利用StarCCM+模拟K-epsilon湍流模型下的预混燃烧

文章利用StarCCM+软件建立模拟钝体燃烧器的典型实验模型,通过在K-epsilon湍流模型中模拟预混燃烧,比较了不同模型对模拟结果的影响。为了验证模拟的可靠性,文章将软件的仿真结果与其他研究团队真实测量的实验数据进行比对,进而优化建立的仿真模型。

多孔介质传热模型在多孔壁湍流中的适用性

为了考查不同的多孔介质传热模型在不同工况下的适用性,对带有高孔隙率多孔介质壁面槽道湍流及其传热进行了直接数值模拟研究。在多孔介质层外流体区域,通过有限差分方法求解不可压缩Navier-Stokes方程和温度对流扩散方程;在多孔介质层内,使用修正的Darcy-Brinkman-Forchheimer模型描述高孔隙率多孔介质阻力,以及分别采用局部热平衡(local thermal equilibrium,LTE)模型、局部非热平衡(local thermal non-equilibrium,LTNE)模型、理想金属(ideal metal foams,IMF)模型计算温度分布。通过对所得热场的统计特性的分析比较,探究了不同Biot数下水和空气两类流体介质的多孔介质传热模型的有效性。研究表明:LTE模型不足以准确预测金属泡沫多孔介质内传热问题,其等效导热系数因仅考虑孔隙率因素而低估了多孔介质层的传热能力;IMF模型在小比热容流体介质的算例中表现良好,可以代替LTNE描述多孔介质层内的传热,而在大比热容流体介质的算例中表现不佳,需要考虑比热容以及流固两相间的传热能力对预估的固体相温度分布进行修正。

面向内流的激波/边界层湍流模型数据同化及应用

为研究压缩拐角激波/边界层干扰问题和机器学习方法在湍流模型参数辨识中的有效性,提出一种面向内流的激波/边界层湍流模型数据同化方法,以Kriging代理模型传播参数不确定量化过程,基于贝叶斯框架构建似然函数作为评判标准,最后利用粒子群优化算法近似获取参数的最大似然估计并进行参数验证。结果表明,通过校准大角度(24°)压缩拐角获取的湍流模型参数,可以应用到相同条件下相对较小的小角度(20°,16°和8°)压缩拐角,获取的壁面压力、摩阻系数和速度剖面均与试验值基本吻合。在Ma=2.85下校准的壁面压力,均方根误差由60.29%下降到16.56%。将大角度下获取的参数应用到Ma=2.9和不同的入射边界层厚度的条件下,获取的壁面压力和速度剖面仍与试验值基本吻合,验证了小范围马赫数内湍流模型参数的适用性。

湍流模型对风琴管喷嘴空化射流数值模拟的影响分析

针对不同湍流模型对空化射流流场数值模拟影响问题,基于ZGB(Zwart-Gerber-Belamri)空化模型和WALE(wavelet analysis of Lagrangian errors)亚格子模型,采用大涡模拟(large eddy simulation,LES)和RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)模型对风琴管喷嘴空化射流流场进行数值模拟研究,分析内外流场的压力分布、速度分布以及空化云演变规律,并将空化云演变规律与实验结果进行对比分析。结果表明,LES模型速度、压力分布更符合实际情况,空化云演变规律与高速摄像拍摄结果基本吻合,LES模型可以更准确地模拟风琴管喷嘴空化射流流场,对风琴管喷嘴结构优化、打击力度与目标靶距的预测更准确。

基于直接数值模拟的压力容器入口射流湍流模型评价

采用基于谱元法的开源软件Nek5000对压力容器入口射流进行直接数值模拟(DNS)。压力容器模拟在环向简化为1/3的尺度,主管段雷诺数为63700,下降段雷诺数为14014,工质为碘化钠溶液。通过对常见物理量进行统计,构建高精度湍流数据库。并采用FLUENT对常见的壁面函数和湍流模型进行适应性评价,评价标准包括速度、湍动能和湍流黏度。结果表明:在上升段Stress-ω模型适用性最好;在下降段,Standard k-ω模型适用性最优。

