基于大涡模型的床面形态与水流相互作用过程模拟研究

为判断动床弯道中二次流和涡结构模型的模拟精度,基于Barbhuiya的90°水平弯道冲刷水槽试验,比较了大涡模型(LES)和RNG k-ε模型对弯道冲淤过程中床面形态模拟的精确程度,发现LES模型结果更加精确。基于LES模型模拟结果,通过使用Q准则识别二次流产生的底部涡结构,分析了涡结构对床面冲刷淤积的定量影响。结果表明:在清水冲刷动床弯道的过程中,Q值介于30~50之间时底部涡趋于稳定存在,Q值大于50时会明显影响床面冲淤;强大稳定的涡结构会使床面形态逐渐稳定,床面冲刷和淤积速率趋于一个定值,床面冲刷和淤积速率不超过2×10^(-6)m/s。进一步分析弯道内剪切流速与床面形态的关系,发现弯道内存在两类高剪切流速区域,当第一类区域剪切流速值大于第二类时,床面会出现深度大于0.10 m的明显冲刷坑。研究结果可为弯道中冲淤平衡和床面形态模拟提供参考。

基于大涡模型水轮机压力脉动的数值预测

基于N S方程和大涡湍流模拟(LES)模型,采用贴体坐标和四面体网格系统,对控制方程进行变换和离散,并用SIMPLE算法求解,对混流式水轮机全流道内的三维非定常湍流进行了数值模拟,并对水轮机尾水管内的涡带压力脉动进行了数值预测。

曲面边界黏性绕流的湍流模型改进方法研究

多尺度旋涡现象广泛地存在于工程领域的湍流中.研究湍流的重要方法是大涡模拟,但大涡模拟中的过度耗散问题是曲面边界、多尺度旋涡模拟所面临的主要困难.为了克服过度耗散的缺陷,使大曲率曲面边界的多尺度涡流脉动特性预报更准确,文章采用正则化变分多尺度模型(RVM)改进了壁面自适应涡黏模型(WALE)中的亚格子模型,并采用C++语言在Open FOAM开源平台实现了计算代码编译.文章以经典圆柱黏性绕流作为曲面边界黏性绕流的代表,讨论了改进的大涡模型(MWALE)中滤波算子对亚临界雷诺数(Re=4.0×10^(4))波算子阶数(n)敏感.四阶滤波算子(n=2)能准确地预报圆柱壁面的平均涡量及尾流瞬时涡量分布、再循环旋涡长度和速度剖面,而二阶滤波算子(n=1)无法准确地预测分离区和尾流区内脉动速度剖面,因此在强压力梯度区四阶滤波算子预测的压力分布、脉动升阻力与实验结果吻合的更好,能更准确地捕捉到多尺度旋涡结构.

计算模型对空气静压轴承特性分析有效性的影响

空气静压轴承具有精度高、摩擦小和寿命长的特点,被广泛应用于航空航天等领域。不同空气静压轴承气膜的承载面积和厚度的差距悬殊,导致气膜内部的流场极为复杂,传统的基于层流假设的N-S(Navier-Stokes)方程已无法精确预测该轴承的工作特性。为此,以圆盘形中心供气小孔节流空气静压轴承为研究对象,基于气体润滑和湍流理论建立其气膜流场数学模型,分析了气膜流场内湍流斑形成涡旋后的发展运动以及向平滑层流过渡的过程。在相同工况下,针对气膜厚度较小(<10μm)时的特征流场采用k-ε模型,针对气膜厚度中等(10~20μm)时的特征流场采用大涡模拟(large eddy simulation,LES)模型,针对气膜厚度较大(20~30μm)时的特征流场采用“k-ε模型+层流模型”。然后,设计并搭建空气静压轴承静态特性测试实验台,以验证所采用计算模型的准确性。结果表明:根据不同工况选择适宜的计算模型,可提高空气静压轴承气膜流场的计算精度。当气膜厚度小于10μm时,气腔内湍动程度较大,宜采用k-ε模型进行描述;当气膜厚度增大到10~20μm时,气腔内大涡旋以一定速度沿半径方向扩散并输运能量,宜采用LES模型进行描述;当气膜厚度增大至20~30μm时,气膜的容性效应增强,使得气腔内后半部分呈现层流特征,宜采用混合计算模型进行描述。研究结果为不同工况下空气静压轴承的设计提供了参考数据,准确选择计算模型有利于缩短研发周期。

