浅析内燃机缸内三种湍流涡黏度模型

内燃机缸内气体流动是极其复杂的三维湍流运动,其数值模拟及准确预测是一个迄今尚未圆满解决的课题.本文详细分析了内燃机缸内三种模型的原理,比较了三种湍流涡黏度模型,即标准k-ε模型,RNGk-ε模型和re-alizablek-ε模型各自的优缺点,并在此基础上总结出每个模型的适用范围.     

RNG k-ε模型在内燃机缸内湍流数值模拟中的应用

在内燃机整个工作循环中 ,其缸内流体始终进行着极其复杂而又强烈瞬变的湍流运动 ,要正确地分析内燃机的燃烧和排放 ,离不开对缸内湍流运动的正确描述和模拟。通过快速畸变分析对由重整化群理论得到的RNGk -ε湍流模型进行了压缩性修正 ,把经压缩修正后的RNGk -ε湍流模型应用于内燃机缸内湍流流动的数值模拟 ,计算采用任意拉格朗日欧拉法。给出了用RNGk -ε模型计算得到的结果 ,并与标准的k -ε模型算得的结果和实验结果进行了比较。结果表明 ,RNGk -ε湍流模型得到的结果比k -ε模型算得结果的精度有所提高 ,其计算程序编制的难易程度和计算成本与k-ε模型相当 ,此模型适合于计算内燃机缸内湍流流动     

基于KIVA的内燃机燃烧室内湍流流动的数值模拟计算

内燃机缸内湍流的研究是个十分重要而且复杂的课题,数值模拟技术为其提供了有效的研究方法.本文利用CFD软件KIVA分别采用标准k-ε,RNGk-ε模型在无旋流和有旋流的两种工况下,对轴对称的ω型燃烧室内的湍流流动进行二维和三维数值模拟计算,并把计算结果与实验数据进行对比,得到了内燃机缸内湍流流动的特性.本文为内燃机港内湍流研究提供了一种比较好的研究方法,此方法和计算结果为内燃机的性能开发与优化设计提供依据.     

混流式水轮机偏工况运行的大涡模拟方法验证

为更准确地预测混流式水轮机在偏离最优工况时的内部流动特性和外特性,采用大涡模拟方法(LES)对其进行数值研究,针对LES方法,对比单相流计算和空化模型计算的结果.结果表明:基于空化模型的LES预测混流式水轮机内部流场比单相LES更为精确,偏工况下,多相流LES计算能捕捉到更准确的叶道涡结构和尾水管涡带结构.对比模型实验结果表明,LES计算能更好地预测水轮机的外特性,包括流量曲线和效率曲线.基于非定常的水轮机内部流动的LES,使用Q方法提取转轮区的空化叶道涡和尾水管涡带,研究叶道涡的高频运动和涡带的低频演化规律,在活动导叶开度10 mm、单位转速64.9 r/min工况下,叶道涡演化频率为转频的15倍,而涡带演化频率为转频的0.4倍,和实验结果相符合,验证了在复杂三维流动中LES方法的准确性.     

用非线性三方程模型计算内燃机缸内湍流流动

内燃机整个工作循环中 ,其缸内流体始终进行着极其复杂而又强烈瞬变的湍流运动 ,正确地模拟和分析内燃机的燃烧和排放 ,离不开对缸内湍流运动的正确描述和模拟。把一个非线性三方程k -ε -A2 .湍流模型修正后应用于内燃机缸内湍流计算 ,此模型采用了雷诺应力张量和应变张量的三阶相关关系 ,表示雷诺应力张量和应变张量相关关系方程式中出现的雷诺应力第二不变量A2 是通过求解其输运方程得到的 ,计算采用任意拉格朗日欧拉法。用此模型对几种内燃机内的缸内流场进行计算 ,给出了用非线性三方程模型计算得到的结果 ,并与标准的k -ε模型算得的结果和实验结果进行了比较 ,结果表明 ,此模型适合于计算内燃机缸内湍流流动     

