可压缩槽道流动的大涡模拟研究

可压缩湍流边界层是高速飞行器研究面临的基础科学问题,对其流动机理的认识对于高速飞行器气动力热设计具有重要意义。采用大涡模拟方法对可压缩槽道流动进行了数值模拟研究,并基于Favré过滤建立了适用于可压缩流动的大涡模拟方法,将混合亚格子模型延拓到了动态形式,形成了适用于可压缩流动的动态混合模型。通过分析亚格子模型、网格疏密和计算格式对数值模拟结果的影响,结果表明所建立的大涡模拟方法在较少网格数下能够获得可靠的计算结果。数值模拟还获得了可压缩槽道流动时间转捩的过程,捕捉到了大尺度旋涡结构和近壁速度条带结构的演化过程。

嵌入式RANS/LES混合方法在槽道流动数值模拟中的应用

与传统整体式RANS/LES混合方法相比,嵌入式RANS/LES混合方法不再依靠改进后的湍流模型本身或网格疏密自动划分流场中的RANS区域和LES区域,而是通过对流动现象的预估,人为将LES区域嵌入到RANS区域,从而使RANS区过渡到LES区的交界面尽可能与流向垂直,方便合理附加额外的湍流脉动信息。这样做不但确保了LES在某些复杂流动区域彻底支配地位,更重要的是能够避免RANS区对LES区解析湍流发展的污染和抑制。将槽道流场划分为上游RANS区和下游LES区,在经典的SST-DES模型基础上,采用合成涡方法生成交界面的湍流信息,取得了良好的模拟结果。

利用考虑壁面粗糙度的双流体颗粒-壁面碰撞模型模拟气-粒两相水平槽道流动

建立了考虑壁面粗糙度的双流体颗粒-壁面碰撞模型．该模型包括壁面摩擦、恢复、特别是壁面粗糙度等影响碰撞的因素,因此体现了壁面上各方向Reynolds应力之间的相互转化、湍流动能从平均运动中得到能量以及壁面对运动的衰减作用,给出了壁面粗糙度对颗粒湍流的影响．将本模型应用于气-粒两相水平槽道流动并用PDPA测量结果验证,结果表明,当前常用于颗粒相的零梯度边界条件和其他碰撞模型可能给出错误的结果,本模型则给出比较符合实际的结果．

二维槽道流动聚合物减阻的数值模拟参数研究

应用 DNS 直接数值模拟对二维槽道流动聚合物减阻进行了参数研究。计算结果表明：Reynolds 数对减阻的影响是间接的，直接的控制参数是黏度比β和 Weisenberg 数。在感兴趣的范围0.9-1.0，黏度比β对于减阻的作用是线性的，而 Weisenberg 数对流动的影响比较复杂。这里存在着onset 现象和最大减阻现象，因此 Weisenberg 数是更为主要的控制参数。

超声速槽道流动中的湍动能负产生率研究

局部湍流的逆向传递会导致湍动能输运方程中的湍动能产生率项符号的改变,由一般正值变为负值。研究湍动能负产生率的变化可以实现调节通道内的气流品质,有利于进行流动控制。对二维超声速槽道流动进行数值模拟,研究超声速流场中湍动能负产生率的变化规律。结果表明:湍动能负产生率是由流场应变率张量的拉伸特性主导;激波处湍动能产生率恒正且取得极大值;增大入口马赫数会使湍动能负产生率效应减弱。

获得空间发展槽道流动大涡模拟入口条件的最不稳定波方法

在空间发展流动的大涡模拟中，构造有效的入口扰动是关键。该文提出了利用Fourier分析获得流动最不稳定波的方法来确定入口扰动。结果表明，与同均方差的Gauss分布扰动相比，最不稳定波扰动能够显著缩短流动的起涡距离。同时，要达到同样的起涡位置，Gauss分布扰动的均方差是最不稳定扰动的350～500倍。可见，提出的最不稳定波入口扰动能够迅速诱发流动本身的Kelvin Helmholtz不稳定，从而提高模拟空间区域的有效性，减小计算量，节约计算时间。

