可压缩流大涡模拟耦合概率密度函数方法中的滤波压力模型

亚格子组分-温度关联项显著影响反应流大涡模拟精度。利用概率密度函数方法中概率等效的特点,发展一种新的滤波压力模型,可以良好封闭亚格子组分-温度关联项。介绍概率密度函数及其耦合求解方法,在已有模型基础上推导建立新的滤波压力模型,并在三维超声速氢气/空气时间发展反应混合层中对不同的滤波压力模型进行数值测试。结果表明,与传统的滤波压力模型相比,新的滤波压力模型可以明显改善反应混合层的模拟准确度。特别地,基于新的滤波压力模型,大涡模拟耦合概率密度函数方法可以较好地模拟链式反应中间微小组分如超氧化氢基等,有望更有效地再现自点火等复杂现象。

采用双混合分数/概率密度函数方法模拟混煤燃烧

混煤燃烧存在复杂的相互影响,将混煤当成单一煤种并采用单混合分数/概率密度函数(probability density function,PDF)方法计算,意味着忽略了煤种之间的影响,结果会产生很大偏差。而双混合分数/PDF方法可以分别定义各单煤性质并跟踪各单煤的燃烧过程,能够体现煤种之间燃烧特性的影响。利用单、双混合分数/PDF方法对同1台300 MW四角切圆锅炉进行模拟研究,并与实测数据进行对比,结果表明:双混合分数/PDF方法模拟的结果更符合混煤在炉内实际的燃烧情况。同时采用双混合分数/PDF方法模拟某一混煤燃烧过程,得到燃烧煤粉锅炉的流动,温度和烟气分布等特性。

密度函数方法研究第一副族过渡金属二聚物的电子结构和光谱特性

密度函数理论计算了 Cu2 ,Ag2 和 Au2 二聚物的电子结构和光谱性质。结果表明 ,随着电子数的增加 ,相对论效应也在增加。使用 ZORA相对论方法可以得到可靠的电子结构。应用 B3 LYP作为交换 -相关函数 ,Cu2 ,Ag2 和 Au2 三个二聚物分子得到了相同的轨道能级顺序。在该族双分子化合物中全充满的 d电子不是完全惰性的。d电子在这三个分子当中对前线分子轨道的贡献也是完全不同的。同时由于 d电子和 s电子强相互作用引起 d型分子轨道的向上移动和 S型分子轨道向下移动。结果还表明 ,对于 Cu2 和 Au2 来说 ,d-型分子轨道和 S-型分子轨道的能级是非常接近的 ,这导致上述轨道在激发状态下很多相似的特性。而对于 Ag2 来说 ,d-型分子轨道和 S-型分子轨道能级较大的差表明 d电子对前线分子轨道只有极其微小的贡献。通过 TDDFT和 DSCF方法 ,确定和归属了低激发态的光谱项 ,并通过 s-和 d电子对这些激发态的贡献解释了光谱项的性质。

超声速燃烧中的概率密度函数方法研究进展

概率密度函数方法能够精确封闭湍流/化学反应相互作用,在湍流燃烧数值模拟中得到了广泛应用。随着高超声速推进技术的不断发展,超燃冲压发动机内的超声速湍流燃烧为概率密度函数方法的应用带来了新的挑战。首先,综述了概率密度函数方法应用于超声速湍流燃烧的最新进展,概述了概率密度函数方法的基本理论、关键模型和求解框架;其次,介绍了超声速湍流燃烧对概率密度函数方法的理论、模型和数值求解方面的具体挑战和相关研究工作,包括考虑可压缩效应、高速源项模型修正、小尺度混合模型改进等;然后,综述了概率密度函数方法在超声速湍流燃烧中的应用情况;最后,对超声速燃烧中概率密度函数方法的应用前景和发展方向做出了展望。