棒束结构气冷换热的湍流模型适用性评价

高功率空间核电源采用棒束气冷堆具有质量轻等优势,其紧凑的栅格结构以及流动雷诺数(Re)较低的特点会影响堆芯的流动换热规律,采用CFD开展数值分析时需评价湍流模型的适用性。在气体工质棒束结构流动换热实验的基础上,利用ANSYS Fluent建立了试验段的数值模型,针对入口Re在688~2 986之间的实验工况,选择4种湍流模型开展了数值模拟,对比了加热棒包壳温度实验测量值与计算值。结果表明,4种湍流模型计算的棒温整体上均低于实验值,其中转捩SST模型结果与实验值最接近,整体平均偏差为-2.0%,较好地反映了横流等特征,可用于Re在2 000左右的棒束气冷堆芯热工水力数值计算。

笛卡尔网格下不同湍流模型的壁面函数方法研究

自适应笛卡尔网格湍流模拟时,网格数目呈雷诺数的指数方量级增长,带来网格规模“灾难”问题。壁面函数方法可以将壁面第一层网格尺度放宽1~2个量级,是有效的解决办法之一,然而,由于笛卡尔网格的非贴体特性,壁面函数的实现及其与不同湍流模型的匹配是关键。针对这一问题,从经典的Spalding壁面函数出发,采用显式赋初值的方式,解决了壁面摩擦速度迭代求解初值敏感及分层壁面函数速度不光滑问题;基于切应力恒定的壁面条件,构造了多层虚拟网格的切向速度和湍流粘性系数,实现了笛卡尔网格下的壁面函数方法;采用结构系综理论,通过DNS数据标定,构造了湍动能随湍流粘性比率变化的关系式,实现了壁面函数与KDO湍流模型的匹配,并以平板T3b、湍流凸包和跨音速NACA0012翼型绕流为算例,与常用的SST、SA湍流模型壁面函数方法进行了对比分析。结果表明:该文提出的KDO湍流模型壁面函数法准确、可靠,且因其形式简单、计算量相对较小,有较大的推广应用价值。

结合机器学习的SA湍流模型闭合系数修正

将修正Morris分类筛选法与极端梯度提升(extreme gradient boosting,XGBoost)相结合,在计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数据驱动下,用于SA(Spalart-Allmaras)湍流模型闭合系数的修正.利用分类筛选法有效缩小闭合系数研究范围,同时依据XGBoost方法在小规模数据集下取得精度较高的拟合模型,有效提升系数修正效率.在三维DLR-F6-WB构型下进行了数值实验,实验结果显示利用本方法能够在三维复杂模型上基于小样本数据进行系数修正,修正后的升阻力系数计算精度得到了显著提升.

喷管两相湍流数值模拟及湍流模型性能评估

研究固体火箭发动机喷管中颗粒质量流率对两相流的影响规律以及不同RANS模型对该问题的预测性能,可为喷管设计等工程应用提供重要参考。在欧拉-拉格朗日(Euler-Lagrange)框架下,通过3D大涡模拟(3D LES)研究了颗粒质量流率对喷管两相流场的影响规律,以3D LES结果作为参考依据,分析了不同RANS模型针对喷管两相流在2D轴对称和3D模拟中的性能。结果表明:由于扩张段内颗粒集中在中轴线附近区域,颗粒质量流率越大,该区域马赫数越低,温度越高;壁面附近存在无颗粒区,故边界层内流动几乎不受颗粒影响。另外,采用不同湍流模型计算得到的颗粒分布与LES基本相同。在2D轴对称RANS模拟中,发现RNG k-ε模型所预测的气相质量流率和喷管比冲与LES结果吻合最好;在高颗粒质量分数下(约30%),不同湍流模型预测的相对比冲损失差别可超过3%。在3D RANS模拟中,发现Realizable k-ε模型表现出最佳的综合性能,所预测的物理量沿中轴线分布的准确性均优于其他模型。当颗粒质量分数约为31.2%时,Realizable k-ε模型所预测的比冲为与LES结果相比误差仅1.56%。

SAS湍流模型在瓦斯气云爆炸数值模拟问题上的应用可行性研究

SAS模型是一种新兴的CFD湍流模型。为了探究SAS模型在瓦斯气云爆炸问题上的可行性,对预混气云进行点火,与标准k-ε模型的模拟结果进行对比。结果发现SAS模型所得的模拟结果在气云爆炸发展过程、正负超压值和正负超压到达时间均与标准k-ε模型相近,验证了SAS模型的可靠性。本研究为SAS模型在工程上的应用提供一定的参考。

