文丘里喷嘴空化流大涡模拟亚格子模型对比研究

针对文丘里喷嘴不同机制下可压缩空化流开展了大涡模拟(LES)研究,并对比讨论了3种常用的亚格子模型的适用性。结果显示,各模型在预测回射流机制和凝结激波机制的流速与空化云脱落周期上表现良好。在空化云演化过程中,WALE模型在两种机制下的模拟吻合度最佳,SL模型预测溃灭过程提前,蒸汽相体积分数偏小;KET模型吻合度最差,溃灭过程以及周期内脱落存在时间延迟。初步发现回射流机制下的喉部压力功率谱密度分析服从-5/3标度律,凝结激波机制服从-7/3标度律。

基于Vreman亚格子模型的有限开口空间内热驱动流数值模拟

利用基于Vreman亚格子模型的大涡模拟技术对有开口的单室和双室房间内热驱动流进行了数值模拟,利用函数分析法定量分析了模拟结果的准确性,并与Smagorinsky亚格子模型的模拟结果进行了比较。结果表明,Vreman和Smagorinsky亚格子模型的计算结果均能够满足工程的需求,但Vreman亚格子模型在开口附近区域的温度和U速度计算结果在整体上比Smagorinsky亚格子模型更接近实验值;Vreman亚格子模型未像Sma-gorinsky亚格子模型那样过高地估算壁面附近高温区域的粘性耗散;对于单室房间内热烟气层高度的预测,采用Vreman模型得到的计算结果准确性比Smagorinsky亚格子模型提高近50%。

格子Boltzmann亚格子模型的研究

为了将格子Boltzmann法应用于大雷诺数流动的模拟,本文将Smagorinsky亚格子模型和LBGK模型相结合,并对该亚格子LBM模型进行了研究。利用该亚格子LBM模型,对二维顶盖驱动流进行了模拟,得到了若干大雷诺数下流线图和方腔中心线上无量纲速度分布。计算结果与基准解进行比较,两者相互吻合。

代数亚格子湍动能模型及非黏性亚格子应力模型在喷雾大涡模拟中的应用

在KIVA3V中将考虑简化的代数亚格子湍动能模型的3种亚格子尺度模型和K方程湍动能模型的非黏性亚格子应力模型纳入程序中,对定容弹中柴油的喷射和雾化过程进行了数值研究.以燃油液相和蒸气相分布的试验数据为依据,揭示了代数亚格子尺度湍动能模型对燃油喷雾计算结果的影响,并且与K方程亚格子湍动能模型进行了对比,同时分析了加入的非黏性亚格子应力张量模型的适用性.结果显示3种亚格子应力模型及代数亚格子湍动能模型的组合可以有效地模拟流场中湍动能变化对液滴弥散速度的影响,从而使液相贯穿距及液相和气相浓度分布与试验结果更为接近.同时,该代数模型所计算的亚格子尺度湍动能与K方程模型计算结果相当吻合.非黏性亚格子模型可以计算相对准确的喷雾结果.

二阶双系数动态亚格子应力模型

基于亥姆霍兹速度分解定理和Smagorinsky模型,提出二阶双系数动态亚格子尺度应力模型,即亚格子尺度应力是可解的应变率张量和旋转率张量的函数。应用有限差分法对此模型的控制方程进行了离散,并数值模拟得到了弯管内部的流场分布和压力分布。把雷诺数为40000的弯管流动的实验数据和此模型的模拟结果相比较,证明此模型是可行、可靠的。

基于动态亚格子模型的方柱绕流大涡模拟

目的对高雷诺数下的方柱绕流进行数值模拟,得到方柱下流场时间平均结果以及湍流流场的流场特征,用于验证亚格子模型对大涡模拟(LES)计算精确性的影响.方法基于有限体积法(FVM)的流体计算开源软件OpenFOAM,采用两种不同动态亚格子模型下的大涡模拟方法,模拟高雷诺数(Re=2.2×104)下的方柱绕流.结果通过数值计算得到流场完整的平均和脉动结构,并得到阻力系数、升力系数、斯托拉哈数等重要的气动力参数,经对比与试验实际情况吻合.结论高雷诺数复杂流场下亚格子应力的封闭形式对大涡模拟的计算结果有重要的影响,采用动态模拟技术一方程模型计算结果优于常规的Smagorinsky模型,在高雷诺数复杂流场下的计算是高效的,为结构抗风的数值研究提供了参考.