一般曲线坐标系下概率密度函数方法及其在超声速燃烧中的应用

输运型概率密度函数(PDF)方法能够精确求解湍流/化学反应相互作用,有望为超燃冲压发动机中复杂的超声速湍流燃烧模拟提供可靠的计算模型。目前超声速流中的概率密度函数方法研究大多局限在简单构型下,严重限制了其在实际超声速燃烧问题中的应用。本文旨在发展基于多块结构网格的曲线坐标概率密度函数方法,使其能适用于具有复杂构型的实际超声速燃烧问题模拟。推导了曲线坐标下的概率密度输运方程和随机微分方程,建立了一般曲线坐标系下的概率密度函数方法及其数值求解框架。提出了多块结构网格下的曲线坐标粒子追踪方法,通过多块网格间的拓扑信息进行粒子局部坐标转换与通信,解决了曲线坐标下粒子局部坐标与全局坐标不一致的问题,成功实现了粒子在全局网格的连续追踪。在一维激波管和二维时间混合层中,通过与精确解和直接数值模拟结果的对比,初步验证了该方法和模型的准确性。进一步在二维圆柱绕流和三维球头绕流算例中,测试了其处理复杂构型的能力。最后开展了典型的超声速同轴射流火焰的数值模拟,与实验结果进行了定量对比。结果显示预测的反应组分与实验符合较好,全面验证了一般曲线坐标系下的概率密度函数方法在实际超声速燃烧问题中的适用性和准确性。

输运概率密度函数中的小尺度标量混合建模

输运概率密度函数方法能精确地求解湍流燃烧中的有限化学反应速率,但小尺度上分子扩散引起的组分变化则需要通过标量小尺度混合模型来模拟。论文综述了当前湍流预混燃烧中混合模型研究的最新进展。首先介绍了现有标量混合模型在不同预混燃烧模式下的表现:对于火焰面燃烧模式,保持组分空间的临近性对于标量混合模型非常重要,标量混合频率受火焰结构影响显著;对于破碎反应区模式,组分空间保持临近性的重要性有所减弱,标量混合频率由湍流主导。接着介绍了最新基于直接数值模拟数据的标量小尺度混合机制和建模研究,包括湍流预混燃烧中反应标量小尺度耗散机制、反应标量混合时间尺度在不同燃烧模式下的演化规律、依据线性混合思路构建的标量混合时间尺度模型。针对不同湍流预混燃烧模式的模型验证表明:相比于已有湍流混合时间尺度模型,新模型显著提升了对湍流预混火焰中的标量耗散率和燃烧特性的预测精度。最后介绍了大涡模拟/输运概率密度函数方法在近极限湍流预混火焰,如甲烷预混值班火焰和湍流对冲预混火焰中的应用,验证了其对贫燃、高湍流度条件下的湍流-化学反应相互作用及局部熄火/再燃现象的预测能力。

黄酮类化合物抗氧化活性构效关系的密度泛函理论研究

用密度函数方法对黄酮类化合物分子及其自由基进行了理论计算,并从几何结构、前线轨道、单电子分布、离解能等角度分析了影响竹叶黄酮抗氧化活性的结构因素。结果表明:(1)C2-C3之间的双键以及3位羟基的存在使整个黄酮类化合物分子处于同一平面,进而使C环成为A、B环共轭体系的延伸。(2)活性部位主要位于B环和C环的一部分。(3)4羟基活性最高。(4)3羟基对4羟基的协同作用增强了4羟基的活性。

PDF方法模拟钝体驻定的湍流扩散火焰

采用标量联合的概率密度函数方法,对钝体驻定的湍流射流扩散Sydney火焰HM1进行数值模拟,结合当地自适应建表方法加速化学反应计算,用修正的LRR-IP雷诺应力模型求解速度场.首次对3种不同规模的甲烷化学反应动力学机理进行研究,并与实验数据进行比较,结果表明,模型和反应机理很好地预测了速度场和标量场的变化及局部熄火现象,而考虑反应机理中的C2化学对火焰HM1的影响不大.

