基于S-A湍流模型和间歇因子输运方程的转捩流数值模拟

考虑到γ-Reθt转捩模型中间隙因子输运方程并不依赖于具体的湍流模型,因而提出了耦合S-A湍流模型和间歇因子输运方程的转捩流模拟方法.其主要思想是构造与间歇因子相关的两个耦合函数,分别作用到S-A模型的生成项和耗散项用以控制湍流的产生与发展,从而实现层流到湍流的数值转捩.结果表明:该方法中模型方程具有完全当地性的特点,易于实施,可直接用以求解三维转捩流动.4个典型算例表明该方法模拟结果与γ-Reθt模型准确度相当,但少求解了两个输运方程,计算耗时减少了15%.

间歇性低氧相关组织因子表达在儿童睡眠呼吸暂停综合征的临床生物学意义

目的:探讨间歇性低氧相关组织因子在儿童睡眠呼吸暂停综合征中表达的相关性及临床生物学意义,为探索儿童睡眠呼吸暂停综合征细胞乏氧代谢损伤机制提供分子病理学基础。方法:以正常儿童群体为对照,采用双抗体夹心酶联免疫吸附试验(ELISA)法检测对氧磷酶2、白三烯等低氧相关组织因子在儿童睡眠呼吸暂停综合征睡眠状态及清醒状态中的差异。结果:对氧磷酶2与白三烯的表达在正常儿童、睡眠呼吸暂停综合征患儿中存在明显差异(P<0.05);在清醒状态与睡眠状态呼吸暂停综合征患儿中比较差异无统计学意义(P>0.05);其表达水平与OSAS分级呈正相关,r分别为0.78和0.66(P<0.05)。结论:对氧磷酶2和白三烯与儿童睡眠呼吸暂停综合征呼吸暂停低通气(AHI)分级相关,并可作为独立因子辅助其诊断及分级。

大跨度球面网壳结构风力荷载间歇特性研究

针对典型大跨度球面网壳结构,在同济大学TJ-3大气边界层风洞试验室进行了刚性模型测压试验.首先,利用游程分析方法验证了风力信号的非平稳特性.其次,使用离散小波变换对其1∶200的模型结构风力信号在各尺度进行分解,得到各尺度小波系数时程曲线.为量化分析风力间歇特性,对尺度能量分布,间歇因子及间歇能量分布进行了分析和比较.研究表明:风场类型对阻力系数及Z向升力系数的平稳特性,以及对高尺度区间歇能量比率及间歇因子影响较大,而对各尺度风力系数尺度能量比率的影响均较小.各尺度下,整体阻力系数与Y向升力系数呈现正相关,而与Z向升力系数呈现负相关,并且整体阻力系数与Y向升力系数的相关性随着尺度增大而增大.

大跨度球面网壳结构表面风压间歇特性研究

在同济大学TJ-3风洞试验室对大跨度球面网壳结构进行刚性模型测压试验。通过对结构表面风压信号进行连续及离散小波变换,得到各尺度小波系数时程。对结构表面测点信号的尺度能量比率,间歇能量比率及间歇因子三个参数进行比较性分析,得到以下结论:(1)尺度11处,环向测点尺度能量随位置的变化很小,而在尺度12处侧向测点1-7和1-19的尺度能量明显大于其他区域,约为迎风及背风区域测点1-1和1-13的2倍;(2)测点1-7和1-19的间歇能量主要集中在尺度11处,而测点1-1和1-13的间歇能量在各尺度分布较为均匀;(3)测点1-1,1-7,1-13和1-19的间歇因子随尺度的变化趋势相似,在低尺度区变化平缓而在高尺度区域迅速增大。上述说明,结构表面不同区域的风压信号间歇特性不尽相同,可以进一步为结构风压基本特性的精细化分析提供帮助。

超声速开式空腔腔体前缘波系的间歇特性数值

超声速自由来流条件下,开式空腔流动表现出剧烈的自持振荡现象。非定常的流动会在空腔内部诱发强烈的气动噪声。采用分离涡模拟方法(DES)对流场进行了数值模拟,结果表明空腔内部产生了强烈的反馈声波。空腔内部反馈声波与剪切层之间相互作用使剪切层表现出剧烈的不稳定性,剪切层的纵向运动会在空腔前缘诱发出交替出现的压缩波和膨胀波,数值模拟得到了一个周期内前缘出现压缩波和膨胀波的间歇因子。

