雷诺应力模型在三维湍流流场计算中的应用

从雷诺应力模型出发,通过求解雷诺平均N-S方程组获得三维湍流流场的数值解。计算中比较了多种湍流模式,并进行了相应的流场计算。本文完成了两个典型算例。从算例1的计算结果与实验值比较中发现:采用雷诺应力模型(RSM)计算的三维流场比采用k-ε模型更贴近实验值;算例2采用了RSM模型及三维非结构网格,对一典型内流问题进行了三维流场计算。算例的数值实践表明:采用雷诺应力模型可以有效的计算各向异性的湍流流场;另外,发展非结构网格有助于模拟壁面附近的流动,并节省计算机内存。

旋转湍流中雷诺应力模型压力应变关联项的修正研究

利用张量的不变量理论,推导得出传统雷诺应力模型中压力应变关联项模型应用于旋转湍流模拟中的一些基本问题,即在纯旋转条件下,传统模型所描述的初始各向异性的湍流中雷诺应力张量演化规律是一个无衰减振荡过程,而快速畸变理论推导结果显示,其演化应是一个阻尼振荡衰减的过程。以衰减雷诺应力为目的,构造出包含旋转率张量高阶量的关联项。然后,结合变形率张量的高阶项,将修正模型扩展至椭圆形流线类型流动。最后,将修正模型应用于轴向旋转圆管内湍流流场的模拟,并将结果与实测结果进行了对比。

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.

显式代数雷诺应力模型在超声速/高超声速流场计算中的应用

为了提高显式代数雷诺应力模型在高超声速流场中的计算精度,以修正后的CG k-ε模型作为湍流时间尺度决定方程,将Wallin和Johansson显式代数雷诺应力模型(WJ2000模型)应用于超声速/高超声速流场数值计算,并与线性湍流模型的计算结果进行了对比分析。结果表明WJ2000模型对高超声速压缩拐角附近壁面压力和热流分布的预测要优于线性湍流模型,同时网格依赖性明显低于后者;对CG k-ε湍流时间尺度决定方程所做修正不影响WJ2000模型对超声速流场的预测结果,但使其对高超声速流场的预测精度明显提高。

使用RSM模型对旋风除尘器内湍流各向异性的数值模拟

旋风除尘器内三维湍流流场具有典型的各项异性,本文采用雷诺应力模型求解该流场得到了三维湍流流场的详细数据,得出了雷诺应力6个分量的分布图,揭示了这类强旋流流场湍流各向异性的特征。典型的几个算例的实践表明:采用雷诺应力模型求解这类流场非常必要,它能较好地反映这类流场的真实物理流动;与相关实验数据的比较表明吻合性较好,显示了本文算法的可行性;计算中发现,发展非结构网格更有利于模拟壁面附近的流动,并节省计算机内存。

温度和盐度分层流的二维应力-通量代数湍流模型

以Navier Stokes方程和应力 通量代数湍流模型为基础,建立了温度和盐度分层流的应力 通量代数模型,模型不仅在控制方程中计及密度变化,而且在应力和通量的代数关系中含有浮力项,从而自动地计及浮力对紊动的影响.另外紊动平均量控制方程中的紊动项是由应力 通量模型计算,较好地体现了湍流各向异性的特征.为验证模型的正确性,对同时存在温度和盐度梯度的密度分层流进行了数值模拟计算,结果正确地反映了分层及紊动各向异性的特征,与实测结果吻合较好.

雷诺应力代数模型在紊流场计算中的应用

本文应用雷诺应力代数模型计算了几例流线弯曲效应明显的紊流流场,计算结果表明,雷诺应力代数模型能反映紊流的各向异性,较好地预测复杂流场的紊动特性,是具有良好应用前景的紊流模型。

多维流动湍流代数应力模型的比较

介绍了湍流传统代数应力模型和作者新建的代数应力模型的基本思想．用ｋ－ε模型和传统的及新的代数应力模型进行了多维数值计算，比较了正应力分量的各向异性和宏观湍流速度场．计算结果表明，三种湍流模型之间存在明显差异，新的代数应力模型显示具有一定的优越性．