燃烧室构形对内燃机缸内湍流特性的影响

内燃机缸内流动是极其复杂的三维湍流流动,其流动具有强压缩性、强旋转和各向导性的特点。模拟和分析内燃机的燃烧和排放,离不开对缸内湍流运动的正确描述和模拟。为了考察非线性三方程模型对内燃机缸内湍流特性的预测能力,用修正的非线性三方程模型对平顶活塞燃烧室内流动进行了计算,计算采用任意拉格朗日欧拉法,结果表明非线性三方程模型在定量和定性上较之k-ε模型有较大的改进,此模型适合于计算内燃机缸内湍流流动。为了考察燃烧室几何构形对内燃机缸内湍流特性的影响,用修正的非线性三方程模型对不同结构燃烧室缸内流动进行计算,给出了用非线性三方程模型计算得到的结果,结果表明内燃机燃烧室几何形状对缸内湍流特性有很大的影响。     

不同ω形凹坑燃烧室内湍流特性的计算

内燃机缸内流动是及其复杂的三维湍流流动,其流动具有强压缩性、强旋转和各向异性的特点。模拟和分析内燃机的燃烧和排放,需要对缸内湍流运动描述和模拟。把采用了应力张量和应变张量的三阶相关关系的一个非线性涡粘度湍流模型进行修正后应用于内燃机缸内湍流流动计算,用此模型对几种ω形凹坑燃烧室内燃机汽缸内的流动进行计算,特别考查不同结构燃烧室内各处的湍能的变化,给出了燃烧室结构对缸内湍能影响结果,结果表明,凹坑结构对内燃机缸内湍能的分布和平均湍能的大小影响很大,可适当调整燃烧室结构来改变缸内湍流结构。     

柱形凹坑燃烧室内燃机缸内湍流流动的计算

内燃机缸内流动是具有强压缩性、强旋转和各向异性的复杂的三维湍流流动,对缸内湍流运动的正确描述和模拟,可正确地模拟和分析内燃机的燃烧和排放。应用经修正的RNGk-ε湍流模型对内燃机缸内湍流流动进行数值计算。计算不同结构的柱型凹坑燃烧室缸内流动,特别是对偏心圆柱凹坑燃烧室缸内流动的计算,给出了计算得到的平均湍能的变化及速度变化情况,结果表明,内燃机燃烧室构型对缸内湍流特性有很大的影响,适当改变缸内结构能有效改善缸内流动。     

汽车外流场数值仿真k-ε模型适用性研究

由于目前的湍流模型并非针对汽车空气动力学进行数值仿真,因而造成潜在的计算误差。因此,为探寻适合的数值计算模型,以MIRA阶梯背汽车1/3比例模型为研究对象,对常用的Standard k-ε、RNG k-ε和Realizablek-ε3种k-ε涡黏湍流模型进行数值仿真,以计算所得的气动力系数、尾部流场及表面压力系数为适用性评价指标,并与HD-2风洞试验数据对标。研究结果表明:3种模型中,Standard k-ε模型收敛速度和效率最优,但气动阻力的计算精准度最差;RNG k-ε模型的表现一般,而Realizable k-ε模型能获得最高的气动阻力计算精度,与风洞试验结果对比,误差在5%以内,但收敛速度和效率相对较差;同时,3种湍流模型对气动升力的计算结果与风洞试验对比存在较大误差。     

搅拌反应器流场的数值模拟

使用数值模拟的方法研究了一种搅拌反应器的流场特点,采用k-ε两方程湍流模型分析流场,采用多重参考系法处理搅拌桨区域.结果显示:改进的弧形叶桨形成的流场具有典型的径向流特点,而且轴向流动有所加强;标准k-ε模型和RNG k-ε模型均能较准确地预测搅拌槽内轴向的最大速率,但RNG k-ε模型所得结果更为准确;搅拌槽内的湍流能量主要产生于桨叶周边区域和槽近壁区域;但是桨叶下方区域受循环流动的影响比较弱,而且k值比较小,应该使桨叶更接近槽底部,或者采用带45°倾角的折叶桨,从而加强桨叶的轴向输送能力,改善混合效果.     

