一种离心力修正的湍流模型及其在数值模拟中的应用

通过分析强旋流场中离心力的作用,提出了考虑湍流脉动中离心力作功的湍流模型(k-ε-cf模型)。模型的特征参数根据大涡参数和小涡参数的几何平均得到,其中旋涡的频率与热线测量实验结果一致。运用k-ε-cf模型对一同轴旋转分层流燃烧器空气动力场进行了数值模拟,计算结果与实验数据吻合良好,比标准k-ε模型结果有较大改进。

结合机器学习的SA湍流模型闭合系数修正

将修正Morris分类筛选法与极端梯度提升(extreme gradient boosting,XGBoost)相结合,在计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数据驱动下,用于SA(Spalart-Allmaras)湍流模型闭合系数的修正.利用分类筛选法有效缩小闭合系数研究范围,同时依据XGBoost方法在小规模数据集下取得精度较高的拟合模型,有效提升系数修正效率.在三维DLR-F6-WB构型下进行了数值实验,实验结果显示利用本方法能够在三维复杂模型上基于小样本数据进行系数修正,修正后的升阻力系数计算精度得到了显著提升.

考虑旋转和曲率的湍流模型修正及应用

通过分析湍流模型在模拟旋转和弯曲壁面的旋转机械内流时存在的问题发现,在原有湍流模型的基础上考虑旋转和曲率效应是提高离心泵内流模拟精度和改善流动不稳定性的必然选择;在k-ωSST模型中通过考虑旋转和曲率修正,同时引入Hellsten的理查德森数修正模型思想和扩展内秉旋转张量修正,生成了一种新的湍流模型;应用改进后的湍流模型对比转数为34.34的离心泵在不同工况下的内流场进行了数值模拟,并将改进前后的数值计算结果与试验结果进行了详细对比,由此分析了泵内部流场的分布规律。研究结果表明:改进后的湍流模型预测的能量性能与试验值更接近;在0.6倍设计流量工况下,改进后湍流模型的扬程预测精度提高了3%,效率预测精度提高了近2%,这一结论在内流场中得到了验证;与原湍流模型相比,改进后湍流模型明显改善了叶轮流道和蜗壳扩散段处的流动情况。该结果可为湍流模型研究提供参考。

一种新的湍流修正模型及其在同轴旋流燃烧器空气动力场模拟中的应用(英文)

由于离心力与湍流脉动的相互作用,强旋流动中能量由湍流脉动向平均运动的逆向传输得到了加强。当径向脉动随半径增大时,离心力对湍流微团作正功,湍流微团的脉 动动能增加,反之亦然。基于对离心力作用的分析,该文提出了一种考虑离心力作功的新的k-e 湍流修正模型(k-e-cf模型),其特征参数由大涡与小涡相关参数的几何平均得到,其中涡的频率与实验一致。采用k-e-cf模型对一同轴旋转分层流燃烧器出口空气动力场进行了数值模拟,结果与实验吻合良好,精度比k-e 模型高。当切向速度满足一定分布时,离心力作功可以忽略,一般情况下,应考虑离心力作功以反映强旋流动的各向异性。

弯曲和旋转修正的湍流模型在旋转翼身组合弹箭中的应用研究

为了研究高速旋转产生的流线弯曲及壁面强湍流剪切效应,本文采用完全时间相关的非定常N-S方程,对超声速带翼旋转弹箭开展计算,研究了弯曲和旋转修正的湍流模型SARC和SSTRC对弹箭旋转气动特性和流场结构产生的影响。结果表明:对全弹侧向动态特性计算,弯曲和旋转修正的湍流模型与原始模型精度相当,侧向力和力矩旋转导数最大差异<6%,4组经验估算公式计算的马格努斯力旋转导数与本文结果误差皆>15%。弯曲和旋转修正的湍流模型使物面压力左右两侧同时偏大或偏小,与原始模型相比并没有加剧或削弱不对称效应,这是全弹马格努斯特性变化不大的原因。弯曲和旋转修正湍流模型预测的分离区更大,对分离流动的抑制能力减弱。

