含层流分离泡的粘性绕流精确数值模拟方法研究

高精度CFD求解器是翼型设计的基础,而翼型流动转捩的准确预测是提高数值模拟精度的关键之一。eN方法是比较可靠的且可应用于翼型设计的转捩判断方法,但目前国内耦合eN转捩预测与二维雷诺平均N-S(RANS)方程求解器的研究仍需要通过求解层流边界层方程为转捩判断提供所需的边界层信息。这种方法不能处理含层流分离泡的流动。为解决上述问题,文章发展了一种直接求解RANS方程为转捩判断提供高精度的边界层解的方法,耦合基于线性稳定性理论的eN转捩判断方法实现了含层流分离泡流动的转捩点自动判断。采用文中方法对含层流分离泡的翼型绕流进行了数值模拟,转捩预测位置与实验值吻合较好,气动力计算精度得到了提高,验证了该方法的有效性。     

转捩过程对旋翼悬停模拟的影响分析与研究

悬停状态是考察旋翼整体气动性能的重要状态之一。随着计算机技术及CFD技术的发展,基于“第一性原理”的数值模拟方法越来越多地被用于评估旋翼悬停性能。在使用基于RANS方程的数值模拟方法进行固定翼飞行器定常计算时,流动转捩现象对某些特定状态下流场及气动特性会产生巨大影响,因此在进行固定翼设计时要考虑流动转捩现象。然而转捩过程是否同样会影响旋翼非定常气动流场及气动特性,国内研究较少,因此有必要研究转捩过程对旋翼流场数值模拟的影响,为旋翼类飞行器的设计及评估提供参考。采用美国航空航天学会旋翼悬停工作组提出的PSP旋翼标模,利用结构化动态嵌套网格技术,在大拉力悬停和小拉力悬停状态下,分别进行全湍流模拟和转捩模拟计算并与试验结果进行了对比。对比结果显示,文中所采用的数值求解器对旋翼悬停效率的计算误差在5%之内。在考虑流动转捩后,由于桨叶表面存在层流区域,计算所得旋翼悬停效率高于全湍流假设下的预测值,而桨叶表面的层流区域与旋翼拉力大小有关。在流动转捩发生的区域,转捩过程会对桨叶截面压力分布以及桨叶展向扭矩分布产生明显影响,同时桨叶表面出现明显的流动分离现象。对于桨叶展向拉力分布和桨盘下方旋翼尾迹桨尖...     

高超声速边界层转捩的油膜干涉测量技术研究

高超声速边界层转捩预测对于飞行器的设计十分重要。在Φ500 mm常规高超声速风洞中开展了高超声速平板边界层转捩的油膜干涉测量技术研究。为了快速、准确地测量表面摩擦阻力因数,针对高超声速风洞的运行特点,对常规油膜干涉测量技术进行了改进,采用高速相机记录干涉条纹图像,并在实验中采用热电偶实时测量模型表面温度变化来修正硅油黏度因数。实验测量了光滑表面平板和布置单个方形粗糙元平板的表面摩擦阻力因数。光滑表面平板的边界层为层流流动状态;增加方形粗糙元后,粗糙元在其后方产生的尾涡促进了边界层流动转捩为湍流状态。并且实验测量的不同状态下的表面摩擦阻力因数与数值计算的结果相吻合,表明该实验方法具有较高的精度。     

鼓泡流化床内稠密气固两相流大涡数值模拟

大涡数值模拟方法在单相流中已有较成熟的应用,在气固两相流应用中的模拟结果更接近实验结果。建立稠密气固两相流双流体大涡数值模拟(LESg-θ-LESp)模型,研究鼓泡流化床内气固两相流动特性,模拟观察到鼓泡流化床中气泡的长大、合并和破碎的运动过程。模拟结果得到了床内颗粒相时,均可解尺度速度和脉动速度等分布,与Yuu等实测结果相吻合;床内颗粒相时,均浓度分布,与Taghipour等实测结果相吻合。     

基于当地变量的一方程转捩预测模型

引入适用于边界层内的湍流度及压力梯度因子求解公式,构造Reθc和Flength经验关系式,实现对γ-Reθt槇转捩模型中两输运方程的简化得到一方程转捩预测模型。将其与SST湍流模型进行耦合并利用Schubauer and Klebanoff平板标定各参数。此外,经过分析SST与SA湍流模型输运方程间的联系,修正SA湍流模型中的ft2函数,通过其对源项的控制实现文中一方程转捩预测模型与SA湍流模型的耦合。最后,利用得到的分别基于SST和SA的一方程转捩预测模型对S809低速翼型、DLR-F5机翼进行数值模拟。结果表明:由S809翼型的计算数据可得出文中构建的一方程转捩模型在线性区与实验数据吻合很好,力系数在8°迎角范围内均达到了3%以内的预测精度;DLR-F5机翼在中翼段和外翼段的转捩预测位置与实验较接近,吻合良好。2个算例均表明改进后的一方程转捩模型取得了良好的预测效果。     