流向磁场作用下二维磁流体槽道湍流直接模拟

对低磁雷诺数近似下流向磁场作用的二维磁流体槽道湍流进行了直接数值模拟(DNS,Direct Numerical Simulation),给出了Re=10000时不同磁相互作用数下二维磁流体槽道湍流的近壁速度分布、湍流脉动速度均方根、雷诺应力等统计量的变化,并与中性流体二维槽道湍流进行了比较.结果表明:流向磁场作用会导致对数区上移;雷诺应力最大值随磁相互作用数呈线性变化;随着磁相互作用数的增大,下壁面平均涡量的时间演化由拟周期性向周期性转变,且脉动周期逐渐增大并当流动层流化后下壁面平均涡量成为常值.

气体槽道流量计的性能测试

介绍一种新型的节流式差压流量计的结构和工作原理,给出了检定室内的测试结果,包括流量系数与雷诺系数的关系,流量计的准确度、量程比、重复性、稳定性和最少直管段要求,分析了流量计对前端阀门的适应能力,并给出结论。

采用DSMC方法对微槽流动统一滑移模型的讨论

基于扰动分析理论，在等温假设条件下，由二维Navier-Stokes方程和统一滑移模型推导得到压力分布、速度分布和质量流率理论表达式。以氩气为介质，采用直接模拟Monte Carlo（DSMC）方法计算了出口克努森数（Kn。数）处于0．052～0．254的多个二维微槽流动，并将不同滑移模型的扰动分析解与DSMC结果进行了对比分析。结果表明，在模拟计算范围内，它们的压力分布基本一致；速度分布和质量流率均有一定差异，但在微槽道中心线附近流动高速部分仍十分接近。对于流动高速部分。当Kn。数为0．052时，一阶滑移模型更接近于DSMC；当Kn。数为0．073，0．101，0．15时，二阶模型更接近于DSMC；当Kn。数为0．197，0．254时，所有滑移模型的速度和质量流率均小于DSMC。相比较，二阶滑移边界模型Cercignani与DSMC结果有更好的一致性。

气体运动论数值算法在微槽道流中的应用研究

简要介绍基于Boltzmann模型方程的气体运动论数值算法基本思想及其对二维微槽道流动问题数值计算的推广,并阐述适用于微尺度流动问题的气体运动论边界条件数值处理方法。通过对压力驱动的二维微槽道流动问题进行数值模拟,将不同Knudsen数下的微槽道流计算结果分别与有关DSMC模拟值和经滑移流理论修正的N-S方程解进行比较分析,表明基于Boltzmann模型方程的气体运动论数值算法对微槽道气体流动问题具有很好的模拟能力。

摆动河槽水动力稳定性特征分析

河流形态与水动力结构息息相关,形态约束水动力结构,水动力结构则通过泥沙运动进一步塑造形态,在自然界河流中形成一对辩证互馈关系.天然河流形态形式多样,大致可以分为顺直、微弯、分叉和散乱游荡几种类型,其中微弯及多个弯曲构成的河型为河流动力演化中最重要的一环.多个弯曲构成的河型可用正弦派生曲线来描述,它也是天然河流主槽与水动力结构复杂相互作用的结果.作为探讨这一过程的力学作用机理,构建摆动槽道并研究槽道摆动与其内部流动结构的互馈关系,既是流体力学研究的热点内容,也是目前河流动力过程研究的基础内容.在此重点讨论这一互馈关系前一部分,即水流对摆动边界的响应.文中建立了随体坐标系下摆动河槽与内部水流动力响应理论模型,通过给定摆动弯曲槽道的不同特征参数,研究讨论了正弦派生型摆动边界下的槽道水流动力稳定性特征,明确了弯曲槽道摆动对其内部主流及扰动水流结构的影响,确定弯曲槽道摆动波数、摆动频率对扰动流发展影响的相应参数定量关系,得到了槽道弯曲度和摆动特征对其内部水流不同尺度扰动影响的阈值选择性范围.