粘弹性减阻流动的雷诺应力模型研究

针对由Giesekus本构方程描述的粘弹性槽道减阻流动,建立了低Re数雷诺应力模型。通过与DNS数据的比较,该模型对平均速度、平均变形、减阻率和应力的预测较准确,而对时均速度剖面和脉动速度强度的预测精度有待提高。另外,对雷诺应力再分配项(压强变形率相关项)的模化有待改进。

一种DRSM湍流模型在导弹绕流模拟中的应用研究

基于平均N-S方程,采用微分雷诺应力湍流模型,非结构混合网格技术,对十字翼导弹绕流流场进行数值模拟。微分雷诺应力模型需要求解雷诺应力张量的每个分量的偏微分方程组,采用压力-应变速率和三阶速度相关项使方程封闭。理论上,微分雷诺应力模型更能反映物理实际。本文研究了十字翼导弹非结构网格的网格收敛性,重点分析了中等大攻角的导弹的压力分布和绕流流场,并将DRSM湍流模型的预测结果与实验数据及SST湍流模型结果进行了对比,数值计算结果和实验数据吻合良好,验证了该种湍流模型对导弹湍流流场的预测能力。

基于雷诺应力模型的高精度分离涡模拟方法

基于Speziale-Sarkar-Gatski/Launder-Reece-Rodi(SSG/LRR)-ω雷诺应力模型发展了一类分离涡模拟方法,结合高精度加权紧致非线性格式在典型翼型及三角翼算例中进行了验证,并和传统基于线性涡粘模型的分离涡模拟方法进行了对比.结果表明:基于SSG/LRR-ω模型的分离涡模拟方法,提高了原雷诺应力模型对非定常分离湍流的模拟能力;同时相比于传统基于线性涡粘模型的分离涡模拟方法,尤其是在翼型最大升力迎角和三角翼涡破裂迎角附近,该方法在平均气动力预测的准确度、分离湍流模拟的精细度等方面更加优秀.

基于雷诺应力模型的平衡大气边界层模拟

基于雷诺应力湍流模型(简称RSM模型),研究了平衡大气边界层风场数值模拟问题.假设流体不可压,且不计雷诺应力输运方程中的对流项、浮力产生项、系统旋转产生项和扩散项,在准各向同性的条件下,推导出RSM模型湍动能k的表达式是标准k-ε模型k常数表达式的0.893倍.考虑k沿高度变化的修正,根据在标准k-ε模型中满足水平均匀性的湍流来流边界条件,提出在RSM模型中产生平衡大气边界层的湍流来流边界条件.基于空风洞的数值模拟结果表明,与工程上常用的湍流来流边界条件相比,基于本文提出的湍流来流边界条件得到的风场水平均匀性更优,且在整个流域内,得到的雷诺应力剖面更合适.从而验证了该湍流来流边界条件的适用性.

基于ν_(t)尺度方程的雷诺应力模型初步研究

雷诺应力模型一直是湍流模式理论研究的前沿和难点,而提高数值鲁棒性是其广泛开展工程应用的关键.借鉴经典的k-k L湍流模型,本文构造了一种新的ν_(t)尺度方程,并将其用于耦合SSG/LRR模式从而形成SSG/LRR-ν_(t)雷诺应力模型.通过零压力梯度湍流平板边界层、翼型尾迹流、超声速方腔流和NACA0012翼型45°迎角分离流动4个标准算例对新模型进行了验证与确认.同时,为了测试模型的数值鲁棒性,采用高精度数值格式对模型方程进行了离散求解,并与SA涡粘模型和SSG/LRR-ω雷诺应力模型进行对比.结果表明:ν_(t)尺度方程在黏性壁面边界严格为零,相比传统的ω尺度,具有更好的数值鲁棒性,从而可实现新模型与高精度数值格式的匹配并获得更好的网格收敛效率;新模型具备雷诺应力模型的传统优势,可对拐角流动进行很好的模拟;具备尺度自适应能力,对于非定常分离流动的模拟存在一定的潜力.

