基于RANS/LES混合方法的三维L型弯管流场特性数值模拟

L型弯管是船用典型部件,可实现流体质量输运和热量交换等功能。由于弯曲段曲率的影响,其内部流动十分复杂。传统的雷诺平均方法(RANS)无法模拟弯曲段的复杂流动,而大涡模拟方法(LES)则计算量太大。为此,采用RANS/LES混合方法对经典L型弯管进行数值模拟研究,该方法在近壁面区域采用RANS方法,在湍流核心区采用LES方法,不仅可保持模拟精度,而且网格需求量较低更适用于工程应用。针对商软中的2类RANS/LES方法——脱体涡方法(IDDES)及应力混合涡模拟(SBES)方法,比较分析其在L型弯管内部流场仿真方面的优劣,并同时考虑流向曲率修正的影响。结果表明:SBES方法对弯管内二次流(迪恩涡)的预测能力优于IDDES方法,且曲率修正模型可进一步改善SBES方法的仿真结果。

基于雷诺平均法的典型结构风荷载特性研究

基于FLUENT软件平台,对典型结构的风荷载分布特性进行CFD数值研究。以国家大剧院为例,基于雷诺平均法中定常的RNG k-ε湍流模型,对建筑物在不同风向角下的风压分布进行数值模拟研究。并探讨周围建筑物对风场的影响,特别是人民大会堂的影响。研究结果表明:国家大剧院在不同的风向角下表现出不同的风压系数变化情况,迎风面产生正压,侧风面和顶面为负压,背风面风压系数较小;在0˚风向角时,大剧院表面的风压系数达到极值,且周围建筑对风压分布具有重要影响;由于人民大会堂的狭道效应和阻挡效应,大剧院表面风压呈非对称分布。数值模拟结果与风洞试验结果基本吻合,可满足工程要求。本研究可为此类典型结构的抗风设计提供依据和参考,具有重要应用价值。

基于雷诺平均法的四圆柱桩绕流数值模拟研究

为研究河海深水中水流对桥梁桩基础的动力学作用。文章基于ANSYS/FLUENT数值仿真软件,采用雷诺平均法研究四圆柱桩的绕流特征,分析7种不同迎流角及3种典型间距比下的四圆柱桩流场特征、各桩阻力系数及桩周床面所受切应力的分布。结果表明:迎流角与间距比均对四圆柱桩绕流特性有较强的影响;随迎流角从0°增大到45°,下游桩周床面切应力分布模式由屏蔽状态逐渐转变为分离流冲击状态;当间距比为1.0时,临界屏蔽角为5°;当间距比为1.5或2.0时,迎流角处在20°~30°之间,各桩阻力系数值均处于1.0±0.2范围,此时屏蔽效应最小。

基于平均流动模型的广义雷诺方程

推导了基于平均流动模型的广义Reynolds方程。这一方程综合体现了Dowson的广义Reynolds方程以及Patir等人提出的平均Reynolds方程的主要特点,可应用于计人表面粗糙度效应的热流体动力润滑分析。给出了压力流量因子和剪切流量因子的确定方法,并提出运用所推导的方程进行热流体动力润滑分析的求解思路。

基于组合神经网络的雷诺平均湍流模型多次修正方法

求解雷诺平均(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程依然是工程应用中有效且实用的方法,但对雷诺应力建模的不确定性会导致该方法的预测精度具有很大差异.随着人工智能的发展,湍流闭合模型结合机器学习元素的数据驱动方法被认为是提高RANS模型预测性能的有效手段,然而这种数据驱动方法的稳定性和预测精度仍有待进一步提高.本文通过构建一个全连接神经网络对RANS方程中的涡黏系数进行预测以实现雷诺应力的隐式求解,该神经网络记作涡黏系数神经网络(eddy viscosity neural network,EVNN).此外,也使用张量基神经网络(tensor basis neural network,TBNN)预测未封闭量与解析量之间的高阶涡黏关系,并利用基张量保证伽利略不变性.最后,采用多次修正的策略实现修正模型对流场预测的精度闭环.上述方法使用大涡模拟(large eddy simulation,LES)方法产生的高保真数据,以及RANS模拟获得的基线数据对由EVNN和TBNN组合的神经网络进行训练,然后用训练好的模型预测新的RANS模拟的流场.通过与高保真LES结果进行对比,结果表明,相比于原始RANS模型,修正模型对后验速度场、下壁面平均压力系数和摩擦力系数的预测精度均有较大提升.可以发现对雷诺应力线性部分的隐式处理可以增强数值求解的稳定性,对雷诺应力非线性部分的修正可以提升模型对流场各向异性特征预测的性能,并且多次修正后的模型表现出更高的预测精度.因此,该算法在数据驱动湍流建模和工程应用中具有很大的应用潜力.