MEMS稀薄气体内部流动模拟中的信息保存(IP)法

首先综述了处理低速稀薄气体流动的一些方法：线化Boltzmann方程方法、Lattice Boltzmann方法(LBM)、加滑移边界的Navier-Stokes方程、以及DSMC方法,并讨论它们在模拟MEMS中过渡领域低速流动特别是内部流动所遇到的困难,其中表明了LBM现有方案不适合模拟过渡领域中的MEMS流动问题。信息保存(IP)法通过保存一个模拟分子所代表的大量分子的平均信息,克服了流速低使得信息噪声比小而引起统计模拟的困难。本文给出了方法的一些理论证实。MEMS中内部流动的特点,即流速低和大的长宽比的特点,引起椭圆性问题,即出入口边界条件相互影响需要协调的问题。通过对(长约几千微米的)微槽道流动应用IP方法的算例,演示了采用守恒形式的质最守恒方程和超松弛法可成功地解决这一问题。借助同样的方法,用IP方法求解了真实长度(1000μm)硬盘驱动器读写头在过渡领域的薄膜支撑问题,压力分布与具有严格气体动理论基础的概括化Reynolds方程完全相符,而在此之前,DSMC方法只对短的读写头(5μm)与Reynolds方程做了校验．作者建议将原来用于求解读写头润滑问题的Reynolds方程退化来求解过渡领域中的微槽道流动问题,从而提供了一个有严格气体动理论品性的检验方法来验证求解MEMS内部流动的各种方法。

Navier-Stokes方程二阶速度滑移边界条件的检验

对微尺度气体流动, Navier-Stokes方程和一阶速度滑移边界条件的结果与实验数据相比,在滑移区相互符合,在过渡领域则显著偏离．为改善Navier-Stokes方程在过渡领域的表现,有些研究者尝试引入二阶速度滑移边界条件,如Cercignani模型,Deissler模犁和Beskok-Karniadakis模型．以微槽道气体流动为例,将Navier-Stokes方程在不同的二阶速度滑移模型下的结果与动理论的直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法和信息保存(IP)方法以及实验数据进行比较．在所考察的3种具有代表性的二阶速度滑移模型中,Cercignani模型表现最好,其所给出的质量流率在Knudsen数为0．4时仍与DSMC和IP结果相符;然而,细致比较表明, Cercignani模型给出的物面滑移速度及其附近的速度分布在滑流区和过渡领域的分界处(Kn=0．1)已明显偏离DSMC和IP的结果．

纺锤体流量计的流场数值模拟

介绍了一种新型的节流式差压流量计——纺锤体流量计(又名槽道流量计)。数值模拟结果表明,在来流规则或畸变情况下纺锤体等直径段部分均能很好地形成环形槽道流动,使测量重复性和精确度得到大幅提高成为可能;同时,由于完全避免了流动分离,在高雷诺数下的压力损失与所得差压之比可小于孔板流量计的二分之一。实验结果验证了数值模拟的可靠性。

高雷诺数槽道湍流的壁面模化大涡模拟研究

选取基准壁湍流的槽道流动,研究了多种模型的壁面模化大涡模拟.模型包括经典的大涡模拟、Spalart-Allmaras、分离涡模拟和一种动态混合模型.基于摩擦速度的雷诺数范围为395~12 000,采用3组粗糙网格,流向和展向维数分别同取37,49和65,法向维数保证y＋（1）~1.主要研究平均速度、雷诺切应力分布、详细分析了各模型的特性差异并展示了相应的湍流结构.研究表明：在高雷诺数粗糙网格下,大涡模拟失去求解精度,分离涡模拟出现对数律不匹配,动态混合模型的计算接近直接数值模拟,其对数率区可解应力约占雷诺切应力的93%,边界层外层可解应力约占99%.这说明合适的混合模型可以在经济成本下保证计算精度,具有解决实际问题的潜力.

