基于SST k-ω湍流模型的平衡大气边界层模拟

为实现SST k-ω湍流模型下空流场大气边界层的平衡,提出通过在湍动能输送方程与比耗散率输送方程中添加源项的方法使来流边界条件与湍流模型相协调,并通过相应的CFD数值算例分别考察了不考虑源项与考虑源项时沿流场不同位置处的平均速度、湍动能及比耗散率剖面的一致性。计算结果表明,当考虑源项时沿流场不同位置处的平均速度剖面、湍动能剖面及比耗散率剖面均有较高程度的一致性,较好地实现了大气边界层的平衡。研究结论为平衡大气边界层的研究提供了新的思路和研究方法,对结构风工程中CFD数值模拟有一定的理论及应用价值。

基于标准k-ε模型的平衡大气边界层模拟

基于标准k-ε模型和FLUENT软件,采用适当的平均风和湍流特征量入口条件,同时在壁面处采用修正壁面函数边界条件,进行空流场的平衡大气边界层模拟。将流场中不同位置处的平均风廓线、湍动能及其粘性耗散等流动特征量的廓线进行对比。结果表明,采用标准k-ε模型结合修正壁面函数对气流流经粗糙度相同的壁面时,不同位置处流动特征量的廓线吻合程度均较高。研究提出对建筑绕流等问题模拟之前需进行空流场的平衡性进行分析,另对文中尚未解决的问题进行讨论并提出解决思路。

利用微气泡层减少平板阻力的边界层模型计算(英文)

以流体中光滑平板为例,建立微气泡层覆盖平板的气液简单边界层模型,采用平板层流理论,对给定的一系列气泡喷射速度参数和流体特性参数计算了微气泡状态下平板的摩擦阻力,结果显示微气泡对平板有明显减阻效果;最后给出了气体边界层的速度分布和剪切应力分布。

湍流模型在平板边界层分离流动中的应用

湍流边界层分离是自然界中常见的一种现象 ,由于其灵敏性 ,实验难度相当大 ,所见成功的实验少之又少。本文就目前比较流行的几种湍流模型 (如κ -ε系列 ,κ -ω系列 )应用于湍流平板边界层分离流动的计算 。

基于k-ε模型模拟平衡态大气边界层的比较研究

平衡态大气边界层的准确模拟是计算风工程领域的基础性难题,也是研究热点问题之一。该文首先对近年来国内外针对这一问题的理论研究成果按入流边界条件、湍流模型参数、附加源项模型以及壁面函数模型等四个方面进行了全面梳理和系统总结,并建议了一组新的标准k-ε模型湍流模型参数和通用壁面函数模型表达式。接着,采用计算流体动力学方法,建立简单边界层流动数值风洞模型,按照以上四种类别采用递进的方法对这些理论成果进行了详细的数值模拟验证和比较分析。结果表明:基于湍动能k方程解析解的入流边界条件并不必然会生成平衡态边界层,它和湍动能剖面的数学模型表达形式关系很大;除入流湍流边界条件外,湍流模型参数取值及壁面函数对平衡态大气边界层的模拟亦有较大影响,而增加源项并不能有效改善速度和湍动能剖面在整个流域范围的自保持性。该文对这一类问题的研究具有一定参考价值。

基于标准k-ε模型的平衡大气边界层研究

平衡态大气边界层的精确模拟是计算风工程研究中的一项重要且容易被忽视的工作。文章基于标准k-ε模型的控制方程,对大气边界层的平衡条件作出适当假设,总结了与剪应力相关的入流边界条件的通用形式。为实现大气边界层的自保持,在湍动能和耗散率输运方程中添加源项使入流边界条件与湍流模型相协调,并对顶部和底部边界条件施加剪应力修正;然后,分别以二维缩尺和足尺模型为例进行了平衡大气边界层的模拟。研究发现,在湍动能和耗散率输运方程中添加源项对改善大气边界层的自保持产生了不可忽略的影响,在顶部和底部施加剪应力能较好地改善顶部和底部大气边界层的自保持效果,通过同时添加源项和施加剪应力能很好地实现大气边界层的自保持。

基于改进剪切应力输运k-ω湍流模型对考虑风向随高度偏转大气边界层的数值模拟

基于剪切应力输运(SST)k-ω模型,通过修改模型参数、方程源项和湍动粘度,提出了“改进SST k-ω模型”,并采用该模型对考虑风向随高度偏转的大气边界层进行了计算流体动力学(CFD)数值模拟。通过预前模拟和主模拟两个步骤,对风场自保持的实现方法进行了探讨。研究表明,提出的改进SST k-ω模型可以取得与实测较一致的模拟结果。将预前模拟得到的风剖面作为主模拟的入流边界条件,各物理量均可以在流域中得到较好的保持。