液压管路油液流动的湍流模型参数修正研究

由于Realizable k–ε两方程湍流模型原参数的局限性,Realizable k–ε模型不再适宜于模拟液压管路油液流动的压力损失。建立管路中油液流动的数学模型,根据液压管路中YH-15航空液压油流动的试验结果对Realizable k–ε两方程模型中的原参数进行了修正,得到适用于模拟油液流动的湍流模型新参数,模拟了其他工况下液压管路油液流动的压力损失,与原参数模型进行了对比,结果证明数值模拟与试验结果的相对误差最大值从7.76%降为3.15%,新参数模型与试验结果吻合较好。研究结果为航空工程上液压管路的湍流运动预测提供理论基础。

模拟翼型热敏介质空化流的湍流模型修正与应用

为了研究湍流模型对热敏介质空化流数值模拟精度的影响,结合滤波器模型(Filter-based model,FBM)和密度修正模型(Density-corrected model,DCM),基于局部网格尺度和气液两相混合密度,修正了3种湍流模型(k-ε、RNG kε和SST k-ω)的湍流粘度,并分别采用原始湍流模型和修正湍流模型,以不同温度的水为介质,对NACA0015翼型进行了单相和气液两相数值模拟。通过与实验数据比较,验证了数值模拟结果的准确性。研究结果表明,修正的kε模型消除了湍流尺度的影响,通过修正的RNG kε模型计算得到的空泡发展规律与实验结果一致。修正后的RNG kε模型揭示了空化与温度变化的规律,反映出较好的修正效果,可为低温热敏介质空化流数值模拟提供理论参考。

适用于公路隧道湍流的亚滤波尺度模型修正

公路隧道流场的复杂性给数值计算带来了极大的困难,动态涡粘性模型和动态混合模型都存在小尺寸涡的耗散过大问题。主要原因在于,公路隧道湍流在壁面附近存在强剪切应力,以致于小尺寸涡的耗散较大,但模型的耗散量不足以使之平衡。湍流能量级串机制的研究表明,在湍流场中,大尺度运动对小尺度运动的细节不敏感。所以,只要亚滤波尺度模型提供了恰当的动能耗散率,大尺度运动的模拟结果就能获得大致正确的统计规律。基于上述思想,文章提出了一种适用于公路隧道流场的涡粘系数模型。该模型能产生恰当的动能耗散率,从而平衡亚滤波尺度运动的能量耗散。经过与模型实测数据和DNS计算结果的对比,验证了其准确性,效果理想。

考虑随机和认知混合不确定性的CFD模型修正方法

针对随机和认知混合不确定性下的CFD模型修正问题,提出了一种融合混合不确定性量化、全局灵敏度分析、参数修正的模型修正架构,建立了基于证据理论的混合不确定性量化方法,在此基础上构建了基于概率包络面积变化率的混合不确定性灵敏度分析指标,提出了基于似然样本策略的参数修正方法。针对三维机翼ONERA M6的CFD数值模拟,在考虑湍流模型封闭系数认知不确定性和来流条件随机不确定性的情况下,通过混合不确定性量化得到升力系数的概率分布包络,并开展全局灵敏度分析发掘影响较大的封闭系数,降低模型修正的复杂度和计算量,并根据似然样本策略对关键系数加以修正。经过参数迭代修正,修正后的CFD仿真结果与试验数据高度吻合,证明了提出的CFD模型修正方法的有效性。

基于SST k-ω的超声速气膜冷却湍流模型温度修正

针对现有湍流模型无法准确预测非等温超声速气膜冷却行为的问题,在现有SST k-ω可压缩修正模型基础上,以总温梯度为变量,完成了湍流模型的温度修正,并首先通过非等温可压缩自由剪切流动实验数据初步验证了其修正效果,在此基础上对温度修正模型预测超声速气膜冷却传热的准确性进行了验证。结果表明,基于剪切层总温变化的湍流模型修正效果显著,可准确预测大温度梯度下的自由剪切流动轴向速度分布;修正模型计算得到超声速气膜冷却壁面热流分布与对应的实验结果吻合;当用于剪切层温度大梯度变化的超声速气膜冷却数值模拟时,温度修正后的SST k-ω模型与可压缩修正的k-ω模型、SST k-ω模型相比,具有显著优越性。