障碍物对预混火焰特性影响的大涡数值模拟

障碍物在预混气体火焰传播过程中对其结构及传播特性造成较大影响,对火焰的加速和爆燃转爆轰过程(deflagration-to-detonation transition,DDT)起到直接的促进作用。通过障碍物条件下可视管道中甲烷/空气预混火焰传播实验,捕获其火焰微观结构变化。采用三维物理模型,采用壁面自适应局部涡黏模型(wall-adapting local eddy-viscosity,WALE)的大涡模拟(large eddy simulation,LES),并用火焰增厚化学反应模型(thickened flame model,TFM)对实验过程进行重现。分析开口管道中预混火焰翻越障碍物后的复杂流场变化,并分析层流向湍流转变过程的特点。揭示了在障碍物影响下预混火焰扰动失稳现象的直接原因,是由障碍物引发的3个气流涡团同时作用而形成Kelvin-Helmholtz不稳定及Rayleigh-Taylor不稳定现象耦合作用所导致。

不同交汇角度明渠交汇口三维水力特性的大涡模拟研究

采用气液两相流混合模型对不同交汇角度下等宽明渠交汇口三维水力特性进行了数值模拟研究。选取大涡模型(Large Eddy Model)封闭两相流时均方程,求解速度与压力耦合方程组时使用半隐式SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法,模拟自由水面采用VOF(Volume of Fluid)法。将交汇角度为90°时采用大涡模型计算得到的纵向截面水面线和不同测线上的速度分布与文献中的试验结果相比较,两者吻合良好,且水面线高度误差在4.2%以内,由此可见大涡模型是模拟交汇口水力特性的有效方法。进而将大涡模型用于模拟交汇角度为30°、45°、60°的交汇口水流,得到交汇口处的水深变化及流场的分布规律,并定量分析了交汇口下游各横断面流速不均匀系数的分布规律。结果表明:在整体上交汇角度越大,交汇口各特征横断面流速不均匀系数越大,即水流流速分布越不均匀。

高速空调列车内气流组织的大涡模拟

高速空调列车车厢内气流的温度场和速度场研究是空调列车内气流组织设计的重要基础,也是空调车内舒适环境评价的依据。考虑到高速列车车厢内复杂的几何结构、数值模拟的边界条件以及空气流场的湍流特性,本文采用湍流大涡模拟方法对高速列车车厢内空气流动与热质传递过程建立了数学模型,采用有限容积法进行区域离散,应用均匀六面体网格划分车厢,并在同位网格的基础上采用SIMPLEX算法,考虑车内座椅、行李架等障碍物以及车体各壁面辐射、车窗热流、乘客散热和高速列车运行特性等因素的影响,对高速列车车厢内空气流场和温度场进行数值模拟。其结果对高速列车的空调效果及车内舒适环境的优化提供了依据。

T型丁坝对90°弯道水力特性影响的大涡模拟研究

为了解决实际河流弯道中水流对凹岸冲刷严重而凸岸泥沙淤积的问题,有必要对弯道中布设了丁坝后的水力特性进行研究。采用气液两相流大涡模型模拟90°弯道明渠增设了丁坝后的水流水力特性。通过比较弯道纵向流速模拟值与试验值,结果吻合较好,得出大涡模型是模拟弯道水流水力特性的有效方法;通过分析弯道处水平面和不同弯转角度横断面的流速和流场分布规律,得出弯道环流的流态特征,即靠近凸岸的近底面处较凹岸近水面处存在较大的二次流强度;在弯道中布设丁坝后可有有效的消除弯道环流,而且T形丁坝无论是在改善弯道水流流态方面还是在自身安全性上都有更大的优越性。

室内火灾烟气流动的三维大涡数值模拟

室内火灾具有较高的危险性,是建筑火灾造成人员伤亡和财产重大损失的灾害之首。利用计算流体动力学(CFD)的方法,建立了室内火灾时期烟气流动的三维大涡数值模型,目的是通过对火灾烟气流动的数值模拟,为多室火灾的控制和人员救助提供理论基础。模拟结果认为,火灾及附近地区温度较高,烟流浓度较大,高温引燃其他易燃物品的可能性加大。通风与火灾的发展状态存在密切关系,通风既能降低室内温度,加快烟流及有毒有害气体的扩散速度,同时也为火灾的进一步发展提供条件。从模拟结果与实验验证可得出结论:火源功率大小及房屋的几何尺寸影响着火灾程度、温度及烟流浓度的分布和变化,数值计算的结果总体上与实测结果存在较好的一致性。