突扩燃烧室流场RANS与LES模拟

以中心突扩燃烧室为模拟对象,分别从旋涡运动、空间速度分布和时间速度脉动等方面对RANS模拟结果、LES模拟结果和试验结果进行了比较分析。表明RANS方法没有模拟出燃烧室中的旋涡运动,与试验结果相差甚远;而LES方法则比较好地模拟出了燃烧室中旋涡运动和速度脉动。得出LES方法是对突扩燃烧室内流场数值研究的有效方法。

汽车外流场DES/RANS模拟研究

汽车外流场具有非定常、大分离和涡结构复杂的特点.采用分离涡模拟(DES)方法对某汽车外流场进行了数值模拟分析,将压力分布、摩擦因数分布、尾部速度和湍动能分布等结果与雷诺平均模拟(RANS)方法进行了比较.计算结果表明:在时均结果上,DES和RANS结果差别不大,但DES方法在处理非定常流动和捕捉含能结构方面优势明显,更能真实地反应汽车外流场的复杂特征.DES方法计算量较大,RANS方法在获取流场的时均信息方面显得更加经济.

稠密栅元不同子通道内湍流流动的RANS和URANS模拟

本工作采用RANS和非稳态雷诺平均纳维斯托克斯模拟(URANS)方法对稠密栅元内典型子通道——中心通道和壁面通道内的湍流流动进行CFD模拟。研究分析了稠密栅元子通道内的不同周向角度的主流速度、壁面剪应力、湍动能等参数。将模拟计算结果和实验测量结果进行对比,结果表明:RANS模拟在采用各向异性的湍流模型的情况下能较好地模拟P/D较大的稠密栅元通道,但对于P/D较小(P/D<1.1)的稠密栅元通道,CFD结果和实验数据存在较大差距。相比之下,URANS方法可模拟紧密栅元子通道间隙区的大尺度、准周期的流动振动,从而和实验数据拟合良好。推荐采用雷诺应力湍流模型(SSG,ORS)进行RANS模拟,而采用SAS湍流模型进行URANS模拟。

查洁法结合RANS方程的滑行艇阻力计算方法

针对雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程结合流体积法(VOF)计算滑行艇阻力耗时较长、现有滑行艇阻力估算公式精度较低且适用范围有限,提出了一种查洁法结合RANS方程的滑行艇阻力计算方法.通过求解艇体平衡方程,迭代求出艇体航态,动态计及升沉和纵倾角对艇体流场和阻力计算的影响.对于艇体航态变化显著时的阻力计算(体积傅氏数F>1.5),先采用查洁法估算初始纵倾角,再求解RANS方程可大幅提高计算效率.采用该方法计算了现代滑行艇模型4667-1和SM5的阻力、升沉和纵倾角,并与试验结果对比.结果表明:0.26≤F≤6.03,阻力计算值与试验值误差小于7%,升沉和纵倾角计算值与试验值吻合良好,从而验证了所提出的计算方法有效性.

基于RANS和LES的汽油、柴油及其掺混燃料压燃燃烧特性数值模拟研究

研究中首先采用RANS和LES两种湍流模型对汽油、柴油及汽柴油掺混燃料的喷雾进行了气液相贯穿距的标定。基于标定好的喷雾模型,采用RANS与LES对3种燃料在发动机中的燃烧过程开展了数值模拟研究。通过对比RANS与LES对部分预混燃烧数值模拟的差异,揭示了两种湍流模型对缸内流动、燃料输运及燃烧过程的影响机理。结果表明,RANS与LES都能够对柴油及掺混燃料的燃烧过程实现较好的预测,其中LES对汽油部分预混燃烧中滞燃期及放热规律的预测与试验更为接近。同时,LES对3种燃料NOx排放的计算结果都与试验更加接近,这与燃料在缸内放热的位置密切相关。