建筑物环境风场数值模拟

应用紊流大涡模拟方法对建筑物环境风场进行了数值模拟.采用尤拉观点引入大涡模拟法作为风场的紊流模式,并采用SIMPLE法求解环境风场流场.数值计算结果与实验符合较好,表明紊流大涡模拟比标准的k-ε紊流模式具有较高的可靠性.     

柴油机缸内三维动网格和流场数值模拟程序开发

现较为成熟的CFD仿真软件均为国外所有,国内缺乏相应的知识产权。为此,本文自主研发了一套仿真程序,对内燃机缸内三维工作过程进行数值模拟。本文建立了动态层网格模型和匹配的任意边界模型,采用有限体积方法离散流场控制方程,通过SIMPLEC算法求解NS方程,基于FORTRAN语言开发了一套内燃机缸内流场仿真软件。对内燃机的缸内空气纯压缩和膨胀过程做了仿真分析,计算结果表明,缸压曲线、缸内温度曲线与应用商业软件PUMPLINX、FLUENT计算结果基本吻合,证明动网格模型和流场数值模拟方法正确,本文的程序有进一步市场应用的前景。     

圆形喷嘴射流特性模拟方法优化选择

为提高圆形喷嘴射流特性数值模拟研究的准确性、可靠性,分别采用标准k-ε、RNG k-ε、SST k-ω、标准k-ω等4种湍流模型、3种网格划分方案及2种控制方程离散格式对圆形喷嘴射流流场特性进行数值模拟.研究结果表明:与标准k-ε、SST k-ω、标准k-ω三种湍流模型相比,RNG k-ε更能真实地反映圆形喷嘴射流流场特性;在网格划分方案的比较中,方案1所得的平均扭曲率最小,为0.187;对QUICK和二阶迎风格式两种控制方程离散格式的对比发现,二阶迎风格式所得到的轴向速度分布模拟结果更接近实验值.     

电池包流场湍流模型适应性与散热性能研究

为准确模拟出电池包内部流场结构与温度分布,探索工程上应用广泛的k-模型的湍流适应性,采用简化的锂离子电池包,并为其建立了叠压与管束排列离散模型,分别运用3种k-湍流模型进行数值仿真,得到不同排列方式下的流场和温度场。结果分析表明:RNG k-模型对于小尺度、大曲率衍生涡的模拟有较大优势,但涡的形状、大小相比于Standard及Realizable k-模型明显不同,Standard k-模型能更好地揭示冲击性回流对后排电池温度的影响;管束排列下,电池包的温度分布均匀性更好,散热性能更优。     

无挡板搅拌槽内的自由表面湍流流场研究

基于VOF多相流模型,建立了自由液面搅拌流场的数值模型和模拟方法。以偏心和无挡板中心搅拌槽为例,分别使用标准k-ε模型和分离涡模型研究了搅拌槽内流体的时均速度分布,发现数值模拟结果与实验结果吻合较好,仅略低于实验值。整体而言,使用分离涡模型时模拟结果与实验值之间的误差不超过12%,而k-ε模型的模拟精度则较差。研究结果表明,分离涡模型和VOF模型相结合,能很好地模拟搅拌槽内流体的自由液面流动特性。     

旋风分离器流场的数值计算方法研究

利用计算流体力学软件FLUENT,分别采用k-ε标准模型、RNGk-ε模型和RSM模型湍流模型及不同离散方式对旋风分离器的流场进行了数值模拟研究.通过模拟结果与前人实测结果的对比,确定出了适合旋风分离器的数值计算方法.结果表明:湍流模型采用各向异性的RSM模型,离散方式采用对流项的QUICK格式和压力梯度项的PRESTO格式,才能获得合理的流场模拟结果.该结论为旋风分离器流场的数值模拟及进一步的结构优化设计提供了参考依据.     

