高雷诺数壁湍流的研究进展及挑战

高雷诺数壁湍流(high Reynolds number wall-bounded turbulence,HRNWT)是目前湍流科学研究的一个热点也是一个难点,对其现象、规律及机制的认知不足,理论体系远未建立而且研究手段受到各种限制.本文基于对HRNWT主要研究手段的介绍,针对HRNWT中的湍流统计量、超大尺度结构(very large scale motions,VLSMs)的尺度和形态以及起源和影响及其与颗粒的相互作用,总结了HRNWT的研究现状和最新进展,特别梳理了近年来本文作者团队在HRNWT特别是高雷诺数颗粒两相壁湍流方面的研究成果,并对HRNWT的进一步研究给出了建议及展望.

风沙流/沙尘暴与高雷诺数壁湍流野外观测

风沙流与沙尘暴是发生在高雷诺数大气边界层中的气固两相流,对风沙流与沙尘暴的深入认识、准确预报和科学防治都要基于对风沙运动规律的认知和把握,因而需要借鉴高雷诺数湍流的研究成果。本文综述了高雷诺数壁湍流和风沙流/沙尘暴研究的现状,着重介绍了在中国民勤地区建立的沙尘暴与高雷诺数壁湍流野外观测站,以及基于观测站的观测列阵所获得的初步成果,展望了进一步的发展方向。

宽速域RANS-LES混合方法的发展及应用

传统的雷诺平均方法(RANS)已经不能满足大范围分离、激波振荡、压力脉动、动载荷等极端工况下的流动预测需求;大涡模拟(LES)、直接数值模拟(DNS)等方法资源耗费多、效率低,离工程湍流问题仍较为遥远。RANSLES混合方法结合了RANS高效率和LES高精度的特点,近期有望大规模应用到工程湍流问题中。首先对现有的RANS-LES混合方法进行了归类,对各自的构造思想、特点进行了分析。然后报告了脱体涡模拟(DES)类方法的发展历程和现状,讨论了使用DES类方法计算分离流动时,对流项离散格式对分离特性、小尺度结构及频谱特性等的影响,并构造了自适应耗散函数。最后介绍了近年来国内外RANS-LES混合方法在宽马赫数范围(马赫数从0.1到20)内的机理研究和工程应用。现有的以DES类方法为代表的RANS-LES混合方法能够较为精细地模拟非定常大分离流动中的复杂现象,但在计算效率等方面还有较大的改进空间;植入式DES方法在模拟全机带部件流动上具有较高的效率和模拟精度,是重要的发展方向。RANS-LES混合方法在动态失速、燃烧、气动弹性、气动噪声、气动光学等与非定常流动密切相关的方面也有广阔的应用前景。

不同反应机理的火焰面模型模拟射流火焰

用一维火焰分析并构建火焰面数据库,基于稳态层流火焰面(SLFM)模型分析不同化学反应机理对火焰面数据库及模拟结果的影响。基于大涡模拟(LES)程序AECSC(aero engine combustor simulation code)软件,SLFM模型结合DRG(direct relation graph)方法简化机理、Smooke机理、GRI 3.0详细机理模拟高雷诺数甲烷射流Flame D、E、F火焰,其中GRI 3.0机理的温度平均值和脉动值与实验数据最接近。相比LES-概率密度函数输运方程湍流燃烧(TPDF)模型,LES-SLFM方法计算速度快,整体精度接近TPDF计算结果。对化学机理影响火焰面数据库,从而影响模拟时间和精度的原因进行了系统分析。LES-SLFM模型结合详细机理速度快、精度合适,未来可以进一步用燃烧室算例检验,具有应用的潜力和发展价值。