Mann风湍流模型研究及修正

湍流是风的特性之一,也是风力机动载荷的主要来源。国际标准IEC-61400-1中推荐使用Mann风湍流模型模拟脉动风速。Mann模型涉及的理论非常复杂,一般的设计人员难于理解,应用时也难于入手。为此,本文以文献[3,7]为基础,对Mann风湍流模型进行了详细推导,重点阐述了该模型理论上的简化。发现了文献[3,7]中参数ζ1和ζ2表达式不准确,本文提出了其修正表达式,对比显示修正后的参数大幅提高了风功率谱低频范围的模拟精度。利用改进后的参数模拟Kaimal经验风谱,以谱理论为准则,讨论了空间点数对数值模拟脉动风速的影响,得到了模拟各个风速分量时空间点数的推荐值。利用空间点数的推荐值,得到了空间三维脉动风速。

修正S-A湍流模型在Rotor37计算中的评估

为评估PMB3D软件中的湍流模型对航空发动机叶轮机的模拟能力,采用二阶Roe格式、LU-SGS时间积分方法和原始一方程S-A湍流模型对NASARotor37压气机进行了计算,基于Van Driest近壁公式对S-A湍流模型进行了修正,并分析了修正对流场的影响。计算结果表明:经过修正的S-A模型计算得到的失速点推迟,对特性线、出口展向平均总压、静压、总温和绝热效率精度低于原始S-A模型,但对切向速度和绝对气流角的计算结果和试验数据吻合更好。该研究工作表明,总体上PMB3D软件中的数值模拟方法对单转子压气机的模拟精度较好,S-A模型的修正方法还需要进一步发展。

气体泄爆压力分步计算模型及其湍流修正

通过将密闭空间内爆燃泄放过程进行微分,假设各微分时段内爆燃泄放过程均按照先燃烧、再泄放、最后压力平衡的过程独立分步进行,最终得到泄爆压力分步计算模型。同时,在尺寸为2 m×1.2 m×0.6 m的爆炸腔体一端安装击穿压力相同、泄放面积不同的泄爆构件进行泄爆实验,对分步压力计算模型进行验证。对比发现:大面积泄放条件下,2个传感器测得的压力曲线基本重合,均为单峰值曲线,此时模型计算值与实验结果吻合较好;小面积泄放条件下,腔体内压力曲线均为双峰值曲线,由于泄放截面改变加剧口部湍流扰动,使得腔体内部产生压力梯度,近泄爆口处传感器测得的第2个压力峰值要大于腔体内部传感器相应的测量值,经湍流速度修正后的压力计算模型可以较好地描述近泄爆口处的压力变化情况。

污泥-废水2相湍流与生物反应耦合模型及应用

建立污泥-废水2相湍流与生物反应动力学耦合模型,实现对反应器污水两相3维流场及浓度场的同时模拟.采用活性污泥2号模型(ASM2)描述运输方程中的反应速率项、两相流混合物模型描述活性污泥-废水2相湍流的水力特性,并纳入污泥沉降运动;通过数字粒子图像测速研究紊动条件下污泥沉降特性,对传统污泥沉降模型进行水力湍动影响修正,实测污水处理厂氧化沟流场与组分浓度以验证模型,数值模拟了不同曝气方式下氧化沟污泥-废水2相流场与水质,结果表明:流速是影响污泥沉积和水质浓度分布的主要因素,曝气方式的差异直接影响出水效果,在所研究的污水厂中采用半日间歇曝气方式运行,可提高出水效果,并降低能耗约23.84%.

