后台阶流动再附着过程的大涡模拟研究

应用自主开发的大涡模拟程序数值模拟研究了后台阶流动中再附着过程的演变。在流动几何参数不变情况下 ,给出了再附长度随雷诺数的变化规律 ,并与实验进行了比较 ,二者相符得比较好。在此基础上 ,给出了三种典型雷诺数下 ,后台阶流动的回流区特征。在湍流情况下 ,研究了突扩比对再附长度的影响 ,与实验结果吻合的比较好。详细讨论了湍流情况下大涡拟序结构的瞬时再附着过程。

基于小波分析后台阶流动中的湍动能能谱分布

利用小波分析良好的时频双局域性特点,对准周期性非定常流场的速度信号进行了多辨析研究.使用大涡模拟方法得到了后台阶流动的流场,借助正交离散小波变换将流场中各处的速度信号在不同频带上逐层分解.提出了以特征频带名义频率和特征频带速度幅值作为描述流场各点处湍动能在不同频带上能谱分布的量化指标的新方法.以分析后台阶流动的脉动速度场为例,结果表明,所提出的方法可以为改进大涡模拟方法中的网格分布提供理论依据.

运用VOF模型模拟开敞式水泵吸水池内后台阶流动

开敞式水泵吸水池内流动是具有自由表面的复杂流动。本文利用VOF(Volume of Fluid)模型对开敞式水泵吸水池内的后台阶流动进行了数值模拟,模拟结果与试验数据基本吻合。VOF模型是模拟开敞式水泵吸水池内流动的一种有效方法。

等离子体控制下后台阶流动的数值模拟

为探究介质阻挡放电等离子体对流动分离的控制效果,应用Fluent软件对后台阶流动的分离和再附着进行数值模拟,并将结果与现有试验进行对比,验证仿真方法的准确性。在此基础上,在台阶后部施加等离子体仿真模型,观察其对后台阶流动分离的控制效果。结果表明:等离子体流动控制能明显减小后台阶流动的再附着长度,且存在最佳控制位置;当来流风速为5 m/s时,可将再附着位置提前45. 27%;当来流风速增加时,等离子体的控制效果变弱;当增加激励电压时,控制效果增强。

微尺度后台阶流动的Monte Carlo直接模拟

对DSMC方法中压力边界条件的实现给出了一种改进的方法,并分区模拟了微尺度后台阶气体流动,得到了其流动的一般典型结构.计算结果表明经典后台阶流动中的回流区在一定参数范围内仍然存在,但上壁面的分离区消失.讨论了流动参数对流动结构的影响,并给出了再附长度与流动参数的关系.

基于后掠台阶流动的航空发动机尾锥流线型设计方法

受后掠台阶流动中旋涡形状类似于航空发动机中尾锥的启示,提出了发动机尾锥的流线型设计方法。对平面后掠台阶流场通过流线捕捉技术得到尾锥母线,该母线绕中心轴旋转所得即为流线型尾锥。通过全三维湍流数值模拟,对流线型尾锥和具有相同扩张比的圆锥形尾锥的流场进行了比较,得出了流线型尾锥在气流参数分布、流动组织上均具有优异性能的结论。

水泵吸水池后台阶流动的自由液面的试验研究

本文利用激光片光源的方法,对后台阶来流的水泵吸水池自由液面进行了测量,得到了不同工况下自由液面高度的平均分布图,并与实际拍摄结果进行了对比,结果非常吻合;试验结果表明台阶高度、进口来流速度和淹没深度的变化对吸水池自由液面的波动产生重要的影响。

孔板后台阶流动与钝化诊断中测压位置寻优

针对孔板下游流场的后台阶流动问题进行了仿真研究,可知当雷诺数大于10,000后,其旋涡回流区长度固定,并且由仿真实验可以得到回流区长度数据.对于因孔板迎流面直角边磨损钝化造成的畸变流场,可用差压比值算法进行流场畸变量即钝化量诊断与测量值校正,但测压点位置寻优的实验方法采用凑试法,效率低、不具有通用性,故将旋涡稳定性用于测压点位置寻优研究中,得到了诊断算法测压点优化经验数据,实验证明其提高了寻优效率并具有通用性,同时也适用于其他类似情况.