带有压力梯度的平板边界层转捩数值模拟

对零压力梯度和带有压力梯度的平板边界层转捩实验T3A,T3C1和T3C2进行了数值模拟,计算结果与实验值吻合的较好,并得出以下的结论:压力梯度的存在对转捩起始的位置有较大的影响;M-L转捩模型能比较准确地预测转捩的发生和发展过程,但M-L一方程转捩模型因为要根据经验选取转捩起始动量厚度雷诺数,所以在通用性上相对M-L二方程转捩模型要弱;使用M-L转捩模型计算过程中,根据湍流的性质选取进口粘性比有助于正确地预测转捩的发展过程.

零压力梯度平板边界层转捩的数值模拟

对平板边界层转捩试验T3A和T3B进行了数值模拟,计算值与实验值吻合的较好。通过对零压力梯度的平板转捩现象的研究得出以下的结论:转捩流动的复杂性对流场边界层的影响不容忽视;M-L转捩模型能比较准确地预测转捩的发生和发展过程,在高湍流度下使用全湍流模型来模拟转捩流动的误差较小。

激波/平板湍流边界层干扰的数值模拟

采用理性GAO-YONG可压缩湍流模型,模拟了激波/平板湍流边界层干扰现象,结果表明:计算所得到的壁面压力分布、摩阻系数分布和速度型分布均与实验值吻合很好,并且比较准确地预报出了入射斜激波与平板湍流边界层干扰所引起的边界层分离点和再附点等流动特性.由此表明GAO-YONG可压缩湍流模型能够准确地用来模拟激波/平板湍流边界层的干扰流动.

平板边界层转捩的仿真

对计算流体力学(CFD)的难点问题——零压力梯度平板边界层转捩进行了成功仿真。利用商业软件FLUENT的二次开发功能,一种符合现代CFD技术要求的先进转捩模型——Gamma-Theta被用于仿真中,并采用了设置来流粘性比的新方法来进行基于SSTk-omega湍流模型的仿真。仿真结果表明,在不同的来流湍流水平下,Gamma-Theta转捩模型可以准确仿真包含自然转捩和bypass转捩现象的平板边界层流动,而设置来流粘性比的新方法对于成功的仿真也起到了关键作用。

用格子Boltzmann方法模拟平板层流边界层流动

本文应用格子 Boltzmann方法模拟了平板层流边界层流动。考虑到平板边界的影响 ,我们对模型进行了修正 ,在标准格子 Boltzmann方程中引入压力修正项。该项满足一定的假定条件 ,从而消除了压缩性引起的偏差。作为算例 ,我们用修正的模型计算了平板层流边界层流动 ,并与经典的 Blasius解及 L avallee的格子气自动机结果进行了比较 ,结果是可以接受的。

湍流边界层的两层模型积分法(英文)

湍流边界层的两层模型(TLM)微分法在过去的十几年里得到了迅速发展。然而,目前除了对简单的模型外,还未能得到完全可靠的速度剖面模型。本文针对平板湍流边界层讨论一种新的两层模型积分法,该方法的内层采用壁面率,而外层使用了剪应力呈抛物线分布的Clauser湍流粘性公式。计算结果与1/7幂次律单层模型进行了比较,吻合较好。如果考虑压力梯度的影响,还可以将该方法推广到轴对称和三维湍流边界层中去。

平衡大气边界层理论在复杂地形风场模拟中的应用

针对大气边界层数值模拟时入口湍动能及耗散率在下游持续衰减的问题,基于标准k-ε模型及其改进模型研究不同湍流黏性更新方法对平衡大气边界层自保持性的影响,然后采用平衡大气边界层自保持性方法结合建筑绕流影响区(BIA)问题解决方法对Askervein山绕流问题进行模拟研究,最后基于数值模拟结果,分析复杂地形绕流对风力机选址的影响。结果表明,选择合适的湍流黏性更新方法、粗糙度处理方法、湍动能和耗散率方程源项可使出口处的流动参数与入口处给定初值保持较高的一致性;BIA问题解决方法的引入可进一步提高复杂地形绕流模拟精度;风力机宜安装在山顶,避开湍流度较大的山体背风区,山后风力机的排布应结合山顶风力机尾流和山体影响区域综合考量。