基于不同亚格子尺度过滤模型下提升管内颗粒流动的数值模拟

固相亚格子尺度过滤模型是在高精度的网格下,系统地过滤了基于结合颗粒动理学的双流体模型的模拟结果而得到的曳力和固相应力等本构关系的计算模型。今分别采用固相亚格子尺度过滤模型(Filtered Model I)、壁面修正固相亚格子尺度过滤模型(Filtered Model II)和改进的固相亚格子尺度过滤模型(Filtered Model III)模拟NETL/PSRI挑战问题中的提升管内的颗粒流动特性,得到了时均气体压力梯度和时均轴向颗粒速度等分布。亚格子尺度模型和均匀流动模型(Huilin-Gidaspow model)的研究结果相比,改进的固相亚格子尺度过滤模型(Filtered Model III)与实验值更接近,尤其是对于高颗粒浓度流动。壁面修正可以提高压力梯度,从时均轴向颗粒速度分布曲线,可以看出在提升管内颗粒流动结构呈现更为明显的环核流动结构;同时,研究了提升管内气体压缩性、壁面修正和计算网格对模拟结果的影响,分析表明气体的可压缩性对提升管内轴向气体压力梯度有影响,在模拟计算时考虑气体的压缩性,可以提高计算精度。

亚格子过滤双流体模型的网格依赖性

基于双流体方程和颗粒动力学理论的计算模型被广泛应用于流化床的气固两相流数值计算,高精度网格是其准确计算流动的必要条件。一些经典的微尺度阻力模型,其网格尺度决定其模拟结果的精度。亚格子过滤双流体模型是一种有效的适用于粗糙网格的计算模型,其包含的气固相间作用力和颗粒相应力本构方程是在高精度网格条件下,以微尺度双流体方程和颗粒动力学理论计算得到的气固流场为基础,对计算结果进行小尺度过滤后得出。使用亚格子过滤双流体模型替换基于颗粒动力学理论的双流体模型,针对同一物理问题,在不同网格尺度下进行了数值计算,结果表明此计算模型相比经典阻力模型具有较好的网格无关特性,并且和实验结果较为一致。同时也对颗粒动力学理论与之相结合进行了尝试,即仅使用亚格子过滤阻力模型,颗粒相应力仍然使用颗粒动力学模型,其计算结果的网格无关性及与实验值的吻合程度优于经典模型。

圆柱亚临界-临界-超临界流动特性的大涡亚格子模型比较研究

为获取圆柱在亚临界、临界和超临界区内的气动特征,基于大涡模拟并分别采用Smagorinsky亚格子尺度模型和动力亚格子尺度模型计算了Re=4.1×10^4~8.2×10^5内的绕流场.将获得的圆柱定常与非定常气动特性与相关文献进行了对比.研究表明,两种亚格子模型均能给出圆柱升力系数平均值、RMS值和涡脱St数的合理估计,能预测阻力系数的下降.但两种亚格子模型均无法准确预测临界区阻力系数的快速下降、不同Re数下压力系数平均和RMS值在圆柱表面的分布.在临界和超临界区,Smagorinsky亚格子尺度模型可能高估了亚格子湍流粘性;相反,动态亚格子模型可能在流场部分区域明显低估了亚格子湍流粘性.

舱室壁火仿真的不同亚格子模型适用性分析

有限空间舱室内墙壁火灾具有很大危害性,为研究火灾大涡仿真时不同新型亚格子模型的适用性,对半封闭实验舱室中墙火蔓延和火灾烟气运动过程进行了大涡仿真。分别采用常系数Smagorinsky模型、动力学Smagorinsky模型、Deardorff模型及Vreman模型等不同的亚格子模型与混合物分数燃烧模型结合,分析得到了舱室内烟气温度、主要组分浓度及地面辐射热流密度随时间的变化,将数值仿真得到的结果与实验测量结果进行了比较分析。结果表明,采用常系数Smagorinsky模型计算耗时最少,采用动力学Smagorinsky模型耗时最多。四个亚格子模型对主要组分浓度和辐射热流密度的预测精度基本相等,但Deardorff模型对烟气温度的预测结果与实验结果最接近,综合考虑仿真精度和计算耗时采用Deardorff模型最合适。

不同亚格子尺度模型对气动噪声仿真精度的影响

大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)湍流模型在汽车外流场及气动噪声模拟计算分析中有着广泛的应用,高精度的非定常流场计算结果是有效进行气动噪声仿真分析的前提和基础。采用现代简易汽车模型(HSM模型),基于不同亚格子模型的LES对其进行非定常流场计算分析以及声场计算,并利用模型内部监测点的实验数据和仿真计算的结果进行对比验证。结果表明,使用WMLES模型可以得到更为准确的结果。