基于修正参数k-l湍流模型的复杂地形流动研究

针对风资源精细化评估需求,提出采用实际测风数据修正k-l湍流模型的关键参数,以提高数值仿真对大尺度复杂地形流动的准确性和适用性。在此过程中,首先介绍k-l模型的求解过程并开展网格分辨率研究;其次利用实际测风数据修正模型参数并使用典型案例进行验证;最后以中国华南地区某实际风电场为对象,将其与k-ε模型进行对比分析以验证其有效性和优越性。结果表明,相比于k-ε模型,原始k-l模型由于高估了尾流影响,导致预测误差偏大;而修正参数后的k-l模型能有效提升精度,风加速因子和发电量等效小时数的平均相对误差分别降低5.1%和7%。因此,在k-l模型的实际应用过程中,需利用实际测风数据修正参数,或将参数B1的量级调整为102。

针对高速列车受电弓气动特性仿真的不同湍流模型适用性研究

为探究高速受电弓气动特性仿真时不同湍流模型在不同运行环境中的适用性,基于k-ε,SST k-ω和Spalart-Allmaras 3个湍流模型的理论基础和计算流体力学仿真方法,通过线路试验对仿真结果进行验证后,对比不同模型在开阔环境和隧道环境中的精确度和计算效率。结果表明:在300 km·h^(-1)速度下,SST k-ω与k-ε模型在开阔环境中的闭口和开口方向气动抬升力计算结果差异分别为0.7%和1.5%,与Spalart-Allmaras模型计算结果差异分别为7.1%和5.5%;SST k-ω和k-ε模型在边界层预测均匀,Spalart-Allmaras模型在边界层分离区的预测准确性较低,但在隧道环境中它的精确度高于k-ε模型;在计算效率方面,Spalart-Allmaras模型的迭代次数和收敛速度优于SST k-ω模型;在适用性方面,开阔环境中k-ε模型的精确度和计算效率表现优异,更为适用,而在隧道环境中Spalart-Allmaras模型具有较高的精确度和计算效率,更为适用,但在对精确度要求高且可忽略计算效率因素的情况下SST k-ω模型具有较好适用性和高精确度,更为适用。

工业离心压缩机数值模拟方法及湍流模型研究

为建立一套能够快速、准确预测工业离心压缩机基本级性能的数值模拟方法,针对某离心压缩机基本级试验装置开展了数值模拟方法的研究。探讨了数值模拟所采用的模型简化、网格型式、网格密度、边界条件、离散方法、湍流模型等,重点讨论了目前广泛使用的k-ε、RNG k-ε、k-ω、SST、SST-RM 5种湍流模型的特点和适用性。采用数值模拟方法对基本级试验装置在不同机器马赫数下的气动性能进行了预测,并与试验结果进行对比,发现数值模拟方法可以准确预测大部分工况,仅在近失速和近阻塞区与试验结果存在较大偏差。其中,采用SST-RM湍流模型的预测结果与试验结果最为吻合,这得益于其对流动分离的起始位置和分离区域的预测较其他湍流模型更为准确。研究结果对提高工业离心压缩机数值模拟精度有借鉴意义。

大气湍流模型与大气信道模型的研究与展望

为了克服大气湍流效应对无线光通信系统性能的影响,必须建立能准确描述大气折射率起伏的湍流模型。总结了国内外学者在大气湍流模型方面的研究进展,对不同大气湍流模型的理论建立进行深入分析并对比了其适用范围,同时介绍了在实际大气湍流中实验测量所建立的大气信道模型,最后对大气湍流模型的发展趋势进行了展望。

TPDF-ASOM复合湍流燃烧模型及其检验

先进航空发动机燃烧室设计要求对湍流火焰精确控制,现有模拟方法需提高精度和效率。输运概率密度函数(TPDF)湍流燃烧模型精度高,代数二阶矩(ASOM)湍流燃烧模型计算成本低,类比离散涡模拟思想,基于Da数将湍流燃烧场区分“高精度”和“低成本”2个区域,在输运方程框架下采用随机场TPDF(高精度)和ASOM(低成本)方法重构TPDF-ASOM复合湍流燃烧模型,以提高模拟的整体精度和效率。在大涡模拟(LES)-TPDF程序平台创建ASOM并进一步实现TPDF-ASOM复合湍流燃烧模型,用Flame D实验数据检验所建模型和方法。结果表明:所建模型的预测结果与实验值接近,而且能够兼顾精度和计算效率。