U-RANS/PDF方法计算钝体后漩涡脱落

本研究发展了U-RANS/PDF混合算法研究湍流和化学反应相互作用对燃烧稳定性的影响,采用有限体积和Monte Carlo相结合的方法在非结构网格中求解相容的U-RANS方程和脉动速度-湍流频率-标量的联合PDF方程。本文对钝体火焰驻定器后冷态流场进行了计算,结果表明此混合算法能够捕捉流场中非稳态的漩涡脱落现象。着重研究了湍流频率模型系数的改变对漩涡脱落频率以及拟序结构在动量输运中的作用的影响。

U-RANS／PDF方法的并行计算研究

本文对非结构网格中U-RANS/PDF混合方法的并行计算进行了研究,通过对方柱绕流的数值模拟,讨论了并行程序的有效性和计算效率。非结构网格上U-RANS/PDF混合方法的并行计算,提高了PDF方法的计算效率和处理复杂几何结构的能力,使得PDF方法能够方便地应用于实际燃烧问题。

钝体驻定湍流扩散火焰的数值研究——燃烧模型比较

分别采用标量联合的概率密度函数方法、稳态火焰面模型、Euler非稳态火焰面模型和基于有限体积/Monte Carlo混合算法的完备PDF模型对钝体驻定的Sydney湍流扩散火焰HM1进行数值模拟,以比较不同燃烧模型的性能,并比较标量联合的概率密度函数方法和Euler非稳态火焰面模型对氮氧化物排放预测的差异.计算结果和实验数据的比较表明,采用概率密度函数方法计算化学反应可以得到更好的结果但计算量较大,而用火焰面模型求解计算量较小,在接近完全燃烧的情形下,其计算结果比较合理.

航空发动机燃烧室湍流两相燃烧模型发展现状

随着计算机、计算机辅助制造等技术的发展,数值模拟逐渐成为航空发动机设计手段之一。航空发动机燃烧室内是复杂的两相湍流燃烧过程,为了准确模拟这一过程,高精度两相湍流燃烧模型组成为航空发动机燃烧室设计师必要的工具。本文从两相湍流数值模拟角度出发,对概率密度函数输运方程模型、火焰面模型和二阶矩模型这3种常用的燃烧模型的发展现状进行简要综述。

湍流燃烧场中高阶统计矩的PDF模拟

在非结构网格中,发展有限体积法和Monte Carlo法相结合的混合算法来模拟湍流燃烧,求解相互耦合并且相容的平均密度、动量、能量方程组和脉动速度-标量-频率的联合概率密度函数方程,采用稳态层流火焰面模型计算半详细的化学反应机理.对轴对称钝体火焰驻定器后的扩散燃烧进行模拟,比较了速度和标量的平均量和二阶矩的计算结果和实验数据,并研究了速度的扭率(三阶矩)、扁平因子(四阶矩)及边缘概率密度函数的分布.计算表明,高阶统计矩包含的统计误差比低阶统计矩的大,扭率和扁平系数的峰值则集中在剪切层处.

钝体驻定湍流扩散火焰局部熄火的PDF模拟

用标量联合的概率密度函数(PDF)方法对钝体驻定的湍流射流扩散Sydney火焰HM3进行数值模拟,速度场用一个修正的LRR-IP雷诺应力模型求解.采用3种不同层次的甲烷反应动力学机理对火焰的宏观结构和熄火特征进行比较研究,并结合当地自适应建表方法加速化学反应计算.结果表明,计算值和实验数据吻合较好,在回流区内,不同反应机理的预测值差别不大,但在"颈部"区域,C2机理相对C1机理可以更准确地模拟标量场的变化和局部熄火现象.

最小均方差条件和非线性IEM模型的分析

对最小均方差估计条件在构造混合模型中的应用作了进一步的讨论,证明了最小均方差条件可以代替统计矩方程作为推导混合模型的约束条件;同时得到了混合项的一个严格的展开式.作为一般情况的一个特例,重新得到了NLIEM模型.最后利用NLIEM模型计算了两个基本流场,并和IEM模型的计算结果作了比较,进一步表明了NLIEM模型的优越性.

