底面局部加热条件下热湍流的流场变化及传热规律

在实际的自然对流现象与工业对流换热设备中常常存在非均匀热边界问题,底面局部加热就是其中的一类。本文使用直接数值模拟方法研究了 Pr = 2、Ra = 1×10^(8)条件下,加热长度 l = 0.5 时,不同加热位置对二维方腔内热湍流流场变化及传热规律的影响。其中,下壁面为恒温加热及绝热条件共存的混合边界条件,而上壁面依然为等温条件。将局部加热计算结果与经典 Rayleigh-Benard 对流(RBC)进行比较,结果表明:局部加热条件会对冷热羽流混合和系统下壁面角涡的生长产生抑制作用,从而抑制了大尺度环流的反转;同时,加热位置越靠近下壁面中心,对应总动能和角动量的绝对值越大、振幅越小;局部加热系统通过调整加热位置可令系统传热效率最大化,最高可达 RBC 系统的 73.2%。

基于模态分解的风力机尾迹特征研究

水平轴风力机的尾迹对风电性能和下游风力机疲劳载荷有重要影响.本文采用致动线模型(Actuator line method, ALM)的大涡模拟方法(Large-eddy simulation, LES)研究了NREL-5MW风力机尾迹的时空演化特征.从获得的瞬时场可以看出叶尖涡向下游发展后变成涡环,涡环失稳产生大量涡丝,涡丝重连生成小尺度涡环,小尺度涡环进一步破碎成更小的湍流结构.从平均场可以看出来流经过风力机后,速度发生台阶式降低,速度亏损剖面形状为W形.随着尾迹向下游发展,尾迹速度逐渐恢复且湍流强度逐渐增大,直至风力机后5个转子直径处速度亏损剖面的形状变为U形,但湍流强度的峰值开始降低.通过本征正交分解方法(Proper orthogonal decomposition, POD)和动力学模态分解方法(Dynamic mode decomposition, DMD)分析发现,风力机尾迹演化过程中叶片旋转的相关模态、涡环模态都可以被很好地捕捉到.

基于格子玻尔兹曼方法的局部网格加密算法——粗细网格间的数据转换

格子Boltzmann方法作为一种高效的介观计算流体力学方法在过去20多年里得到快速发展,其相对较高的计算效率和灵活性使其可以适用于各种复杂流动的模拟.然而标准的格子Boltzmann方法只能使用均匀的直角网格,这种网格排布方式并不利于复杂流动的计算.为此,基于格子Boltzmann方法的局部网格加密算法在文献中被提出.该算法需要在局部加密的界面处将粗细网格间的分布函数转换后交换.目前分布函数的转换方式大多是在没有源项的情况下推导的,而且现存考虑源项时转换公式的推导也都是基于Chapman-Enskog展开;其推导过程相对复杂,且需要对分布函数的非平衡态部分做一阶Chapman-Enskog近似,这有可能会限制局部网格加密算法在高阶格子Boltzmann方法中的应用.文章在忽略时空离散误差的前提下,以保证连续分布函数变量以及物理松弛系数一致为基础,构建了一套规范且简洁的粗细网格间在考虑任意源项时,分布函数转换关系的推导过程,该方法不依赖于Chapman-Enskog展开以及Chapman-Enskog近似,且该方法既可以适用于单松弛碰撞模型也可以适用于多松弛碰撞模型.此外,还从理论上证明了,保证粗细网格间非平衡态部分的一阶Chapman-Enskog近似一致,便可以保证整个非平衡态部分的一致,这将有助于扩展局部网格加密算法中转换关系的应用范围.最后,通过对强迫泰勒-格林涡流动、平板泊肃叶流中对流-扩散问题和顶盖驱动方腔流动进行数值模拟,良好的数值结果证实了转换关系对复杂源项的适应性以及局部网格加密技术在处理复杂流动问题方面的优势.同时,通过对一维剪切波问题的模拟,发现由局部网格加密引起的数值黏性与加密区域的选取有很大的关系.