湍流扩散火焰的大涡模拟及验证

对丙烷/空气射流扩散火焰进行了大涡模拟,并就截面流向速度无量纲分布、速度脉动无量纲分布、温度无量纲分布以及NOx生成与Sandia实验室测量数据进行了对比分析,得出大涡模拟方法可以较好地模拟湍流扩散火焰的结论.在此基础上对拟序结构与化学反应的相互影响以及雷诺数对各尺度的影响进行了研究,结果表明:在流场的起始阶段,燃烧对拟序结构的形成有促进作用;在发展阶段,燃烧对大涡拟序结构有削弱作用,却能使小涡的生成增加,从而增强了化学反应;大涡拟序结构的存在改变了各参数的分布;随着雷诺数的增大,各尺度横向脉动均变大,预测到的NOx减小,产生的最大值前移.     

气粒两相平面湍射流拟序结构的大涡模拟

采用Eulerian/Lagrangian方法,对空间发展的气粒两相平面湍射流的非定常流动过程进行了数值模拟。以Re数为13000的平面不可压缩湍射流流动为例,气相场采用大涡模拟（large-eddy simulaiton,LES）技术,直接求解大尺度涡运动的Navier-Stokes方程,小尺度涡采用标准Smagorinsky亚格子模式模拟。为了示踪两相射流中气相的运动,同时球 解了标志物的浓度输运方程。颗粒相的运动用Lagrangian方法直接求解。大涡模拟结果表明,在平面射流的过渡区及充分发展区存在丰富的拟序结构及其相互作用。对于稀疏两相射流,不同Stokes数的颗粒运动规律和浓度分布取决于颗粒惯性和气相拟序结构的共同作用。对于Stokes数小于10的两相射流,颗粒相的瞬时浓度场分布与拟序结构密切相关,研究颗粒相的扩散应当考虑拟序结构的影响。     

湍流结构及大涡模拟研究

大涡模拟最初用于大气与环境科学的研究,之后利用大涡模拟研究大气越来越广泛并取得多方面的成果．通过对端流的认识,了解研究湍流应具备的条件,由此引出大涡模拟方法在湍流研究中的优势,简单介绍大涡模拟理论．讨论亚格子模型．根据大涡模拟在水力、航天、传热及生态环境等方面已有的应用,说明其应用前景和亟待解决的问题。     

基于大涡模拟方法的二冲程发动机缸内冷态流场湍流积分尺度模拟研究

应用大涡模拟方法对一台二冲程发动机缸内冷态湍流流场进行了三维瞬态数值分析,并与PIV测试结果进行了对比。结果表明:本文建立的三维模型能够自然再现缸内冷态流动的随机大尺度涡流情况,具有较高的可靠性。通过分析不同截面各瞬态的湍流空间平均积分尺度的模拟研究结果,认为同一时刻,横向截面距离气缸顶部越近,其涡流平均尺度越大,且x方向积分尺度分量明显大于y方向积分尺度分量;而对于不同时刻的横向和纵向截面,前者平均积分尺度随活塞上行而减小,后者变化不明显。     

多孔介质发动机流动与燃烧特性的大涡模拟初探

对多孔介质发动机的燃烧特性采用大涡模拟进行了初步分析.首先计算了考虑多孔介质随机结构特性的定容燃烧室内气体燃料喷射过程,并与自由空间中的喷射过程进行了对比.然后采用大涡模型对两种结构形式的多孔介质发动机的燃烧过程进行了初步的计算分析.多孔介质的存在增强了湍流涡团的小尺度结构,明显改变了燃料的空间分布,而采用大涡模拟(L...     

商业街火灾烟气流动的大涡模拟

用大涡模拟计算了一个没有通风的室内商业街火灾的烟气流动。由于所需的计算时间过长，目前仅计算了一个算例；介绍了这个算例的一些结果。数值模拟试验证明大涡模拟可以用于大尺度问题的模拟，能够表明烟气流动的细节。     

三维混合层中湍流拟序结构对颗粒扩散的影响

对时间发展模式的三维气固两相混合层湍流拟序结构及其对不同尺寸颗粒扩散的影响进行直接数值模拟,对于气相场,应用拟谱方法（Pseudospectral method）直接求解Navier-Stokes方程组;对于颗粒场,对于Lagrangian方法跟踪半场颗粒,针对不同Stokes数的颗粒,分别模拟颗粒场在展向和流向的分布变化,进而分析流场三维大涡结构对不同颗粒扩散的影响,并引入一系列参数,着重定量描述流场展向大涡结构和流向大涡结构对不同尺寸颗粒分布的不同影响。     