入口速度分布对后台阶流动模拟的影响研究

为深入研究台阶入口速度分布情况对后台阶流动的影响,利用Fluent软件,分别使用S-A和标准κ-ε两种湍流模型,将不同的速度分布情况作为速度入口条件,对后台阶流动进行数值仿真计算,研究了入口条件差异导致的水平速度曲线在近壁面处的凸起情况,并将计算结果与试验数据和已有研究成果进行比较。结果表明,两种湍流模式下,在附着点距离和速度分布曲线上均存在普遍而明显的差异,且这种差异受入口条件影响较大,进而得出了合理的速度入口条件,能有效减小计算结果与试验结果的误差,对理论分析和工程应用均具有参考意义。

后台阶流动的数值模拟

简述了大涡模拟的基本思想,指出大涡模拟的效率主要取决于四个因素,即流动中须有大尺度涡存在、合理的计算格式、合适的滤波器和亚格子应力模型。在深入考虑粘性不可压缩流Navier-Stokes方程各个子项作用的基础上,提出二阶全展开Euler-Taylor-Galerkin有限元方法作为大涡模拟的离散格式,并采用Gauss滤波器,对典型算例——后台阶处的流动进行大涡模拟,计算结果与相关文献符合的很好。从计算结果还可以看出大涡模拟与二阶全展开ETG有限元方法的结合在捕捉涡系及反映涡动时变过程方面具有明显的优势,说明大涡模拟适合于边界几何形状复杂区域流动的模拟。同时应用二阶全展开ETG有限元方法对低雷诺数粘性不可压缩后台阶流动进行了计算,得到与相关文献符合良好的计算结果,即该方法也可独立用于对低雷诺数粘性不可压缩流动的计算。

基于格子Boltzmann方法后台阶流动特性的研究

格子玻尔兹曼方法(LBM)是近几十年来发展的一种介观尺度的数值模拟方法,具有良好的处理复杂边界的能力和并行计算能力。利用LBM对后台阶流动进行了数值模拟,得到了不同雷诺数下后台阶流动的特性。研究结果表明,在低雷诺数情况下,台阶后再附着点与分离点的距离随着雷诺数的增加而变大;在高雷诺数情况下,台阶后再附着点与分离点的距离随着雷诺数的增加而增加,增长幅度逐渐降低,当Re=8000时,再附着点与分离点之间的距离趋于稳定,并达到峰值;随着雷诺数的继续增大,这个距离开始减小,最终趋于一个定值。对于高雷诺数下的后台阶流动,采用LES-LBM的方法进行模拟,与前人的实验数据吻合得很好,表明LBM-LES模型对高雷诺数后台阶流动进行模拟具有较高的精确性。

基于等离子体激励器后台阶流动控制的数值模拟

为探究表面介质阻挡放电(SDBD)等离子体对后台阶流动分离的控制效果,采用Suzen等提出的等离子体对流体作用的数值模拟方法,应用Fluent软件计算电场分布及电荷密度分布方程,最后得到等离子体体积力,并将结果与现有实验数据进行对比,验证仿真方法的准确性。在此基础上,在台阶前部施加等离子体激励,观察其对后台阶流动分离的控制效果。仿真结果表明:等离子体气动激励能明显减小后台阶流动的再附着距离;当来流风速为1 m/s时,可将再附着长度减小53.92%;当来流风速逐渐增加时,等离子体气动激励控制效果逐渐减弱;当增加激励强度时,控制效果增强。

DBD低温等离子体控制下前台阶流动的数值模拟

为了研究DBD(介质阻挡放电)低温等离子发生器对前台阶流动分离(钝体绕流经典问题之一)的控制效应,利用Fluent软件中的用户自定义函数UDF功能,将等离子体的作用效果以体积力源项的形式添加进N-S方程,对前台阶流动进行数值模拟。结果表明,在来流20 m/s的情况下,通过开启布置在台阶上表面的等离子体发生电极,台阶壁面上的流动分离得到有效控制,分离区减小80%左右。

基于等离子体合成射流的后台阶流动控制

为实现对后台阶流动的控制,采用等离子体唯象模型,通过数值模拟的方法,将等离子体设置在台阶竖直壁面上的双开口方腔中构成合成射流,研究其对后台阶流动的控制。结果表明:无论是上部开口吸气、下部开口吹气还是上部开口吹气、下部开口吸气都能将主流再附点的位置提前。吸气效应能够将分离区流体吸入,减小分离区的强度,吹气效应能够为分离的主流注入动量,加快主流的再附,随着激励强度的增强,控制效果也得到增强。当将等离子体设置在方腔的上部,激励电压为5 kV,激励频率为6 kHz,并在上部开口吸气,下部开口吹气时,分离区尺度最小、控制效果最佳,相对基态工况可将再附点前移52.9%。

