湍流边界层复涡黏模式的实验研究

在开口式循环水槽底部湍流边界层外区引入周期性扰动,利用X型热膜探针在扰动下游进行测量．用实验的方法研究了周期性大尺度结构下壁湍流涡黏模式中涡黏系数的形式,结果发现和周期性扰动对应的变形率及与之对应的雷诺应力间存在着相位差．这是目前许多最终导致涡黏系数的湍流模式理论都没有考虑到的一个重要因素．

Boussinesq方程与抛物型缓坡方程2种波浪模型的比较分析

波浪破碎的模拟对于波浪模拟的准确性十分重要。为了解波浪破碎模型的问题,本文对抛物型缓坡方程和Boussinesq方程这2种波浪模型所采用的破碎方法进行比较和分析。运用基于Boussinesq方程的Funwave模型和基于抛物型缓坡方程的REF/DIF模型,分别对特拉华大学的未破碎圆形浅滩试验和作者于实验水槽进行的Undertow试验这2个物理模型进行波高模拟、比较与分析。模拟结果表明:Funwave和REF/DIF这2种波浪模型都能准确的模拟出波高随水深的变化情况,但对于波浪破碎后的情况,REF/DIF模型模拟的更为精确一些。

气膜冷却计算中湍流黏性系数的修正

燃气轮机高温叶片气膜冷却中的复杂涡系结构使得流动传热很难被准确预测。本文基于平板气膜冷却数值和实验研究结果,指出雷诺平均算法中常用的湍流模型在射流侧向输运和二次涡的捕捉上具有相当的局限性。文中对湍流黏性系数提出了各向异性对数率涡黏模型(ALEV模型)修正,基于ALEV模型修正后的湍流模型增强了射流的侧向输运,减弱了二次涡的强度,得到的结果与实验有较好的吻合度。经过验证,ALEV模型具有较高的可靠性,它为这一类流动传热计算的改善提供了可借鉴的途径。

基于实验数据同化的湍流模型常数标定:含滤网蒸汽阀门通流特性数值预测

为准确预测含滤网蒸汽调节阀通流特性,采用集合卡尔曼滤波算法,通过拉丁超立方抽样生成湍流模型常数的样本库并获得对应流场计算结果,融合部分开度下的阀门蒸汽流动压比-流量实验数据,对k-ωSST湍流模型的常数进行了重新标定。针对独立实验测量所得的流量数据,对比分析计算结果表明:重新标定的模型常数可以有效提高通流特性预测模型的精度,适用于相近开度、不同压比的蒸汽流动工况计算,而对开度相差较大的情形,流量预测误差则较高;不同开度下的阀内流态和涡黏度在模型常数调整前后存在明显差异。本文通过修正模型常数以优化不同工况下涡黏度的分布,从而显著降低阀门通流特性预测误差,这一研究方法对于相关工程设计有很好的借鉴意义。

基于DANS方程的粗糙床面明渠水力特性研究

基于双向平均NS方程(DANS方程)建立粗糙床面明渠水流数学模型,应用修正的S-A湍流模型对其紊流过程进行模拟,采用涡黏系数法计算明渠湍流在粗糙床面上存在障碍物时的形状应力,结果表明:形状应力在障碍物层以内不可忽略,而在障碍物上部,会迅速减小直至可忽略不计;速度值会随形状应力的增大而减小;障碍物顶部附近的雷诺应力也会因为形状应力的存在而有明显的减小。此外,针对障碍物孔隙率的研究表明:障碍物孔隙率的分布对速度、雷诺应力及形状应力等存在一定的影响,并且当孔隙率的分布越光滑时,其影响越小。