平面自由射流中燃料扩散的大涡模拟

对甲烷－空气预混气体的平面自由射流进行了大涡模拟,采用分步投影法求解动量方程,亚格子项采用标准Smagorinsky亚格子模式模拟,压力泊松方程采用修正的循环消去法快速求解,空间方向采用二阶精度的差分格式,在时间方向上采用二阶精度的显式差分格式。模拟结果给出了预混气体射流中拟序结构对燃料扩散的影响,表明促使燃料扩散的主要因素是射流中的拟序结构,由浓度梯度导致的组分扩散较弱。     

基于大涡模拟方法的二冲程发动机缸内冷态流场的模拟研究

应用大涡模拟方法对一台二冲程发动机缸内冷态湍流流场进行了三维瞬态数值分析。探索缸内流场的速度、压力及温度的变动情况,并与PIV流场测试结果进行了对比。三维模拟的缸压曲线与试验及一维模拟均吻合较好,但在速度概率密度函数方面与试验存在一定差异。模拟结果表明:本文建立的三维模型能够自然再现缸内冷态流动的随机大尺度涡流情况,模型可靠有效。模拟能够较好地反应火花塞位置附近速度随机波动情况,其结果对于后续研究缸内大尺度涡流对燃烧循环变动的影响机理具有一定的指导意义。     

圆湍射流的轴对称大涡模拟

对空间发展的不可压缩圆湍射流进行了大涡模拟研究。在流动轴对称假定下,对Re数等于11300的圆浩射流流动进行数值模拟。大涡模拟很好地再现了圆湍射流中拟序结构非定常演化的前期过程,成功地捕获到了射流中Kelvin～Helmholtz不稳定性的触发与初级涡环的卷起及其第一次和第二次配对合并现象。但在流动轴对称假设下,大涡模拟不能模拟出湍流拟序涡环结构的破碎过程。对圆湍射流的轴对称大涡模拟结果进行长时间统计平均,能够预报出圆湍射流的核心区特征,但与圆湍射流的理论分析解和经典的实验数据对比发现,核心区后大涡模拟预报的流向速度降低缓慢。从控制方程的数学本质和拟序结构的物理机制上对圆湍射流在轴对称假设下产生上述大涡模拟结果的原因进行了分析与探讨。     

4气门直喷式汽油机缸内湍流场多周期循环变动的大涡模拟

应用大涡模拟方法对一台4气门直喷式汽油机(DISI)缸内冷态湍流流场进行了三维瞬态数值分析.通过连续13个工作循环的模拟计算,探索缸内湍流流动的循环变动特征与规律,并与PIV流场测试结果进行了对比.模拟相平均值及循环变动的均方值和试验值在总体上吻合得较好.计算结果表明:在进气过程前期缸内流场湍流脉动和循环变动都很强烈,两者强度为同一量级;但在后续过程中,湍流脉动不断衰减,其与循环变动的比值小于15%.大涡模拟方法不仅可以真实地反映内燃机循环过程中缸内气体流动的细节和规律,而且非常适合于研究内燃机的循环变动特性.     

湍流燃烧亚格子线性涡模型研究

湍流燃烧的亚格子模式一直是限制大涡模拟在湍流燃烧中应用的主要困难,介绍了湍流燃烧亚格子模型———亚格子线性涡模型.回顾了该模型的发展历程并给出了其当前形式,指出了该模型建立过程与其他湍流燃烧亚格子模型相比的长处,指出了该模型的不足.对亚格子线性涡模型在湍流燃烧大涡模拟中的应用进行了总结评述,重点分析了该模型应用于超声速燃烧存在的问题.     