湍流燃烧概率密度函数(PDF)模拟的敏感性分析

针对采用概率密度函数(PDF)方法的湍流燃烧数值模拟,基于已有的颗粒层面局部敏感性分析,提出一种改进方法,以高效地估计对反应动力学参数的局部敏感性系数。该方法的两个关键思路为:评估化学反应对组分演化的重要程度;以"当前效应"估计"总体效应"。以部分搅拌反应器(PaSR)为研究对象,通过与直接计算的结果比较,证明了新方法的计算结果可作为直接计算的有效估计,能够有效预测各个化学反应对于系统的相对重要性。

高雷诺数湍流非预混火焰及NO生成的大涡模拟

采用两种亚网格湍流燃烧模型,即化学建表方法结合假定概率密度模型和稀疏拉格朗日过滤密度函数方法,对高雷诺数湍流非预混火焰Flame D进行数值研究,定量比较不同亚网格模型的差异,并对火焰特征、污染生物生成特性进行分析。结果表明,两类亚网格燃烧模型预测的温度及大组分分布相近,稀疏拉格朗日过滤密度函数方法可以更好地模拟CO质量分数分布。不同的假定概率分布均可合理描述湍流与火焰的相互作用,之间的差别主要体现在NO分布,Dirac函数远高估了NO生成,而Top-hat函数则略低估了NO生成,Beta函数表现最优。Flame D的高温区及NO质量分数均主要分布在当量混合线及富燃侧附近。受高温伴流的影响,NO质量分数与温度一直保持高度正相关,峰值主要集中在标量耗散率很小的区域。不同截面上,反应物中的O2和生成物中的H2O均与NO高度相关。

极端干旱地区葡萄根系吸水数值模拟

研究成龄葡萄根系分布与吸水特征及耗水规律,能够为制定成龄葡萄灌溉制度、提出丰产与节水相协调的成龄葡萄田间水分管理模式和创建成龄葡萄水分高效利用技术体系提供技术支撑。该文在分析灌溉条件下葡萄吸水特征的基础上,建立了一维非饱和土壤水分运动的无网格数值模拟模型,并依据实测葡萄根系分布特征,获得了葡萄一维根系分布函数,将其与不同的经验根系分布函数应用于数值模型进行动态模拟。通过模拟值与土壤水分实测值的比较分析,结果表明,不同根系分布模型下土壤水分模拟差别不大,相对误差均在1%以下,但相对于其他根系分布,指数根系数分布模拟值与实测值的误差较大,因此,认为拟合的根系分布函数和无网格数值模型能很好的模拟极端干旱地区葡萄根系吸水和土壤水分运动,且在缺乏实际根长分布数据的条件下,线性根系分布和分段根系分布都可反映葡萄实际根系分布,为利用简单一维根系分布模型分析不同灌溉条件葡萄吸水特征提供参考。

基于统计与光程分布的二氧化碳反演方法

为了研究气候变化,需要实现遥感卫星对二氧化碳(CO_2)的高精度测量。气溶胶和透射率较高的薄卷云的散射是影响大气中CO_2反演精度的主要环境因素。结合主成分分析(PCA)的统计方法和光程概率分布的密度函数(PPDF)方法,利用PCA方法得到大气CO_2反演的先验值,避免了因偏差过大而导致的运算结果无法接近真值;基于3层PPDF模型,解决了薄卷云和气溶胶散射引起的光子路径变化而导致的吸收谱线变化的问题。结果表明,PCA方法和PPDF方法联合反演的反演精度得到明显提高;对2013年塔克拉玛干沙漠GOSAT数据的反演结果进行分析,采用单一的PPDF方法得到的反演结果的方差为3.5,两种方法相结合得到的反演结果的方差为1.4,优于日本国立环境研究所(NIES)提供的反演方差(1.6)。

湍流预混火焰LES/FDF模拟中标量混合时间尺度建模

在实际应用中,精确模拟高湍流度预混火焰十分关键但极具挑战性。本文将被动标量混合时间尺度动态封闭方法与hybrid混合时间尺度模型结合,在湍流预混火焰LES/FDF模拟中提出一种新的标量混合时间尺度建模方法。该方法不需要人为选取混合模型参数CM,且动态地考虑了由湍流和火焰结构分别引起的亚网格标量混合。对悉尼值班预混射流燃烧器高湍流度PM1-150火焰进行了LES/FDF模拟。结果表明,新模型显著改善了对整体燃烧进程的预测结果,正确地预测了局部熄火/再燃现象。进一步的结果显示,模型参数CM明显大于在RANS框架下量级为1的常用取值,这表明该参数在不同框架下具有不同的物理内涵。