旋涡进动流量计的抗干扰设计

本文运用计算流体动力学方法研究旋涡进动流量计的流道流体动态特性。结果表明：在有限的流道区域内，存在强度相近，频率相同，而相位相差180°的流体振动点。基于这一结果，研制出抗干扰性能很强的新型旋涡进动流量计。

四种典型钝体结构绕流风场的三维大涡模拟研究

高雷诺数条件下采用大涡模型研究缩尺比为1∶200的四种典型体型建筑物(方形、矩形、L形和U形)的钝体绕流现象,在确保连续性和计算效率的条件下提出采用修正的自回归滤波模型模拟入口边界的脉动风速条件,并通过与理论计算结果的对比分析验证所提方法的正确性。对不同体型不同风向下六种计算工况进行瞬态动力分析,研究钝体表面空间风压分布特性及钝体周围流场的竖向和横向风速剖面分布特性,给出钝体对周围流场影响的最大干扰范围。结果表明:钝体迎风面平均压力系数分布较顶面、侧面和背面均匀、稳定,脉动风压系数受涡旋运动状态影响较大,最大值出现在侧风面流场分离、涡旋运动最强处;钝体对周围流场的影响随距离的增大而减小,且对尾流区流场的影响最强,最大干扰范围为0.25H(来流区)、0.4H(屋顶区)、0.5H(侧边区)和3H(尾流区)。

湍流模型在列车空调气流组织中的应用

空调车室内空气的速度场,温度场研究是空调车室内气流组织设计及空调室内舒适环境评价与研究的基础。针对零方程模型,k-ε湍流模型,湍流大涡模型在列车空调气流组织中的应用进行分析比较,所得结论对列车的空调效果及车内舒适环境的优化提供了依据。

梯形断面明渠丁坝绕流水力特性三维大涡模拟

对梯型断面明渠非淹没式单一丁坝绕流水力特性进行三维数值模拟,为丁坝的设计和施工提供理论基础支持。数值模拟采用两相流混合模型,并分别选取大涡模型(LES)和RNG k-ε湍流模型封闭两相流时均方程。速度与压力的耦合使用半隐式SIMPLE算法,模拟自由水面采用了VOF法。通过不同截面流线图和流速矢量图的比较得出大涡模型能更好地捕获水流瞬时流动特性,动态再现二次流动结构;并将其模拟的丁坝后回流区域边界线与试验值对比,两者吻合良好,表明大涡模型能够很好地模拟明渠丁坝绕流的水力特性分布规律。

水跃区脉动壁压的大涡模拟

应用大涡紊流模型,对水跃区脉动壁压特性进行的数值计算。研究表明,通过合理选择固体壁面的当量粗糙度和Smagorinsky常数,可以得到计算域内任意点的脉动压强时程线。与试验结果对比可知,由大涡模拟得到脉动壁压的时均值、标准差、概率密度和功率谱密度等与试验结果吻合较好,表明可以应用大涡模拟方法研究水流的脉动壁压。

三维钝体结构风压分布与绕流特性的大涡模拟研究

针对风场作用下三维钝体结构的绕流特性与空间风压分布特性,采用大涡模型对其进行了数值模拟研究,以平均风速和脉动风速作为入口边界条件,在稳态分析的基础上对9种不同来流方向的工况进行了瞬态动力分析,再现了钝体绕流的冲撞、分离、重附着等现象,揭示了钝体绕流主、次涡循环区的形成、发展机理,提出了空间风压场分布的一般规律。研究表明:钝体绕流对流场风速剖面影响的强弱程度依次为尾流区、屋顶区、来流区,且对中心区域流场风速剖面的影响要大于两侧流场,并由中心区域向两侧逐渐减小;来流区钝体绕流特性与空间风压分布特性较屋顶区和尾流区稳定,尾流区涡旋的非对称生成、脱落对钝体左右两侧流场的冲撞、分离、重附着等具有重要的影响;来流方向与钝体呈45°或135°夹角时,对尾流风场的影响范围最小,但随着来流方向逐渐垂直于钝体,尾流影响区域也逐渐增大。