气粒两相二维后台阶突扩流动的大涡模拟

对气粒两相后台阶流动,利用大涡模拟方法模拟气相场,用轨道法模拟颗粒相运动．计算中气相亚格子模式(SGS)采用了标准的Smagorinsky模式,研究了气相场大涡演变规律,并给出了速度时均统计值与实验结果的比较,吻合很好。在此基础上深入研究了不同Stokes数下颗粒的运动规律以及不同入口滑移条件下的颗粒运动规律,进一步对直径为150μm的玻璃微珠进行了模拟,得到了颗粒相速度时均统计结果,并与实验结果进行比较,吻合良好。这为细观框架下研究气粒两相相互作用规律提供了依据。     

基于气液两相流大涡模拟研究柴油喷射的雾化过程

采用气液两相流大涡模拟对燃油雾化过程进行数值模拟.通过建立不同的计算边界研究了喷油器结构对喷孔内流及近喷孔区域燃油雾化特性的影响.在对比分析射流结构和喷孔内外流计算结果的基础上,讨论了射流初始扰动的产生机理及燃油雾化机理.根据计算结果发现:喷油器结构对喷孔内流有重要影响,实际喷油器的复杂结构会使燃油在离开喷孔前发展为湍流,湍流是导致初始扰动具有复杂频率和振幅组成的原因.边界突变是产生喷孔出口区域轴对称初始扰动的原因,该类型初始扰动具有单一的频率和振幅.     

Comparison of Reynolds averaged Navier-Stokes based simulation and large-eddy simulation for one isothermal swirling flow

The flow structure of one isothermal swirling case in the Sydney swirl flame database was studied using two numerical methods. Results from the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) approach and large eddy simulation (LES) were compared with experimental measurements. The simulations were applied in two different Cartesian grids which were investigated by a grid independence study for RANS and a post-estimator for LES. The RNG k-ε turbulence model was used in RANS and dynamic Smagorinsky-Lilly model was used as the sub-grid scale model in LES. A validation study and cross comparison of ensemble average and root mean square (RMS) results showed LES outperforms RANS statistic results. Flow field results indicated that both approaches could capture dominant flow structures, like vortex breakdown (VB), and precessing vortex core (PVC). Streamlines indicate that the formation mechanisms of VB deducted from the two methods were different. The vorticity field was also studied using a velocity gradient based method. This research gained in-depth understanding of isothermal swirling flow.     

Numerical investigation of high pressure and high Reynolds diffusion flame using Large Eddy Simulation

Today,with nonstop improvement in computational power,Large-Eddy Simulation（LES） is a high demanding research tool for predicting engineering flows.Such flows on high pressure condition like diesel engines is extensively employed in ground and marine transportation,oblige the designer to control and predict toxic pollutants,while maintaining or improving their high thermal efficiency.This becomes one of the main challenging issues in decades.In the present work,numerical investigation of diffusion flame dynamics is performed in the near-field of high-Reynolds jet flow on high pressure condition encountered in diesel engine applications.This work discusses the implementation of Partially Stirred Reactor（PaSR） combustion model by the approaches of large eddy simulation（LES）.The simulation results show that LES,in comparison with Reynolds-Averaged Navier-Stokes（RANS） simulation predicts and captures transient phenomena very well.These phenomena such as unsteadiness and curvature are inherent in the near-field of high Reynolds diffusion flame.The outcomes of this research are compared and validated by other researchers＇ results.Detailed comparisons of the statistics show good agreement with the corresponding experiments.     

Large Eddy Simulation of NO Formation in Non-Premixed Turbulent Jet Flames with Flamelet/Progress Variable Approach

To improve the NO modelling in turbulent flames,the flamelet/progress variable(FPV)model is extended by introducing NO mass fraction into the progress variable and incorporating an additional NO transport equation.Two sets of flamelet databases are tabulated with progress variables based on major species and NO mass fraction,respectively.The former is used for the acquisition of the main thermochemical variables,while the latter is employed for NO modelling.Moreover,an additional transport equation is solved to obtain the NO mass fraction,with the source term corrected using the scale similarity method.Model assessments are first conducted on laminar counterflow diffusion flames to identify lookup-related errors and assess the suitability of progress variable definitions.The results show that the progress variables based on major species and NO could correctly describe the main thermochemical quantities and NO-related variables,respectively.Subsequently,the model is applied to the large eddy simulation(LES)of Sandia flames.The results indicate that the extended FPV model improves the NO prediction,with a mean error for NO prediction at 55％,significantly lower than those of existing FPV models(130％and 385％).The LES with the extended FPV model quantitatively captures NO suppression in the mid-range of Reynolds numbers from 22 400(Flame D)to 33 600(Flame E),but underestimates the NO suppression at higher Reynolds numbers from 33 600 to 44 800(Flame F).This underprediction is primarily attributed to the underestimation of local extinction levels in flames with high Reynolds numbers.