利用修正低雷诺数k-ε模型对管道分离流动的数值研究

采用适合于分离流的修正低雷诺数ｋ－ε模型对突扩园管中的流动进行了数值研究，重点是对近壁流动和再附着点附近流动的研究。从理论上证明了所采用的湍流模型既满足近壁渐进行为，又避免了在通过再附着点截面上μｔ恒为０的困难。和已有的实验数据比较表明，所采用的模型对再附点位置及其附近的流动预测能力优于普通低雷诺数ｋ－ε模型。

基于可压缩修正k-ε模型的弹丸气动计算

弹丸在高速飞行时外流场的可压缩性在早期发展的湍流模型中没有体现出来。文中依托OpenFOAM软件平台研究带可压缩性修正的k-ε湍流模型对弹丸气动计算的影响。分别将标准k-ε模型和带有可压缩修正的k-ε模型应用到弹丸气动计算中,发现带有可压缩修正的模型更能反映流场的特性,其计算值与试验值更加接近。结果表明,弹丸高速飞行时外流场的可压缩性是不容忽视的,可压缩修正模型能显著提高气动参数的计算精度。

基于SST模型的红外整流罩湍流换热数值计算

低空高速突防红外制导系统的球形整流罩通常工作在湍流换热状态,文中以零攻角球锥体为基础,结合结构网格、来流物性参数、驻点及湍流球面换热工程公式,探索出一种将SST模型应用于整流罩湍流换热数值计算的工程方法。首先根据Billig公式,利用分块结构网格在流场中构造脱体激波,以降低数值耗散,然后通过壁面网格高度调整,分析计算结果对近壁网格的敏感度。在此基础上,分析SST模型参数对计算结果的影响,其中Bradshaw数仅对峰值热流影响较大。在驻点层流区域,通过来流的等效热导率修正使SST模型热流计算结果与Klein公式相符。在球面湍流区域,利用高速球体湍流换热工程公式对Bradshaw数进行修正,使SST模型热流计算结果与该工程算法相符。修正后的SST模型的计算结果具有工程精度,可用于整流罩抗热冲击、气动光学效应、图像非均匀校正以及红外、激光末制导的弹道设计等分析研究,具有重要的工程意义。

非线性涡粘度模型在内燃机缸内湍流计算中的应用

作者将一个非线性涡粘度湍流模型进行修正后应用于内燃机缸内湍流流动计算,此模型采用了应力张量和应变张量的三阶相关关系,对几种不同类型内燃机气缸内的流动进行计算,结果表明此模型在定性和定量上都较之k—ε模型有较大的改进,其适用于内燃机缸内湍流流动的数值模拟。

修正的SST k-ω模型在云状空化流动计算中的应用研究

采用基于Rayliegh-Plesset方程的空化模型及实验结果,评价了修正的SST k-ω湍流模型在云状空化流动计算中的应用。采用不同的修正系数,分别计算了绕Clar k-y型水翼的云状空化流动,获得了随时间变化的空化形态和升、阻力等流场及动力特性。通过与实验结果的对比表明,修正后的模型可以更准确地捕捉云状空化区域的空穴形态和空泡脱落的非定常细节;密度函数中指数n的选取对计算所得的空穴长度、升阻力和主要频谱分布均有影响,并给出了n的合理取值范围,为后续水工模型的空化数值计算提供了参考依据。

考虑二次本构关系的湍流模型对翼身组合体阻力预测的影响分析

使用自行发展的MFlow求解器对第六届AIAA阻力预测会议的翼身组合体外形进行了数值模拟研究。在文章中着重对比了线性涡黏模型和考虑二次本构关系的湍流模型的数值模拟结果,并与试验结果进行了比较。研究发现,考虑二次本构关系的湍流模型能够比较准确地预测翼身组合体的气动特性,而线性涡黏模型从迎角3.5°开始,高估了翼身结合处的分离流动,导致预测的气动力与试验结果差异较大。对翼身结合处局部流动和压力分布的详细分析,展示了两种模型预测的气动特性差别很大的原因。