基于深度神经网络的横流转捩预测

基于深度神经网络DNN构建了从层流流场无量纲速度梯度、流向涡强度等物理量到横流转捩模态下间歇因子间的映射关系,获得一种新的数据驱动转捩模型.通过将数据驱动转捩模型与SST k-ω湍流模型耦合,有效简化了转捩模型输运方程求解,实现高效、准确的亚音速三维边界层横流转捩流场计算.DNN训练数据来自变雷诺数的NLF(2)-0415无限展长后掠翼计算结果,并以两种工况进行测试,数据驱动转捩模型预测精度与γ-Re_(θ)转捩模型近似.将数据驱动转捩模型用于其他典型横流转捩算例的计算,以验证其泛化能力.对于变后掠角的NLF(2)-0415后掠翼,数据驱动转捩模型与γ-Re_(θt)-CF模型预测的转捩位置几乎一致,并且能够预测出后掠角从45°增长到65°的过程中,转捩位置先向前再向后移动的现象;对于标准椭球体,使用低分辨率网格进行计算,数据驱动转捩模型依然能够实现转捩位置预测,对椭球体表面Cf的计算结果与多个平台的横流转捩模型、实验结果基本一致.研究表明,以横流转捩相关物理量作为输入对DNN进行训练,并将获得的数据驱动转捩模型与SST k-ω湍流模型耦合,可以实现对横流转捩的有效预测,且具有较强的泛化能力.数据驱动转捩模型对网格分辨率要求更低,在保证计算精度的前提下,具有较高的计算效率.

γ-Re_θ转捩模型的标定研究

介绍了γ-Reθ转捩模型,补充了相应的关联函数。基于平板的试验数据在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)的trip软件平台上对该关联函数进行了标定,并研究了关联函数的变化对转捩结果的影响规律。通过修正与SST湍流模型的结合,改进了转捩位置后壁面摩擦阻力系数偏低的状况。

湍流转捩模式研究进展

以湍流模式理论为基础发展起来的湍流转捩模式是一种十分重要的转捩预测方法.本文对转捩模式的研究进行了回顾.首先,探讨了以低雷诺数湍流模式理论研究转捩问题的局限性,此类模式中,用来模拟黏性层次的阻尼函数经过修正之后,具有一定的转捩预测能力.但也有观点认为这只是一种数值上的巧合而已.其次,指出了考虑间歇性的模式所存在的问题.此类模式通过各种方式将间歇因子与湍流模式进行耦合,在一定程度上考虑了转捩的物理机制,可较好地模拟简单流动中的转捩过程.但其中所包含的非局部变量使其与现代CFD方法并不协调一致.接着,分析了完全由局部变量构造的新型转捩模式,其中涉及了关于非湍流脉动动能等转捩特征变量的新型输运方程.最后,对此领域的发展方向进行了预测.

Gamma-Theta转捩模型在绕翼型流动问题中的应用

在非结构RANS求解器上实现了完全基于流场当地变量和转捩经验关系式的γ-Reθt转捩模型,并利用该模型对S809和NLF0416两种翼型在中等迎角以及大迎角下的低湍流度绕流问题进行了计算。计算结果表明该模型可以准确地预测自然转捩、分离泡转捩和再层流化等各种转捩现象,中等迎角下预测的转捩发生位置和升阻力系数与实验吻合较好,大迎角下该模型也捕捉到了前缘分离泡。同时计算结果也表明该模型预测结果受物面流向网格密度和对流项数值离散格式影响较大,计算时须加以注意。

一种适用于超音速边界层的湍流转捩模式

建立一种合理反映扰动模态和可压缩性影响的新型k-ω-γ转捩模式.其主要特点为:(1)假设脉动动能k由湍流脉动部分和非湍流脉动部分组成,且在模化后者时采用了稳定性分析的结果;(2)在间歇因子γ方程的源项中,构造了具有"自动判断转捩起始位置"功能的函数;(3)通过构造新型的物面法向长度尺度,保证了模式中所有的表达式均由当地变量构成,可以方便地应用于现代CFD程序之中.该模式在亚音速、超音速和高超音速条件下的边界层流动中进行了验证.计算结果表明,该模式可应用于较宽马赫数范围内的自然转捩以及旁路转捩过程,所具有的捕捉流动转捩的性能优于国际上的现有模式.