引水隧洞施工通风Euler-Lagrange两相流大涡模拟

目前,地下通风两相流研究主要集中在矿井巷道通风且研究多采用雷诺时均法,无法准确获取湍流瞬态信息以及尘粒在湍流脉动影响下的瞬时运移规律.本文基于分子动理学理论,建立考虑热交换的三维非稳态EulerLagrange两相流颗粒轨道大涡模型,实现了对引水隧洞施工通风两相流的大涡数值模拟,揭示了引水隧洞风流场瞬态发展机制及颗粒在大涡结构影响下的运移规律,并验证了模型的准确性.运用该模型模拟某水电站引水隧洞施工通风排尘过程,结果表明:大涡模拟能捕捉到湍流脉动细节,结果较雷诺时均法更接近实际;通风可有效降低工作面附近温度;颗粒分布由初始的颗粒簇逐渐弥散,最终对隧洞全断面造成污染;通风3,700,s后,绝大多数颗粒从隧洞出口排出.

不同入流条件及偏航角下的单风机尾流特性

随着大型风电基地建设,上游风机在运行时会使下游风场风速下降,湍流度增大,造成下游风机发电功率降低,加剧风机的疲劳破坏并缩短其服役周期。因此,亟需开展风机尾流研究,明确其特性及演化规律。为了揭示不同入流及偏航角下的单风机尾流特性,基于单风机尾流风洞试验,验证基于大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)结合致动线模型(Actuator Line Model,ALM)数值模拟方法的准确性;基于LES-ALM模拟方法研究入流风场(包括风速及湍流度)及偏航角对风机尾流特性的影响,阐明正负偏航角下单风机尾流的对称性。结果表明:随着背景湍流度的增大,风机尾流恢复速度加快;当入流条件相同时,风机设置正负对称偏航角,其尾流风速也表现出一定的对称性;风机偏航角越大,风机尾流膨胀宽度会逐渐减小,并降低尾流风速的亏损程度。

基于LES-WAVE模型的燃油喷射雾化数值模拟

针对燃油喷射雾化在船用柴油机上的广泛应用,基于大涡湍流模型(LES)、液滴破碎模型(WAVE)、液滴碰撞模型(O′Rourke),对燃油射流分裂雾化过程进行数值模拟。着重研究了所建立的数学模型应用于喷雾数值模拟的基本思路,并与试验对比,结果证明所建立的数学模型可以精确地预测喷雾贯穿距及其空间形态。

基于三种湍流模型的竖缝式鱼道水力特性研究

为研究不同湍流模型对竖缝式鱼道数值模拟的适用性和准确度,采用RNGκ-ε模型、大涡模拟(LES)模型及分离涡(DES)模型3种湍流模型对某竖缝式鱼道进行数值模拟,并对比分析了模拟的竖缝式鱼道流态特征、流速及湍动能等水力指标值与实测数据。结果表明,3种模型均可较为准确地解析鱼道池室流态特性,其中DES模型最能反映竖缝式鱼道的流态、流速分布;综合模拟成本后,RNGκ-ε模型在湍动能模拟方面较其他两个瞬时模型具有优势。因此,鱼道数值模拟在不追求较高精度流场特征的要求下,应优先选用RNGκ-ε模型。研究结果可为今后数值模拟在鱼道工程的应用提供参考。

ADS无窗靶件自由界面模拟实验和数值研究

冷却剂自由界面形态的形成和控制是加速器驱动的次临界系统(ADS)无窗靶件设计的关键技术之一。采用水介质对无窗靶件模型的自由界面特征进行了实验和数值研究。实验中采用激光诱导荧光的示踪方法实现了流场的可视化,得到Re=30 000～50 000范围内的自由界面和可视化流场。在高Re工况下,流场中出现大尺度的非稳定涡结构,随着Re的降低,流场中涡结构的紊乱程度增加。分别采用大涡模型(LES)和两方程动能-特征耗散率模型(kω-SST)对无窗靶件实验工况进行了数值分析,计算结果表明,LES能较好地模拟实验中所得的流场现象和界面特征。