不同湍流模型在螺旋桨水动力性能计算中的应用与比较

为了研究不同湍流模型在螺旋桨水动力性能预报中的适用性,运用计算流体力学软件对粘性流场中螺旋桨的敞水性能进行了计算研究.分别采用标准模型k-ε、RNGk-ε模型和雷诺应力方程模型(RSM)模拟了敞水螺旋桨在不同进速系数下的推力系数、转矩系数等.由3种湍流模型的预报结果与试验值的对比得出:标准模型对螺旋桨水动力性能的数值预报存在明显的缺陷;RNGk-ε模型相对于标准k-ε模型有所改进,但这种改进仍然没有抛弃基于涡粘性假设的基础,对预报精度的改进是有限的;而RSM模型完全抛弃了涡粘性假设,完全求解雷诺应力的微分输运方程,并且考虑了壁面对雷诺应力分布的影响,因此具有较其他2种模型更强的模拟能力.     

不同湍流模型在小尺寸换热器CFD计算中的应用与比较

为了研究不同湍流模型在换热器流场和传热计算中的适用性,运用计算流体力学软件对粘性流场中小尺寸换热器性能进行了计算研究.分别采用Spalart-Allmaras湍流模型、标准模型k-ε和可实现k-ε方程模型模拟了换热器在不同质量流率下的出口温度、总换热量、壳程压降等有关参数.由3种湍流模型的CFD计算结果与Bell-Delaware理论计算值的对比得出:Spalart-Allmaras单方程湍流模型对换热器性能的数值计算存在明显的缺陷,表明该模型不适合于模拟计算换热器壳程的流动;标准k-ε湍流模型和可实现k-ε湍流模型下的CFD分析相对于SpalartAllmaras单方程湍流模型有所改进,但这种改进仍然没有抛弃物质粘性零影响的假设的基础,因此其对湍流精度的改进是有限的;可实现k-ε湍流方程模型下的CFD计算值与Bell-Delaware理论值最为接近,可实现k-ε湍流方程模型对于小尺寸的换热器仿真具有较其他两种模型更强的数值模拟能力.     

明渠交汇口三维水力特性大涡模拟研究

为了解决明渠水流交汇口河道冲刷、泥沙沉淤、污染物滞留等问题,必须探明其水力特性的分布规律.采用气液两相流混合模型,对不同汇流比下90°明渠交汇口三维水力特性进行数值模拟研究.分别选取大涡模拟模型(LES)和RNGk-ε模型封闭两相流时均方程,速度与压力耦合方程组求解时使用半隐式SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)算法,模拟自由水面采用VOF(Volume of Fluid)法.将汇流比为0.25时两种模型计算的纵向截面水面线与实验结果相比较,得出大涡模型结合VOF法能更好地捕捉交汇口水面的波动情况;将大涡模型计算的不同垂直线上的速度分布与实验结果相比较,两者吻合良好.通过比较两种模型计算的特征横断面上的流线图,得出大涡模型能更好地捕获水流瞬时流动特性,动态再现二次流动结构,且大涡模型能够更好地模拟交汇口附近水力特性分布规律.     

有压管路中阀门关闭特性的数值研究

采用K-ε两方程模型结合大涡模拟模型对水箱管道模型进行了不可压二维数值模拟,采用用户自定义函数（UDF）获取了阀门运动动网格与流场相结合的流域模型,比较了压力进口与速度进口对数值计算的影响,非定常计算时不能选择速度进口方式.给出了阀门关闭动态过程中一些内流参数特征分布,阀前压力集中在200 Hz以下,阀后涡系扩散明显.