不同布设间距和来流速度下方型人工鱼礁上升流效应的数值模拟

合理的人工鱼礁组合可以有效改善投放水域的流场效应,提高投放水域底层与上层水体之间的扰动。通过使用并行大涡模拟模式及被动示踪物模块,并通过调整人工鱼礁布设间距,研究了在不同背景流速条件(0.1、0.5、0.6和1.0 m/s)下,在不同的横向间距(1L、2L、3L)(L表示人工鱼礁的边长)或纵向间距(1L、2L、3L、4L、5L)情况下,方型人工鱼礁对上升流体积、营养盐的抬升和垂向涡黏系数的影响。研究结果表明,在同一布置条件下,单排布置下的三块人工鱼礁形成的上升流体积大小与来流速度成正相关,体积随来流流速增加而增大6.4%~80.5%;在同一流速条件下,上升流体积大小与纵向布置的间距成正比,与横向布置的间距成反比;在横向布置条件下,当来流速度为1.0 m/s、布设间距为1L时,上升流体积参数最佳。总体来说,上升流体积参数、示踪物浓度差和垂向涡黏性系数均显示横向布置优于纵向布置,相较于布设间距,来流速度是影响上升流体积最重要的因素。

切向流作用下直通穿孔管阻性消声器传递损失预测

使用考虑涡黏系数的频域线性纳维斯托克斯方程(linearized Navier-Stokes equations, LNSEs)计算切向流作用下直通穿孔管阻性消声器的传递损失,计算步骤为:运用CFD(computational fluid dynamics)方法求解计算域内的时间平均流动变量,然后将变量映射至声学网格;将声传播介质分为空气和吸声材料,后者等效为具有复声速和复密度的流体,使用频域LNSEs计算声场,最后利用平面波分解法计算消声器的传递损失。计算结果与试验测量结果吻合良好,从而证明了计算方法的正确性。通过数值计算分析了切向流马赫数对不同流阻率和穿孔结构阻性消声器传递损失的影响规律。随着切向流马赫数的增加,消声器在低频域的传递损失有所降低,中高频消声性能变化无明显规律可循;切向流对低穿孔率消声器传递损失的影响大于高穿孔率。

各向异性涡黏模型在通道分离流动中的应用

本文针对燃机带肋冷却通道发展了一种考虑近壁特性和远壁流动各向异性特点的代数各向异性涡黏模型。本文针对肋片处分离流动的各向异性特点,结合隐式代数应力模型和各向同性涡黏模型,推导各向异性因子修正三个正向涡黏系数,反映正雷诺应力的各向异性特点。同时,通过近壁分析完善k和ε封闭形式。将各向异性涡黏模型应用到,1)后台阶流动预测中,湍流流动预测精度提高约10%;2)带90°肋通道流动传热预测中,平均流动预测精度得到改善,传热预测精度提高6%~10%。结果表明,本文针对内冷通道的分离流动作出的各向异性修正是有效的。

波流耦合作用下紊流边界层水沙数学模型

在河口地区,波流相互作用下紊流边界层的泥沙起动输移规律非常复杂,深入探讨其泥沙运动规律很有必要。该文基于波浪边界层的控制方程,引入了时均水流压力,通过波流相互作用下的摩阻流速反映波浪与水流的夹角,用标准k-ε模型封闭方程,建立了波流叠加的紊流边界层内的弱耦合水流模型,分别讨论了波浪速度振幅、时均流速等的分布情况,与实测数据对比得到了较好的模拟结果。其次,基于水流模型建立了泥沙模型,采用对称振荡流和波流相互作用两种情况下的泥沙实测数据验证了泥沙模型的正确性,讨论了不同分布规律的涡黏系数对于模型的影响,为实际工程提供理论参考,结果具有一定的指导意义。

风应力对水流运动及摩阻特性的影响

该文采用三维数值模型研究风应力对水流运动和摩阻特性的影响。首先通过试验数据验证了数值模型对风生流结果的合理性;然后通过平底水槽的数值试验,研究了风应力的变化,尤其是在风向顺流和风向逆流条件下,对于定常水流涡黏系数分布、流速分布、雷诺切应力分布以及底部摩阻的影响。发现传统使用广泛的涡黏系数抛物线分布在风向顺流条件下基本与紊流模型结果吻合,而在风向逆流条件下,尤其是风应力较小情况下,抛物线分布与紊流模型结果有相当的偏差。流速分布则和传统双对数分布基本吻合,但须考虑风生流和定常流之间的相互作用,而不能简单看成两者间的线性叠加。雷诺切应力基本符合线性分布。底部摩阻受风生底流的影响,在平底条件下,风向顺流会减小底部摩阻,而风向逆流则会增加底部摩阻;但在非平底条件下,只有在较深处规律和平底类似,而在较浅处,风向顺流也会增加底部摩阻。