非均匀各向同性介质中声波传播的盒式积分法模拟

利用积分差值法,将运动方程、自由边界条件上的吸收边界条件进行积分,根据高斯定理,得出二维非均匀各向同性介质中的声波传播的二阶显式格式。避免了不准确的二阶中心差分算子,对自由表面、人工边界及交接层面可以方便且精确处理。编制了声波方程的数值模拟程序,针对几种典型的地质模型,相应的计算了声波的数值模拟结果。

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。

非均匀各向同性介质中弹性波传播的盒式积分法模拟

为方便积分差值法的精确处理 ,利用积分差值法 ,将运动方程、自由边界条件及人工边界上的吸收边界条件进行积分 ,根据高斯定理得出了二维非均匀介质中弹性波传播的二阶显式差分格式。并针对几个典型的地质模型 ,计算了其弹性波传播的数值模拟结果 ,结果表明 ,该方法有较好的精度和稳定性。

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.

三维强迫均匀各向同性紊流直接数值模拟研究

均匀各向同性紊流作为紊动水流的一种简化特例,被广泛应用于泥沙悬浮、污染物扩散等问题的研究中。该文利用伪谱分析方法,建立了三维均匀各向同性紊流并行计算模型,利用直接数值模拟方法生成了不同初始能量谱和不同雷诺数条件下强迫均匀各向同性紊流流场,研究了强迫均匀各向同性紊流三维紊动特性。模拟结果表明:初始能量谱取值不会影响稳定后的紊动流场;不同雷诺数条件下,雷诺数越大,强迫均匀各向同性紊流紊动强度越大,形成的惯性子区越宽。

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.

均匀横向各向同性介质中P波及SV波的射线规律

常规的反射数据处理都假定介质为均匀且各向同性。研究表明 ,各向异性的存在会严重影响处理和解释的结果。在已有知识的基础上 ,研究了二维均匀横向各向同性介质中的射线传播规律并描述了速度各向异性波场的特征。对于准P波 ,各向异性参数ε、δ的绝对值决定波前面的形状 ,而ε与δ之差决定射线密度 ;对于准SV波 。

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。

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。

空间各向同性均匀噪声场中的子阵输出噪声相关性

阵列分子阵后由于子阵存在方向性,导致子阵输出噪声相关系数以及相关半径难以准确估计,从而严重影响阵列性能。针对这一问题,提出了共线子阵在空间各向同性均匀噪声场中输出噪声相关系数的解析计算方法。将噪声相关性计算公式中的波束响应项用子阵加权向量表示,再利用共线子阵的对称性对双重积分进行化简,最终得到不含积分项的解析解。利用该方法,分析了子阵不同参数对输出噪声相关性以及子阵波束形成的影响,结果表明,子阵阵元数、子阵的波束指向角以及子阵中心间距的对输出噪声相关性有重要影响,而子阵波束的旁瓣对噪声相关性的影响较小。数值仿真验证了噪声相关性计算方法的有效性以及相关结论的正确性。

二维均匀弹性层受表面集中力作用的基本解

研究二维各向同性均匀弹性层受到表面集中力作用时的基本解问题.假设弹性材料参数在介质内部各点均相等,且弹性层在表面处受法向集中力和切向集中力的共同作用.利用Fourier变换,可将该问题的控制微分方程组化为常微分方程组得出通解,并利用边界条件得出特解.相比传统弹性力学教材中的半逆解法而言,该方法可不必猜测通解的形式而直接求解.结果表明,弹性层表面的法向位移在集中力作用点处存在对数奇异性.

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。

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。

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.

吸收边界条件下弹性波散射的数值模拟

研究了一种非均匀各向同性介质中弹性波传播的数值模拟方法 ,此方法采用吸收边界算子近似远场条件 ,应用有限元方法解决了无限边界情况下波的散射 ,与解析解的比较证明了此方法的可靠性 ,由于采用的是三角形单元 ,此方法可灵活运用于具有一般几何形状的散射体和多个散射体情况。此外 。