基于RANS和非线性动力学方法的海洋平台供应船水舱减摇预报（英文）

在探讨带平面被动式减摇水舱的海洋平台工作船在横浪中的减摇问题上,采用RANS方法进行船舶和水舱的强迫运动模拟,通过数值处理得到船舶和水舱的水动力系数。假设在共振频率下船舶和水舱的横摇运动在达到稳态后可以解耦,由非线性动力学的方法求解船舶横摇运动,并在波浪中进行系列模型试验以研究减摇特性。海洋平台工作船具有多工况的特点,不同载况对应不同船舶固有周期,实际航行中对减摇水舱的使用就是通过改变水舱水深使水舱的周期等于船舶固有周期,而通过上述方法的快速计算,选择合适的水深和阻尼隔板可以达到理想的减摇效果。结论表明该方法可以预报不同方案下的船舶横摇运动,该思路在船舶的减摇水舱设计阶段可以提供参考价值,并且在实船航行中可以提供水深加载指导以适应复杂的多工况航行。文中研究结果被运用于一艘实船航行时水舱加水策略中。

雷诺应力对平均和脉动压力影响的数值模拟

采用增加雷诺应力边界条件方法考察了雷诺应力对流场的影响。当雷诺应力边界条件存在时,流场内平均和脉动压力的变化体现了雷诺应力的影响。本文首先在没有雷诺应力边界条件和有雷诺应力边界条件的情况下得到TTU低矮建筑标准模型表面的平均压力系数,结果表明:考虑雷诺应力可使建筑物表面的平均压力系数的绝对值增大。本文还利用Selvam提出的脉动压力系数数学模型,计算了TTU模型表面的脉动压力系数,并对计算结果进行了分析。

LES/RANS方法混合函数特性研究

将两方程k-ωSST湍流模型和Sagaut的混合尺度亚格子模型通过一个混合函数相结合,构造出一种混合大涡/雷诺平均N-S方程模拟方法(hybird large eddy simulation/reynolds-averaged navier-stokes,HybridLES/RANS),采用这种混合模拟方法结合5阶WENO格式对Ma=2.8平板湍流边界层进行了数值模拟,并在计算区域上游入口处采用"回收/调节"方法生成湍流脉动边界条件,通过考查RANS区域向LES区域的过渡参数及网格分辨率对这种混合模拟方法进行了评价.计算结果表明:该文采用的混合模拟方法可以捕捉到湍流边界层中的大尺度结构且入口边界层平均参数不会发生漂移,混合函数应当将RANS区域和LES区域的过渡点设置在对数律层和尾迹律层的交界处,而过渡应当迅速以获得正确的雷诺剪切应力分布,在该文采用的模型及数值方法的条件下,流向及展向的网格小至与Escudier混合长相当时,能够获得可以接受的脉动速度的单点-二阶统计值.

第四届国际雷诺平均–大涡模拟混合方法学术会议纪要

1会议概况由清华大学、中国力学学会、德国宇航院和欧盟第七框架协议ATAAC项目联合主办,清华大学承办的＂第四届国际雷诺平均–大涡模拟混合方法学术会议＂（The 4th Symposium on RANSLES Hybrid Methods）于2011年9月28～30日在北京凯迪克–格兰云天大酒店召开.瑞典国防研究院（FOI）彭夏辉（Shia-Hui Peng）教授为大会组委会主席。

不同导流罩下基于RANS的高速梯气压变化规律

针对高速电梯导流罩的形状结构对轿厢内气压变化的影响,以高速电梯导流罩为研究对象,基于雷诺平均(RANS)法的流体动力学数值模拟,结合k-ε湍流方程,研究电梯在高速运行时,不同形状的导流罩对轿厢内部气压变化的影响。首先研究RANS理论,确定了描述湍流平均量的方程,以此为依据建立电梯井道及轿厢的三维简化模型;然后根据电梯井道的参数设置,确定电梯运行时的外部环境,并用Fluent对该三维模型进行流体仿真,进而分析了不同导流罩下轿厢内气体流动特性和气压变化规律。结果表明,轿厢在井道顶部和底部时气压变化较大,在井道中部时气压平稳。相比于锥形和梯形导流罩,椭球型导流罩的导流效果更好,气流更加稳定,运行阻力最小。经过实际测试验证,高速电梯运行时轿厢内气压变化与预测的结果相符合,验证了上述方法的有效性。