γ-Re_θ转捩模型在高超声速下的应用及分析

为了初步研究γ-Reθ转捩模型在高超声速领域的适用性,在自行开发的CFD程序中添加了该模型,利用T3系列平板算例对该模型的实现进行了验证;针对高超声速流动,选取压缩面绕流和双圆锥扰流等算例,分别利用该转捩模型、全层流模拟、以及传统的湍流模型进行了数值模拟计算,并与实验结果进行对比。计算结果表明,尽管该转捩模型是在低速流动的基础上发展的,它仍能准确预测高超声速流动下的转捩现象。

γ-Re_θ转捩模型在风力机翼型数值计算中的应用

很多湍流模型忽略了层流区域的存在,但实际流动在翼型某位置处开始转捩,此时模型显然偏离实质,计算结果精度较低。因此加入γ-Reθ转捩模型,将转捩动量厚度雷诺数Reθ作为经验关联函数来控制边界层内间歇因子γ的生成,再通过间歇因子来控制湍动能产生项,使湍流模型在层流区域失效。首先为了验证数值计算的准确性,采用上述方法针对风力机翼型A2121,在高雷诺数4×106下对几种典型攻角的气动性能进行计算,对比普通全湍流模型、湍流转捩模型和风洞试验的计算结果,发现湍流转捩模型结果更精确。之后在更大攻角范围-10.14°~25.09°内,采用此转捩模型数值方法进行气动仿真,发现其总体计算结果与风洞试验实验数据较吻合,验证了此数值方法的正确性和有效性。

气固两相对翼型层流分离及转捩的影响研究

为了研究气固两相对翼型表面层流分离及转捩的影响,首先基于Transition SST模型,对平板和S809翼型的转捩特性进行数值模拟,并将模拟结果与实验值进行对比分析,验证Transition SST模型模拟边界层转捩的优越性。然后在清洁空气和含不同粒径颗粒的气固两相流中,对风力机专用翼型DU93-W-212进行数值模拟,对比分析间歇因子和摩阻系数,结果表明:当颗粒直径小于150μm时,颗粒的加入使得翼型边界层层流分离和转捩均提前发生,且颗粒直径越小,提前位置越多;当颗粒直径大于等于150μm时,层流分离和转捩的位置几乎与清洁空气下一致。

基于新的经验关联公式的γ-Re_θ转捩模型在高超声速流动中的应用

为提高γ-Reθ转捩模型在高超声速流动下的转捩预测精度,参考部分高超声速风洞的实验数据对该模型进行改进,在原始经验关联公式的基础上提出了转捩动量厚度雷诺数基于马赫数、湍流度、压力梯度因子的经验关联公式;选取高超声速平板绕流、高超声速圆锥绕流等算例对提出的经验关联公式进行了验证,并将原始经验关联公式和提出的经验关联公式计算得到的重要参数进行对比,分析了提出的公式的作用机理。结果表明：基于低速不可压流动经验关联公式的γ-Reθ转捩模型在高超声速流动中计算得到的流场中Reθt分布偏低（一般只有真实值的40%－60%）,进而导致边界层内Reθt偏低而过早达到转捩触发准则,与实验值相比所预测的位置可能提前10%（以参考长度为基准）甚至更多。新的经验关联公式有效地改善了这一问题,计算结果与实验值符合得更好。

纵掠平板速度和温度边界层湍流转捩区的积分方法

转捩边界层内壁面摩擦和传热特性急剧变化,转捩区的速度和温度分布特性研究具有重要理论意义.以外掠平板空气为研究对象,将自然转捩边界层沿厚度方向划分为层流底层和准湍流层两部分,采用三次多项式代表层流底层、1/7.5和1/7幂指数函数代表准湍流层速度和温度分布,利用积分方法建立了动量和能量积分方程组,获得了转捩区速度场和温度场的显式表达式,同时确定了壁面摩擦系数和努塞尔数大小,通过四阶龙格-库塔算法获得了动量和热边界层厚度大小,同数值解、Dhawan&Narasimha解(D-N解)和Coupland基准实验结果对比表明,给定条件下理论解精度达到4.8%,证明了理论模型的正确性,对提出的转捩边界层特征参数进行了参数研究,并给出间歇因子对层流底层的影响规律.