基于三种亚格子模型的空腔振荡流动计算

使用三种亚格子应力模型,对长深比(L/D)为5的三维矩形开式空腔的可压缩流体进行大涡模拟计算。研究得到的空腔自激振荡频率与Rossiter公式计算结果和实验结果吻合良好,结果显示振荡能量主要集中在较低频率区域,压力幅值主要出现在前三阶模态。Dynamic Smagorinsky-Lilly(DSM)模型在空腔前后壁面附近区域的脉动强度分布比Smagorinsky-Lily(SM)模型更为接近实验值,Wall Adapting Local Eddy Viscosity(WALE)模型的脉动强度分布与实验值最为接近。由空腔底部监测点声压级分布及声压频谱图可以看出:WALE模型性能最佳,DSM模型结果也与实验结果相符合,SM模型的预测性能略差。

不同亚格子模型在水翼云空化数值计算中的适用性分析

为了研究不同亚格子模型在计算绕二维Clark-Y水翼非定常空化流动中的适用性,基于均相流假设及Zwart空化模型,并分别利用Wall-Adapting Local Eddy-Viscosity(WALE),Smagorinsky-Lilly,Algebraic Wall-Modeled LES Model(WMLES)及Dynamic Kinetic Energy Sub-grid Scale Model(KET)4种不同亚格子模型对控制方程组进行封闭.得到了云空化时不同亚格子模型预测的翼型升阻力系数、不同位置处流场时均速度分布、空泡形态周期性变化等非定常流动特征,并与相应试验数据进行对比.研究表明:与其他亚格子模型的预测结果相比,WALE模型模拟得到的平均升力系数与试验测量值最吻合,二者相对误差仅在1%以内,且其预测的瞬时升力系数与相应试验值也呈现较为一致的震荡规律;WALE模型能更准确地捕捉云空化阶段空泡非定常演变特征,包括翼型前缘附着型空穴增长,以及在回射流作用下片状空泡的断裂和云空泡脱落行为.基于WALE模型的计算结果,采用Q准则表达了水翼空化尾迹的旋涡结构,发现空泡的脱落及云状空泡的形成诱发了旋涡产生.

亚格子模型对三维扭曲水翼空化现象的影响

[目的]旨在探究三维扭曲水翼空化数值模拟中网格密度及亚格子模型的适应性问题。[方法]为此,使用大涡模拟(LES)方法和Schnerr-Sauer(S-S)空化模型对Delft Twist11N三维扭曲水翼的非定常空化流场进行数值模拟,重点研究3套不同密度的网格和WMLES,SL,WALE这3种亚格子模型对Delft Twist11N水翼空化演变过程、空化脱落频率及时均升阻力系数等的影响。[结果]结果表明:适当的网格加密形式既能够捕捉到较多的细小空泡脱落、马蹄形云空泡的初生与溃灭等非定常空化演变现象,又能够获得具有较高精度的空泡脱落频率、时均升阻力系数和时均压力分布。相较于WMLES和SL亚格子模型,WALE亚格子模型较好地捕捉到了片空泡及云空泡的演变,在预报空泡脱落频率、时均升阻力系数及压力系数方面精度较优。[结论]因此,推荐采用基于WALE亚格子模型的LES方法进行非定常云状空化的数值模拟。

相干结构的尺度相似性与尺度相似亚格子模型

为了对多尺度相干结构在湍流大涡模拟尺度相似亚格子模型中的作用进行实验测量研究,分析尺度相似亚格子模型的适用尺度范围以及尺度相似亚格子模型沿平板湍流边界层法向的变化规律.用热线风速仪以高于对应最小湍流时间尺度的分辨率精细测量了风洞中平板湍流边界层不同法向位置流向速度分量的时间序列信号,用局部平均速度结构函数检测湍流多尺度相干结构的条件采样方法将壁湍流信号中的多尺度相干结构成份与非相干成份分离,比较去除多尺度相干结构成份前后尺度互相关系数的变化规律,研究多尺度相干结构在湍流不同尺度间动量、能量传递的机理.研究表明,不同尺度的湍流结构相似特性存在一个尺度范围,大涡模拟的尺度相似亚格子尺度不能大于能量最大尺度.