基于雷诺平均Navier-Stokes方程计算的惯性效应与波幅对船舶波浪增阻影响分析

在水池试验中测得的波浪增阻包含纯水动力(即因船体周围水流变化而作用于船体的水动力)和由波浪诱导的船舶运动产生的平均惯性力。论文基于OpenFOAM,采用雷诺平均方程预报油轮KVLCC2在规则波中迎浪直航时的运动和波浪增阻。通过计算证实了波浪诱导的船舶运动产生的平均惯性力不为零,尤其是在长波条件下,它对波浪增阻的贡献不可忽略。考虑惯性效应的波浪增阻的计算结果与试验数据吻合良好。此外,计算结果证实了波幅增大后无因次波浪增阻减小,波浪增阻与波幅的平方不成正比。

圆角矩形柱平均气动力特性的雷诺数效应试验研究

针对宽厚比为2、圆角率为0.3的矩形柱,采用刚性模型测压风洞试验的方法,在均匀流场中对其表面风压时程在不同雷诺数和不同风向角下进行了测试。分析了不同风向角下平均阻力系数、平均升力系数和平均风压系数随雷诺数的变化规律。结果表明,随着雷诺数的增大,平均阻力系数减小,平均升力系数会产生明显的跳跃现象。迎风侧角点的风吸力会在较高雷诺数时产生明显的突增现象,随着风向角的增大,突增幅度先增大后减小。

用于预测轴流压气机内角区分离的RANS和SBES方法评估

为了提高压气机内角区分离的RANS建模精度,基于剪应力输运模型(SST模型),本文评估了湍流非平衡和各向异性修正对压气机角区分离预测的影响。结果表明,角区分离区上游端壁二次流以及角区分离流均呈现出很强的湍流非平衡和各向异性行为,结合非平衡和各向异性修正而提出的NSST-Helicity-QCR模型能够在各类工况下给出最为准确的角区分离预测结果。为了进一步验证提出的NSST-Helicity-QCR模型能够合理捕捉压气机端区流动物理,基于一种新型混合RANS-LES方法——应力融合涡模拟(SBES)构建的高保真时间精确湍流数据库,本文对NSST-Helicity-QCR模型进行评估反馈。结果表明,NSST-Helicity-QCR模型合理捕捉了端壁二次流以及角区分离流的湍流非平衡行为,但仍低估了角区分离区内的湍流各向异性行为。

含有周期涡结构的湍流雷诺应力与平均速度梯度之间的迟滞效应

针对存在时空周期涡旋结构的湍流场,对湍流雷诺应力与平均速度梯度之间的空间迟滞效应进行了实验研究,发现二者流向相位差呈周期变化.在低速回流式水槽中,利用二维高时间分辨率粒子图像测速(TimeResolved Particle Image Velocimetry,TRPIV)技术,对Re=324的圆柱尾流流场进行测量.经过49个周期166个相位的8215个PIV瞬时流场,经过周期相位平均,得到一个周期内不同相位典型的湍流雷诺应力和平均速度梯度的空间分布.利用湍流雷诺应力相位平均图像和平均速度梯度图像在不同时间相位下的空间互相关函数最大值对应的流向空间距离,得到湍流雷诺应力与平均速度梯度之间沿流向的空间相位差,并绘制流向相位差随周期相位的演变过程.本文验证了湍流复涡黏模型的合理性,为建立符合周期涡旋结构物理机理的湍流模型研究提供了实验依据.

雷诺应力各向异性涡黏模型的层析TRPIV测量

利用层析TRPIV测量水洞中平板湍流边界层3D-3C速度场的高分辨率时间序列数据库.提出了空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念,描述湍流多尺度涡结构的空间拉伸、压缩、剪切变形和旋转.用空间局部平均多尺度速度结构函数对湍流脉动速度进行了空间多尺度分解.用空间流向局部平均多尺度速度结构函数,根据湍流多尺度涡结构在流向的拉伸和压缩物理特征,提出了新的湍流相干结构条件采样方法,检测并提取了层析TRPIV数据中相干结构"喷射"和"扫掠"事件中的脉动速度、平均速度变形率、雷诺应力等物理量的空间拓扑形态.通过研究平均速度变形率各分量与雷诺应力各分量之间的空间相位差异,肯定了壁湍流相干结构雷诺应力各向异性复涡黏模型的合理性.