限和生成的随机大气湍流场,采用修正波形参数方法,开展了均匀各向同性大气湍流对典型超声速客机声爆传播特性的影响分析。计算采用的超声速客机模型为自行生成的简化超声速公务机模型。首先,应用航空工业空气动力研究院自主研制的CFD软件ARI_Overset在三维空间求解Navier-Stokes方程,得到作为声爆远场传播初始值的近场空间压力分布;其次,基于Von Karman能量谱,采用离散Fourier模态有限和形式生成随机均匀各向同性大气湍流场;最后,采用修正波形参数方法模拟了声爆信号在随机速度湍流场中的传播过程。数值结果表明:各向同性大气湍流对于地面声爆特征有重要影响。与无湍流状态相比,均匀各向同性大气湍流使得地面声爆特征增强的概率约为55%,使得地面声爆特征减弱的概率约为45%,故总体而言大气湍流效应更倾向于增强地面声爆特征;均匀各向同性大气湍流对于声爆传播路径影响相对较小,但是这一变化仍会导致地面信号接收点的不确定性。

气固两相各向同性湍流的自适应网格模拟

气固两相湍流是一个复杂的多尺度,多物理场的难题。为了捕捉流场的小尺度涡以及其对颗粒的作用,传统上采用了静态的高分辨率网格,消耗极大的计算资源。本文基于小波算法对网格进行加密或疏化,从而实现网格的自适应。基于自适应网格的框架上,建立颗粒与流场分块的映射,搭建了欧拉–拉格朗日的气固两相流模拟的并行平台。通过对均匀各向同性湍流的验证,在网络压缩率以及颗粒并行通讯上有着较好的性能,在高效模拟气固两相流领域有着良好的前景。

对具有平均标量梯度的被动标量的直接模拟

采用直接数值模拟方法,对具有平均标量梯度的被动标量场在稳定、均匀各向同性湍流中的统计特性进行了研究(计算Reλ为25和48,Pr数从0.3到4.0)。模拟结果表明:标量的概率密度函数是高斯分布的;标量耗散率的概率分布是不对称性的,在它的左枝还存在明显的拖尾现象,并非对数正态分布;在Re数相同的情况下,随着Pr数的增加, 沿着平均标量梯度方向上的标量梯度其概率分布的偏斜度是减少的,反映出回归各向同性的趋势,而且在以涡量为条件的标量梯度的偏斜度变化曲线中发现涡量影响的饱和现象,我们认为这是由于涡量通过对标量场小尺度结构进行旋转作用来影响标量场的结果。

含激波、旋涡和声波的复杂多尺度流动的直接数值模拟

本文主要报道了我们近年来在银河并行机上采用五阶WENO格式所做的一系列直接数值模拟研究,主要包括激波与单旋涡相互作用、激波与旋涡对相互作用、激波与三维纵向旋涡的相互作用,以及可压缩各向同性湍流。研究的主要目的是揭示激波与旋涡间相互作用中的激波动力学特性、旋涡变形、旋涡破裂和声波的产生机理,以及湍流等多尺度复杂流动的流场结构和流动机理。研究表明,高阶WE-NO格式具有很好的分辨率和稳定性,是研究上述包含强间断与复杂流场结构的流动的理想数值方法。研究发现,激波与强旋涡相互作用具有多级特征,即激波与初始旋涡的相互作用、反射激波与变形旋涡的相互作用、小激波与变形旋涡的相互作用。激波与旋涡对相互作用中产生的声波包含两个区域:线性区和非线性区。在线性区,激波与旋涡对相互作用产生的声波是激波分别与每个旋涡单独作用产生的声波的线性叠加;而在非线性区则与激波和耦合旋涡对的作用有关。在激波与纵向旋涡的相互作用过程中,发现旋涡破裂区存在多螺旋结构。在高初始湍流马赫数的各向同性湍流脉动场中,也发现了广泛报导的"小激波"的存在,这是可压缩湍流有别于不可压缩湍流的显著结构特征。

自由湍射流边界层标度律的实验测量

用IFA300热线风速仪以低于最小低湍流时间尺度的高分辨率,精细测量了圆自由射流中同一流向断面内不同径向位置的流向速度分量,研究了不同径向位置的非均匀、非各向同性对充分发展湍流速度结构函数自相似标度律及其层次结构模型的影响.

纪念钱俭博士

钱俭于1979年赴美国纽约城市大学(The City University of New York)机械工程系,师从湍流学家陈善谟(Chan-Mou Tchen)教授,从事湍流理论研究.2018年11月30日,钱俭博士因脑溢血不幸在北京逝世.从近30年的英文文献来看,以英国Lord Kelvin(1824—1907)、Georey Ingram Taylor(1886—1975)、George Keith Batchelor(1920—2000)为代表所提出、建立的“均匀各向同性湍流(Homogeneous,Isotropic Turbulence,HIT)”理论,迄今为止,仍然是湍流理论研究的重要方法之一.当今,国际上将其视为“HIT”,寓意“热点”.