两相流动特性研究

建立了用于毛细管二相流实验研究的横拟实验台,分析了制冷剂F—11在毛细管中的两相流动特性,进行理论计算,给出了毛细管流量和有关物理量之间的特性曲线,实验结果与理论计算的误差为15％,可作为空调与制冷设备设计时参考。     

γ-Re_θ转捩模型在风力机翼型数值计算中的应用

很多湍流模型忽略了层流区域的存在,但实际流动在翼型某位置处开始转捩,此时模型显然偏离实质,计算结果精度较低。因此加入γ-Reθ转捩模型,将转捩动量厚度雷诺数Reθ作为经验关联函数来控制边界层内间歇因子γ的生成,再通过间歇因子来控制湍动能产生项,使湍流模型在层流区域失效。首先为了验证数值计算的准确性,采用上述方法针对风力机翼型A2121,在高雷诺数4×106下对几种典型攻角的气动性能进行计算,对比普通全湍流模型、湍流转捩模型和风洞试验的计算结果,发现湍流转捩模型结果更精确。之后在更大攻角范围-10.14°~25.09°内,采用此转捩模型数值方法进行气动仿真,发现其总体计算结果与风洞试验实验数据较吻合,验证了此数值方法的正确性和有效性。     

矩形通道内气泡脱离点数值模拟和实验研究

关于过冷流动沸腾气泡脱离点(或称充分发展沸腾起始点,FDB)的研究大多局限在实验研究,缺少预测气泡脱离点的数值模拟模型和方法.建立了数值模拟过冷流动沸腾气泡脱离点的数学模型,利用Fluent实现了对气泡脱离点的数值模拟,并且对矩形通道内的气泡脱离点进行了实验研究.为了验证数值模拟结果的准确性,分别对比了圆管、矩形通道内数值模拟结果和经典模型计算结果,并将双面加热矩形通道内数值模拟结果与实验结果进行对比.分析表明:根据本文模型,可以实现对过冷流动沸腾气泡脱离点位置的数值模拟,而且具有较高的准确度.源于圆管实验的Saha-Zuber模型和Bowring模型适用于双面加热矩形通道.     

窄通道内层流-紊流转捩区流动与传热特性分析

为了研究壁面加热对窄通道内层流-紊流转捩点的影响,通过测量转捩区的阻力与传热特性,间接分析了转捩起始点的影响因素,并结合流迹显示实验对流动传热实验结论进行了验证.研究表明:壁面加热导致层流-紊流转捩延迟,粘性变化对转捩过程的影响非常小,加热导致径向速度剖面发生变化是影响转捩的主要因素;此外,转捩区的壁面温度沿轴向不是线性变化,层流突变导致局部努赛尔数的轴向变化存在一个拐点;层流突变点处的局部努赛尔数及局部雷诺数主要受入口雷诺数的影响.     

基于转捩模型的低雷诺数翼型优化设计研究

以微小型无人机翼型研究为背景,开展了低雷诺数翼型的气动特性及优化设计研究。首先采用求解雷诺平均N-S方程的有限体积法,对典型低雷诺数下NACA0012翼型标模进行数值模拟,对比分析了SA、SST k-ω湍流模型、低雷诺数修正SST k-ω模型以及k-kL-ω转捩模型的适用性和准确性。然后通过对低雷诺数下NACA0012翼型表面流场结构和流动特征的详细分析,提出了基于控制流动转捩位置改善翼型上边界层形态的低雷诺数翼型设计思想。最终基于转捩模型对SD7037翼型进行了多目标优化设计,设计结果表明优化后翼型气动性能得到了较大改善,最大升阻比可以提高约58.23%,在0°迎角下翼型上表面层流区域面积增大约26.8%,在4°迎角下翼型上表面流动转捩位置前移约0.15倍弦长,下游流动亦由优化前完全分离状态改变为实现流动再附,进一步验证了低雷诺数翼型设计思路的可靠性与可行性。     

Experimental study on visualization of the flow field in microtube

Fluid flow in microtubes and microchannels has emerged as an important area of re-search. Because advances in microelectro-mechanical systems (MEMS) and other mi-crotechnologies involving fluid transport require the use of microfluidic components, which are often interconnected by tubes and channels. Up to now, many researches es-pecially on experimental studies have been performed to clarify the heat and mass transport characteristics in the microtube and microchannels. Wang and Peng[1] exp…     

Large eddy simulation and proper orthogonal decomposition analysis of turbulent flows in a direct injection spark ignition engine: Cyclic variation and effect of valve lift

Large eddy simulation(LES)is used to calculate the in-cylinder turbulent flow field in a direct injection spark ignition(DISI)engine.The computations are carried out for three different maximum valve lifts(MVL)and throughout 100 consecutive engine cycles.The simulated results as well as corresponding particle image velocimetry(PIV)measurement database are analyzed by the proper orthogonal decomposition(POD)method.Through a new developed POD quadruple decomposition the instantaneous in-cylinder flow fields are decomposed into four parts,named mean field,coherent field,transition field and turbulent field,respectively.Then the in-cylinder turbulent flow characteristics and cycle-to-cycle variations(CCV)are studied separately upon the four part flow fields.Results indicate that each part exhibits its specific characteristics and has close connection with others.The mean part contains more than 50%of the total kinetic energy and the energy cascade phenomenon occurs among the four part fields;the coherent field part possesses the highest CCV level which dominates CCV of the bulk flow.In addition,it is observed that a change in MVL affects significantly the in-cylinder flow behavior including CCV,especially for the coherent part.Furthermore,the POD analysis demonstrates that at least 25 sample cycles for the mean velocity and 50 sample cycles for the RMS velocity are necessary for obtaining converged and correct results in CCV.     