计算风工程中k-ε模型的边界条件研究

从k-ε湍流模型控制方程入手,对两类满足平衡大气边界层理论要求的入口边界条件进行了详细分析,比较了二者的理论差异。然后以我国公路桥梁抗风规范中建议的A类风场为来流条件,定义了相应的k-ε模型常数与壁面条件,使用两类边界条件进行数值模拟。计算结果表明:两类边界条件结合相应的模型常数与壁面条件,均能在数值模拟中构建基本满足规范要求的平衡大气边界层,但各有其适用范围。在此基础上,对模型常数C1和湍动能耗散率与数值模拟结果之间的关系进行了研究,采用修改模型常数与边界条件的方法,改善了数值模拟结果。

风工程数值模拟中平衡大气边界层的研究与应用

基于RANS方法构造满足水平均匀性的自保持平衡大气边界层是计算风工程中一个非常重要但尚未得到很好的解释和解决、同时也经常被忽略的前提问题。本文从描述湍流流动的模型方程角度对这个问题进行了研究。首先基于湍流平衡假设,从两方程标准k-ε模型导出一类近似满足大气边界层自保持要求的湍流来流边界条件;接着将本文建议的此类边界条件运用到模拟钝体建筑结构分离流动具有较好适用性的SST k-ω湍流模型中,通过数值风洞模拟对比算例,验证了作者提出的边界条件在构造自保持平衡边界层中的适用性。通过本文的理论和数值研究,一方面对研究平衡大气边界层的模拟问题提供了一种新的方法,另一方面也为风工程数值模拟提供了一类新的适用的来流湍流边界条件,将对增进计算风工程中模拟平衡边界层的理解有所帮助,因此具有理论和实用价值。

平衡大气边界层自保持及TTU风压数值模拟

构造合理且满足水平均匀性的大气边界层是计算风工程的一个重要难题.基于雷诺平均方法,采用标准k-ε湍流模型,结合Richards&Hoxey入口条件,对数值风洞的顶面边界条件施加剪切应力修正,进行二维空流场的平衡大气边界层模拟,给出了一类能够较好满足大气边界层自保持要求的流场边界条件.并将此类边界条件同时运用到标准k-ε湍流模型和SST(shear stress transport)k-ω湍流模型中,针对美国德克萨斯技术大学模型场地试验进行三维流场全尺寸数值模拟,验证了所提边界条件对上述两类双方程湍流模型在低矮建筑钝体绕流的适用性.

二维激波/湍流边界层干扰的混合LES/RANS模拟

为了降低高雷诺数条件下大涡模拟方法的计算量,将两方程k-ωSST湍流模型与Yoshizawa一方程亚格子模型通过一个衔接函数相结合,构造一种混合大涡/雷诺平均NS方程模拟方法(混合LES/RANS)。使用这种方法及AUSM+-up格式对20°压缩斜坡的马赫2.85流动进行模拟,并考察了固定入口和在入口添加白噪声两种湍流入口边界条件对于结果的影响。模拟结果再现了边界层的分离、再附以及分离激波等现象,计算得到的分离区要显著大于试验结果,对于这种混合模拟方法的缺点进行了分析,并提出了可能的改进方法。

基于RANS对考虑风向随高度偏转的大气边界层自保持研究

从基本方程出发,通过调整k-ε模型基本参数,对考虑风向随高度偏转的不可压缩中性层结水平均匀稳态正压大气边界层进行了模拟。通过少量网格预前模拟、主模拟和近地面物理量调整三个步骤,对风场的自保持实现方法进行了探讨。研究表明,通过调整k-ε模型基本参数,可以取得与实测较一致的模拟结果。少量网格预前模拟得到的风场应用于主模拟中,各物理量均可以在流域中得到较好的保持。通过ANSYS Fluent中的Fixed Values操作进行近地面物理量调整,可以取得更加理想的自保持结果。

波浪运动在底边界层的湍流结构数值研究

本文基于k-ε模型研究了波流边界层内湍流结构特征。研究结果表明,时均流速分布数值解与实验结果高度吻合。一个波周期内湍流结构特征(如:涡量、湍动能、湍动能耗散率等)呈周期性变化规律,波浪作用引起涡量、湍动能及湍动能耗散率均在减速阶段减小,在波谷处达到最低值,而后在加速阶段增大,并在波峰处达到最大值。近壁面处湍流结构变化幅值较大(湍动能耗散率变化可达53%),远离壁面处变化幅值较平均值较小(仅3%)。波流边界层厚度在减速阶段增加,在加速阶段减小。本文所建立的数值模型克服了现有模型因采用“高雷诺数方法”引起的近壁区精度不高问题,可较好地描述波浪作用下湍流结构演变过程的物理机制,为河口海岸地区泥沙运动、岸滩演变及海洋可再生能源的开发利用提供一些指导意义。