基于时空最优低维动力系统的多尺度可压缩湍流数值模拟方法

按照周培源教授关于研究湍流数值模拟建模时必须分析和求解脉动速度场的思想,该研究基于第一性原理,系统地建立了基于时空低维最优动力系统的多尺度可压缩湍流数值模拟方法(LMS方法),并将其应用于多次冲击Richtmyer-Meshkov问题的数值模拟中,首次得到了可压缩湍流的中尺度流场和不同于DNS近似解的湍流近似解.数值结果表明,LMS方法可以用较少的网格获得更精确的湍流近似解.首先解决了研究中遇到的几个问题,为LMS方法的构建铺平了道路.这些问题是:基于湍流的物理特性,提出了湍流大、中、小尺度分解的新概念;找到了box滤波空间相关性的计算方法;指出了湍流建模理论中长期存在的逻辑错误,提出了多尺度湍流模型的概念;讨论了湍流封闭问题的本质和关键,给出了克服湍流封闭问题的数值方法.采用box滤波方法/空间网格平均方法且在大尺度网格的意义下,LMS方法的本质是一种将RANS、LES、DES和DNS等湍流数值模拟方法统一的全新湍流数值模拟方法.需要指出的是,LMS方法也可以作为湍流模型研究的辅助工具,以检验SGS尺度方程/脉动方程中各项所对应的湍流模型是否正确.

双流体湍流模型对固液两相流计算的影响

为了研究固液两相流双流体模型的控制方程进行封闭时,采用不同方法进行模化产生的不同双流体湍流模型对固液两相流的计算结果产生的影响.研究了3种双流体湍流模型在不同固相条件和不同进口液相速度时对圆管内固相浓度和速度计算结果的影响,并与试验值进行对比.结果表明,不同工况时,3种双流体湍流模型的固相浓度计算结果在壁面附近的误差较大,都更适合计算流速大、含沙浓度高的固液两相流场;3种模型会显著影响含大粒径颗粒的固液两相流场的计算结果,而对小粒径颗粒影响较小;k_(m)-ε_(m)模型适用的固相浓度和流体速度的范围较广,具有更广泛的适用性;综合考虑固液两相流场各参数计算的准确性,当颗粒粒径大于165μm时,k_(l)-ε_(l)-A_(s)模型更优,当颗粒粒径小于165μm时,k_(m)-ε_(m)模型更优.

离心式气流分级机不同湍流模型流场模拟结果分析与对比研究

利用数值模拟方法计算离心式气流分级机内部流场的强旋流动,分别考察标准k-ε模型、RNG k-ε模型、雷诺应力模型这3种湍流模型的模拟结果。结果表明:雷诺应力模型计算结果与实测值数据吻合较好,标准k-ε模型和RNG k-ε模型计算结果与实测值偏差较大,可以采用雷诺应力模型模拟离心式气流分级机的流场特性;选用适当的湍流模型对离心式气流分级机内部流场进行模拟,可以更准确地预测强旋流速度场的分布特点。

基于多旋涡湍流模型的红外退化图像仿真

大气湍流效应会导致红外成像降质,为了有效模拟复杂湍流场引起的红外图像模糊现象,本文综合考虑湍流场中旋涡尺度、强度、数量和旋涡随机偏移等因素,提出一种基于改进类高斯点扩展函数的多旋涡湍流模型,对红外图像进行退化仿真;为了定量评估仿真图像的模糊程度,利用模糊图像中心像素向周围扩散的特点,提出基于相邻像素-锐度的图像降质模糊度评估方法。实验结果表明:所提出的退化模型具有图像质量变化平稳、模型参数细致、仿真可控性强等特点,并且所提出的评估方法能准确地反映图像的降质模糊度。

不同湍流模型在泵站进水管道的应用研究

为探究不同湍流模型在开敞式进水池泵站进水管道中的应用效果,基于Fluent平台,采用雷诺时均化模型中的两方程模型Realizable k-ε模型、RNG k-ε模型、标准k-ε模型、标准k-ω模型、SST k-ω模型共计五种湍流模型对该泵站进行数值模拟,选取了4个不同特征截面,通过对其流线图、流速分布云图中所反映的流动趋势和速度分布变化等情况进行分析,以及对整体水流流动趋势、流场细节的观察,并结合各方案下水力损失、出口断面流速分布均匀度和速度加权平均角折线图,发现采用SST k-ω模型和RNG k-ε模型的方案,对流场流动细节捕捉能力更强,可用于复杂流动或对流场细节要求高的数值模拟中;Realizable k-ε模型和标准k-ω模型下的方案对流场细节的模拟能力较好,可用于对流场细节要求较高的数值模拟计算;标准k-ε模型模拟能力较差,部分流动细节捕捉效果较差,但对整体的流动趋势预测仍有较好的模拟结果,一般场合下可使用该湍流模型。