二阶动态亚格子尺度应力模型

提出了一个基于亚格子尺度应力与速度梯度张量之间关系的二阶动态模型· 然后利用在高雷诺数的流场直接数值解的结果对此二阶模型进行检验· 直接数值解的流场包括均匀各向同性强迫湍流,衰减湍流以及均匀旋转湍流· 数值检验结果发现与一阶动态模型相比,二阶模型的相关系数提高·

不同亚格子模型在亚声速槽道流大涡模拟中的应用对比

湍流边界层流动是一种广泛存在于飞行器内部和外部的流动现象,是基础理论和模型验证的重要研究对象.能够捕捉大部分流动细节且计算量适中的大涡模拟(large-eddy simulation, LES)方法在湍流数值模拟中得到了越来越广泛的应用.文章基于格心有限差分方法,使用4阶紧致中心格式离散N-S方程无黏项,分别应用5种不同的亚格子(subgrid-scale, SGS)模型,即隐式, SM(Smagorinsky model), DSM(dynamic Smagorinsky model), WALE(wall-adapting local eddy-viscosity model)和CSM(coherent structures model),对Re=3 000, Ma=0.5的等温壁面槽道流动进行了大涡模拟研究.与实验值和直接数值模拟(direct numerical simulation, DNS)结果对比后发现,流场平均温度、平均密度等热力学量以及平均流向速度对亚格子模型不敏感,不适宜作为判断模型优劣的判据.亚格子模型在壁面附近的耗散越大,壁面摩擦速度以及阻力系数就越小.对于与速度相关的脉动量来说,不同模型得到的结果在壁面和脉动峰值附近误差比较大,中心线附近较小;显式模型结果在流向速度峰值处均高于参考值,而在展向和壁面法向速度脉动峰值处则均偏低.考虑显式的4种模型在壁面附近的涡黏系数分布, DSM和CSM曲线满足涡黏系数与无量纲壁面距离3次方成正比的分布规律, SM曲线斜率偏小而WALE曲线斜率偏大.

亚格子模型对泵喷推进器宽带非定常力预测的影响研究

为了研究亚格子模型对泵喷推进器非定常流动与宽带非定常力预报结果的影响,采用分块结构化网格建立了模型尺度下艇后泵喷推进器的计算模型,并进行了大涡模拟数值计算。从艇尾非定常流场特征量和推进器转子脉动载荷两个方面对比了三种不同亚格子模型计算结果的差异,并分析了泵喷内部流动与转子非定常力间的内在联系。研究结果表明:三种亚格子模型均能得到含有叶频宽带峰的轴向推力谱,且整体趋势相近。泵喷转子上游的湍流强度和尺度的分布对亚格子模型较敏感,其中Smargrinsky-Lilly模型得到的湍流强度较强,尺度较大,该模型下的湍流谱在非平衡区量级较大,但由低频向高频的衰减较快,并且预测到的分离区范围大,导叶尾缘脱落涡分散,导致转子上游来流空间分布不均程度较强。对于转子叶片上的载荷脉动,Smargrinsky-Lilly模型预测的推力谱中线谱成分明显,并且叶频处宽带谱峰“陡峭”,而WALE模型和KET模型的结果宽带特性较强,对比非定常推力测试结果可知,WALE模型和KET模型更适于该问题宽带非定常力预测。

大雷诺数Navier-Stokes方程的两水平亚格子模型稳定化方法

基于两重网格离散方法,提出三种求解大雷诺数定常Navier-Stokes方程的两水平亚格子模型稳定化有限元算法.其基本思想是首先在一粗网格上求解带有亚格子模型稳定项的Navier-Stokes方程,然后在细网格上分别用三种不同的校正格式求解一个亚格子模型稳定化的线性问题,以校正粗网格解.通过适当的稳定化参数和粗细网格尺寸的选取,这些算法能取得最优渐近收敛阶的有限元解.最后,用数值模拟验证三种算法的有效性.

基于混合框架亚格子掺气模型的明渠自掺气均匀流数值模拟

为探究掺气模型模拟明渠自掺气水流的可靠性,采用亚格子掺气模型、变密度模型和漂移流模型相结合的混合框架亚格子掺气模型对3种典型坡度下的明渠自掺气均匀流进行了数值模拟。计算结果表明,所用模型可较好地计算两相流的速度分布,在缓坡下难以捕捉掺气浓度高于0.3的区域,导致计算得到的断面平均掺气浓度较低;而在中坡和陡坡下所用模型的扩散性高于实际,进而会得到高于实际的断面平均浓度;中坡和陡坡情况下计算的气泡绝对大小和在断面上的分布规律较为合理,但缓坡情况下的气泡直径分布规律性较差。总体来看,该模型应用于中坡和陡坡明渠的掺气计算可靠性较高,但仍需一定的参数校验。而对于缓坡明渠的计算结果的可靠性则较差。