压力梯度对湍流逆梯度输运的影响

用雷诺应力封闭模式(RSM)和κ-ε模式对底部放置了对称翼型的完全发展的非对称槽道流动进行了数值模拟研究。工程实际中有压力梯度变化的流动是较常见的,这些压力梯度会导致较强的湍流结构的变化,从而影响湍流的扩散和传输过程。用数值计算方法从压力梯度对湍流逆输运现象的影响角度展开研究,以期了解并揭示湍流道输运现象的物理机理。由计算结果可以看出,RSM模式能够较κ-ε模式更好地反映逆梯度输运(CGT)现象;逆梯度输运现象的出现比湍动能负产生率更为普遍;压力梯度的变化对湍动能负产生率区域和CGT区域的影响是有规律的,顺压梯度时,湍动能负产生率区域逐渐缩小,至压力梯度为零时消失,此时CGT区域从无到有,呈先增大后缩小的趋势;逆压梯度时,湍动能负产生率区域不复存在,此时CGT区域从有到无,也是呈先增大后缩小的趋势,并最终消失;CGT区域内雷诺应力与平均速度梯度呈非线性关系。

低磁雷诺数不可压缩磁流体槽道湍流电场相关特性的直接数值模拟

对低磁雷诺数近似下不可压缩磁流体槽道湍流进行了直接数值模拟(DNS),给出了速度-电场、电场-电场相关特性,并与Kenjere-Hanjalic提出的模型(K-H模型)进行了逐项对比.通过K-H模型与DNS所得到的数据对给定外部驱动力、不同磁场布置形式下磁场对湍流抑制作用的机理进行了对比分析.结果表明,K-H模型可以对速度-电场相关项的大部分分量进行合理的预估.通过数值模拟还发现,磁场沿流向及展向布置下湍动能降低的主要机理是耗散性的磁流体源项;而当磁场沿法向布置时,湍动能降低的主要机理是洛仑兹力对底层流动的加速,从而降低雷诺应力,令湍动能方程中生成项减小,导致湍动能减小.

二阶矩湍流燃烧模型的考虑浮力的DNS及LES检验

本文用谱方法对考虑浮力的三维槽道湍流反应流动进行了直接模拟,用直接模拟统计结果对二阶矩亚网格湍流燃烧模型(SOM-SGS)进行了检验,结果显示SOM-SGS模型具有合理性。进一步用SOM-SGS模型成功预报了甲烷-空气射流火焰,其统计结果显示了RANS模拟中代数SOM燃烧模型的合理性。

基于神经网络的减阻沟槽壁面形状优化

针对沟槽外形减阻问题,采用基于神经网络的方法对沟槽壁面形状进行外形优化。模型采用槽道流动模型,控制方程为黏性不可压缩Navier⁃Stokes(NS)方程,流动求解采用直接数值模拟(DNS)方法,对于对流项的离散采用紧致4阶中心格式,对黏性项的离散采用4阶中心格式,时间推进采用3阶Runge⁃Kutta格式。在神经网络优化过程中,约束方程为不可压NS方程,采用基于在线学习的自适应控制器,使用基于抑制展向切应力的控制律,控制量的产生由壁面变形提供。优化结果表明,壁面最大减阻效果可达17.41%。对于优化后的壁面,湍流强度降低了19.68%,同时壁面的涡量与雷诺切应力亦有所降低。由于湍流流动非定常,因此优化得到的壁面形状亦是时变的,但变化的过程中整体上仍呈现流向沟槽的形状。

风雷软件LES开发设计与验证

基于国家数值风洞风雷软件开源框架,设计开发了LES(Large Eddy Simulation)湍流模型,主要包括Fourier谱/有限差分方法 LES求解器和有限体积/有限差分方法 LES求解器。简要介绍了采用的不可压缩流动求解的投影法、Fourier谱/有限差分混合方法、亚格子模型等理论方法,给出设计的软件框架和计算流程,尤其说明采用的松/紧2种耦合模式。通过数值模拟不可压缩槽道湍流、亚临界雷诺数圆柱绕流、NACA0012临界攻角的低频振荡算例,验证求解器的计算精度和复杂湍流模拟能力。基于风雷开源框架设计的开源LES模型,具备高精度数值格式、亚格子模型、湍流统计等通用模块,可为国内学者提供一个LES湍流模拟研究的开放平台。