湍流转捩工程预报方法研究进展综述

湍流转捩现象对边界层流动的阻力和热交换特性具有严重影响。准确地预测转捩对工程设计意义重大。近年来发展迅速的转捩模型是一种非常适合工程计算的转捩预报方法。本文将转捩模型分成了4个类型,并对每种转捩模型的发展过程加以阐述。在分析和讨论的基础上,总结了目前转捩模型的发展水平,同时也指出尚存的不足之处,为将来构建新的转捩模型以及相关的转捩研究提供建议。

一种工程实用的两方程转捩模型及模块化实现

介绍一种工程实用的两方程转捩模型及其模块化软件实现方法,目的是在自研结构网格求解器中建立粘性计算时自动预测边界层转捩的能力。具体实现中,通过引入两个由当地变量定义的关于间歇因子和当地转捩动量厚度雷诺数的输送方程,并引入一组通过标定得到的经验关联关系修正公式来模化边界层的转捩过程,采用LU-SGS隐式算法进行模型方程的统一迭代求解。通过一组从低速到高速的经典算例确认计算,结果表明:发展的自由转捩预测程序对转捩位置侦测具有良好的敏感性,对涉及自然转捩、旁路转捩和分离诱导转捩的算例都有较好的适应性;通过引入自由转捩预测机制,能有效提高粘性流动精确模拟能力,提高阻力预测精度。针对跨声速和高超声速问题开展的初步应用研究还表明:尽管采用的转捩模型最初是从低速和二维问题发展得到的,但对高速流动和三维问题也部分适用,有助于提高阻力和热流的预测精度,显示其工程实用性。

粗糙度对涡轮叶片流动转捩及传热特性的影响

为研究表面粗糙度对涡轮叶片流动转捩以及传热特性的影响,在自行开发的CFD程序平台上提出了对γ-Reθ转捩模型的粗糙度修正方法,并参考平板绕流和涡轮叶栅的实验数据对该方法进行验证。考虑粗糙度效应的影响,对MarkⅡ涡轮导叶5411工况进行数值模拟,得到如下结论:表面粗糙度对层流边界层换热系数影响不大,而对湍流边界层则有较大影响,进而显著改变壁面温度分布;与光滑壁面相比,5μm的等效沙粒粗糙度使吸力面湍流区域壁面温度升高约5.7 K,100μm粗糙度使壁面温度升高28.4 K,增幅达5%左右;当壁面粗糙度较低时,激波干涉对吸力面边界层的转捩起主导作用,而当粗糙度大于某临界值时,其作用会使转捩位置突然变化,本算例中该临界值近似为150μm。

基于深度残差网络的高精度自然转捩模拟方法

结合机器学习的湍流模型是流体力学领域的研究热点之一.现有方法主要将实验/数值的数据用于重构或修正湍流涡黏性和雷诺应力,鲜有针对转捩问题的研究.本文利用深度残差网络(ResNet)重构了间歇因子与流场平均量间的映射函数,并与Spallart-Allmaras(SA)模型耦合,发展了一种类代数转捩模型.结合高精度加权紧致非线性格式(WCNS-E6E5)在转捩平板和S809翼型算例中进行了验证,并与四方程的SST-γ-Reθ转捩模型进行了对比,结果表明:纯数据驱动的ResNet模型能够准确预测间歇场,很大程度上改善了SA模型对自然转捩流动的模拟能力;训练数据仅基于两个零压力梯度转捩平板,模型能够应用于S809翼型不同迎角的情况,预测的升阻力特性和摩擦系数分布接近SST-γ-Reθ转捩模型的结果;在此基础上,相较SST-γ-Reθ模型节省了超过30%的计算成本.本研究显示了机器学习方法在转捩模型构建中的强大潜力.

尾迹对涡轮叶栅边界层转捩的影响

为研究周期性尾迹对下游涡轮叶栅边界层转捩的影响机理,并验证γ-Reθ转捩模型在非定常计算中的适用性,在自行开发的CFD程序上实现了该模型,对带有尾迹发生器的T106D-EIZ涡轮叶栅进行数值模拟;对比分析了实验数据与数值模拟的结果,并对流动机理进行阐述。主要结论如下:γ-Reθ转捩模型对周期性尾迹影响下的边界层转捩预测得较为准确,转捩位置随时间的变化规律及幅值均与实验值符合得很好;尾迹的时均作用是使吸力面转捩位置向尾缘移动,相比于无尾迹情况其移动距离约为5%轴向弦长;尾迹使吸力面阻力系数时均值较无尾迹情况增加约40%,同时减弱了分离泡的强度,但对分离泡的位置影响不大。