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.

汽车外部复杂流场计算的湍流模型比较

采用Spalart Allmaras模型、标准k ε模型、RNGk ε模型、Rk ε模型和雷诺应力模型对汽车外部复杂旋涡绕流进行了数值模拟。结果表明 ,RNGk ε模型考虑了湍流中涡流因素影响和低雷诺数效应 ,可有效模拟汽车尾部和底部复杂旋涡流动结构 ,计算精度较高 ,且计算量小 。

不同湍流模型对强旋流动的数值模拟

在径向浓淡旋流煤粉燃烧器单相冷态试验的基础上 ,充分考虑旋转对湍流流场的影响 ,采用 k-ε双方程及其修正模型和二阶矩雷诺应力模型 (DSM) ,对旋流煤粉燃烧器出口强旋流场进行了数值模拟。数值计算结果表明 :k-ε双方程模型定性上可以预报出强旋流场的主要特点 ,但回流区的预报区域偏大 ,轴向速度的预报结果与试验值有一定差距 ,预报的回流速度偏低 ,速度衰减过快 ,这是由于 k-ε湍流模型采用了较多的简化和未考虑旋转对湍流的影响。采用基于旋转体系使湍流脉动加强和削弱两种作用的修正方法对 k-ε双方程的湍流耗散率方程进行修正。计算结果表明 :从旋转体系可使湍流能量加强出发的 Bardina涡量修正方法 ,预报回流区范围较标准 k-ε湍流模型缩小 ,更加接近于试验值。其计算结果优于使湍流脉动削弱的 Richardson修正。DSM模型对轴向回流速度和切向速度后期分布预报结果较上述模型有较大改善 ,可体现出湍流雷诺应力非均匀各向异性的特点 ,虽然此模型仍有收敛速度慢、计算时间长的缺点 ,但对预报强旋流动是一个精度较高、极具潜力的方法。图 9参 1

S弯扩压器中四种湍流模型的比较

采用Realizableκ-ε,S-A(Spalart-Allmaras),SST(Shear stress transport剪切应力输运),RSM(Reynolds stress equation model雷诺应力模型)四种湍流模型对S弯扩压器内的分离流动进行了模拟,分析了不同湍流模型对计算结果的影响.将不同轴向位置的表面压力系数、分离区的大小、马赫数等三个量的实验值与计算值进行了比较,结果表明:分离区湍流模型对表面压力分布影响较大,未分离区不同湍流模型模拟精度相当;S-A模型对分离区的模拟较保守,RSM模型对分离的模拟精度较高,SST与RSM模拟结果很接近;各湍流模型计算的高速区域均比实验值大.扩压器的平均总压恢复系数受湍流模型影响不大,和实验结果吻合较好.

提高Spalart-Allmaras湍流模型对分离模拟能力的研究

为了提高Spalart-Allmaras湍流模型对分离的模拟能力,提出了两种改进方法.第一种是根据模型特点而提出的提高对雷诺正应力的模拟精度,第二种是基于湍流特性的理论分析而提出的对模型生成与耗散的关系进行修正.研究结果表明:第一种方法,由于没有明显提高对雷诺正应力的模拟精度,从而并没有提高模型对分离流动的模拟能力;第二种方法,由于改进了模型对强非平衡湍流的模拟能力,从而明显地提高了模型对分离流动的模拟精度.

壁湍流多尺度相干结构复涡黏模型的实验研究

在湍流相干结构动力学方程中,非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力的模型为涡黏性模型,即涡黏性系数乘以相干结构平均速度变形率的形式.基于非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构速度变形率之间存在相位差的事实,在理论上提出了非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力复涡黏性模型的假设.应用热线测速技术,在低速风洞中对湍流边界层非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构法向速度变形率之间的相位关系进行了实验测量.通过分析湍流相干结构猝发过程中非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构速度变形率之间的相位关系,研究了相干结构雷诺应力分量与流向速度法向梯度之间的相位差沿湍流边界层法向的变化规律,肯定了湍流相干结构复涡黏性系数模型的合理性.