不同亚格子模式在后台阶湍流流动大涡模拟中的应用

本文用大涡模拟方法研究了湍流后台阶流场中的大涡演变过程,并在此基础上研究了目前大涡模拟中比较常用的六种亚格子模式。在相同的流动几何参数以及计算条件下,给出了不同亚格子模式下湍流流动瞬时压力场以及流场中瞬时粘性大小的分布,尤其给出了流场瞬时演变的大尺度涡结构。将六种亚格子模式从回流区长度、计算时间、计算结果的准确性和流场稳定性等不同角度进行了比较。为选取合适的亚格子模式深入研究湍流耗散机理奠定了基础。

后台阶分离流动中大涡结构演变的数值模拟

本文对后台阶分离流动中涡结构的演变进行了大涡模拟,研究了流场结构的变化规律。详细讨论了随着雷诺数的增加流场结构的典型特征的变化规律,指出流场中的涡结构随着雷诺数的增大变得十分复杂和丰富,回流区的数目、大小及其出现的位置也显著地不同。这些结果与已有的一些实验值和流场显示结果是吻合的。在此基础上,进一步研究了高雷诺数时流场中大尺度涡结构的瞬时发展和演化过程,展示了其中大涡的产生、追随、吸引、合并和破碎等过程。对于高雷诺数情况,对大涡模拟得到的数值结果进行了统计,得到的时均速度分布以及台阶后方的回流区长度与现有的其他实验结果符合得很好。本研究是针对后台阶分离流动深入开展湍流控制以及两相流动研究的基础。

气粒两相二维后台阶突扩流动的大涡模拟

对气粒两相后台阶流动,利用大涡模拟方法模拟气相场,用轨道法模拟颗粒相运动.计算中气相亚格子模式(SGS)采用了标准的Smagorinsky模式,研究了气相场大涡演变规律,并给出了速度时均统计值与实验结果的比较,吻合很好.在此基础上深入研究了不同Stokes数下颗粒的运动规律以及不同入口滑移条件下的颗粒运动规律,进一步对直径为150μm的玻璃微珠进行了模拟,得到了颗粒相速度时均统计结果,并与实验结果进行比较,吻合良好.这为细观框架下研究气粒两相相互作用规律提供了依据.

后台阶气固流动的双流体大涡模拟和二阶矩两相湍流模型的验证

用基于气体Smagorinsky亚网格应力模型和颗粒动理学模型的双流体大涡模拟(LES)和统一二阶矩两相湍流模型的RANS模拟(USM-RANS),对后台阶气固流动进行了数值模拟。瞬态模拟结果给出各向异性两相湍流结构和颗粒弥散的发展过程。LES经过统计平均得到的颗粒速度及颗粒均方根脉动速度和USM-RANS的模拟结果与实验结果的对照表明,两种模拟结果和实验结果在定量上吻合较好。因此USM模型基本上得到了LES的验证。但是在剪切流区域中,LES得到的颗粒-气体纵向脉动速度关联的峰值大于USM-RANS模拟的结果,这就表明LES和USM-RANS模拟还需要进一步验证和改进。

三维低雷诺数后台阶流动的Lattice Boltzmann Method模拟

Lattice Boltzmann Method(LBM)是近年来兴起的新型流体计算方法,该方法已成功应用模拟各工程中的流体流动.本文利用该方法研究在低雷诺数的不同雷诺数下三维后台阶流动的计算,并与前人的研究结果进行了比较,计算表明:与传统的计算流体力学方法相比,该方法具有极易处理复杂的边界条件和卓越的并行计算性能.已证明该方法在模拟恒温、不可压和低雷诺数条件下的流体流动时,有非常好的计算精度.

二维气固两相后台阶流动的大涡模拟

采用大涡模拟、Smagorinsky亚格子应力模型及SIMPLER算法,数值模拟了气固两相流体后台阶流动中各物理量的输运特性。首先,讨论了后台阶流动中分离涡旋结构和回流区长度随入口速度分布、台阶上游长度的变化情况;然后,用颗粒追踪法,计算了不同入流速度、不同粒径的颗粒在后台阶流场中的扩散行为。计算结果表明,选择抛物线型入口速度分布,能比较好地模拟真实的后台阶流动;在气固两相流动中,颗粒运动是气相涡旋和固相颗粒惯性共同作用的结果,随着颗粒粒径的增加,颗粒对气体涡旋的跟随性逐渐变弱,而其惯性特性表现得越来越显著。当大量颗粒由不同粒径组成时,颗粒的扩散将具有选择性,显示出多尺度耦合现象。所得结果有助于解释风成地貌形态的形成机理,也可以为风沙流风洞模拟实验设计提供一定的理论指导。