摇摆条件下窄通道内单相水流态转捩特性

矩形窄通道广泛应用于紧凑式换热器中,其内单相流动流态转捩特性会受到摇摆运动的影响.结合流迹显示技术,对摇摆条件下矩形窄通道内单相水从层流向湍流转变临界点附近的流动特性进行了实验研究.结果表明稳态条件下临界Re为2 550左右.摇摆条件下当Re小于2 400时,流态显示为稳定的层流,Re大于3 500时,流态为湍流,摇摆对稳定的层流区和湍流区流态没有影响;Re为2400～3 500之间时流动处于过渡区,摇摆对其流态转变有一定影响.在临界点附近摇摆振幅越大,流态转捩越容易发生;摇摆周期对流态转捩影响很小.摇摆运动改变系统重位压降及产生附加压降,从而对流态转捩的影响不可忽视.     

正弦波纹管内的流动和传热数值研究

以正弦波纹管为几何模型,应用FLUENT软件,对管内的传热和流动进行了数值模拟,分析了流动状态和管道几何结构对传热与流动阻力的影响.计算结果表明,在层流和湍流时,流速都呈周期性变化.层流时,在当量直径相同的条件下,周期越大,其强化传热效果较差,而幅值较大,强化传热效果较好;在湍流时,幅值增加对强化传热影响较小,但幅值增加较大,传热和阻力都较大地增加了;为正弦型波纹管在换热领域的实际应用提供了理论依据.     

流体横掠圆柱数值模拟流态转换临界雷诺数的研究

采用层流模型和RNG k-ε紊流模型,对亚临界雷诺数条件(Re=300~300 000)下,流体横掠圆柱体工况进行了数值模拟,得出了此工况下扰流流态转捩的规律。与经典试验数据进行对比验证,结果表明,阻力系数Cd和斯特劳哈数St分别可在来流雷诺数小于22 000和100 000时采用层流模型计算,误差分别小于16.4%和7.3%。     

离心泵内小间隙环流瞬态流体力计算

基于湍流润滑理论建立小间隙环流数学模型,计算层流假设时层流、过渡流及湍流3种流态下环流内压力分布情况,并与实验结果进行对比.结果显示采用层流模型进行计算时,层流工况下求得结果与实验吻合很好,但当雷诺数增加导致小间隙环流发展至过渡态及湍流状态时,数值计算结果与实验结果相比有较大偏差.利用几种典型湍流模型及过渡流模型对数值结果进行修正,修正后的数值结果与实验结果吻合较好;引用过渡区域摩擦因子对模型进行修正后的计算结果可修正采用层流模型和湍流模型时产生的误差,更接近于实验结果.针对离心泵启动的瞬态过程,求解考虑转子涡动角速度及涡动幅值变化时小间隙环流内压力分布,结果显示,涡动角速度及涡动幅值的变化对环流内正压区及负压区分布均有明显影响.     

喷雾干燥塔的计算机辅助设计

讨论喷雾干燥塔的计算机辅助设计方法,将雾滴运动过程进行分区计算,在湍流区和层流区,给出计算塔径和塔高的直接积分公式;在过渡流区,用数值积区。该方法可方便地应用于喷雾干燥塔的设计计算,精度高,计算量小。计算结果表明,在过渡流区积分步长对计算精度影响较大。     

交叉缩放椭圆强化换热管内流动和传热性能的数值研究

以交叉缩放椭圆强化换热管为几何模型,对管内的传热和流动进行数值模拟,计算结果表明,过渡段流场不同于直管段,纵向涡流较大,湍流强度和湍动能都较大,过渡段强化传热效果明显好于直管段,但阻力也增加了;并且发现随着椭圆长轴与短轴之比的增加,换热增强,为交叉缩放椭圆强化换热管在换热领域的实际应用提供了理论依据.     

基于ANSYS和FLUENT的内燃灶进排气管设计

针对传统燃气灶和吸油烟机存在的诸多弊端,本文基于ANSYS和FLUENT给出了内燃灶的结构原理,建立了内燃灶进排气管结构模型,并对进气管和排气管内的气体进行流场和温度场的仿真分析,仿真结果表明,在两个管内部的形状突变处和靠近进气口处,气体处于紊流状态,在管内靠近出气口处是比较稳定的层流状态。这种层流状态有利于气体流通,但不利于排气管内部高温气体与外部进行热交换,大量的热通过排气管排出室外,不利于废气余热再利用;同时,经分析,理论废气温度与实验数据存在较大的偏差,可见排气管中废气温度的变化与原理样机实验结果中废气温度的变化相吻合。该研究对废气余热利用和内燃灶功能的实现具有重要作用。