基于大涡模拟的发动机缸内湍流流动及拟序结构

应用大涡模拟方法对发动机缸内湍流流场进行了三维瞬态数值分析.主要从湍流脉动、湍动能和缸内拟序结构演变等方面考察了发动机缸内流场特性.计算结果表明:相比雷诺平均模型,大涡模拟方法可以更真实地反映发动机循环过程中缸内气体流动的细节和规律.利用大涡模拟结合Q准则判别法可以较好地识别缸内大尺度湍流拟序结构;拟序结构对于缸内大尺度动能的产生及湍流的维持具有关键的作用.RANS类模型则不具备充分捕获大尺度拟序结构的能力.湍流脉动与活塞平均运行速度接近于成正比.     

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.     

重力对水平两相湍射流中颗粒行为的影响

研究了重力对空间发展的水平两相平面湍射流中颗粒运动的影响。气相场用 Euler方法求解 ,通过大涡模拟直接求解大尺度涡运动的 Navier- Stokes方程 ,小尺度涡采用 Smagorinsky亚格子模式模拟。颗粒相的运动采用L agrangian方法直接求解。射流 Re数为 1130 0。模拟发现 ,对于 St 1及 St～ 0 (1)的颗粒 ,其在平面射流下游的瞬时分布对重力的影响不敏感。随着颗粒 St数的增大 ,重力对平面射流场中颗粒行为的影响逐渐明显 ,但其作用效果还明显地与两相入射流滑移系数的大小有着直接联系。在小两相入流滑移系数情况下 ,对于 St～ 0 (10 )的颗粒 ,在重力作用下的沉降过程还受到了湍流拟序结构的作用 ,而重力作用导致的更大 St数颗粒的沉降 ,将引起固相粒子在射流下游的非对称分布 ,但它既不是均匀各向同性湍流中颗粒的梯度扩散结果 ,也未呈现出受到湍流拟序结构影响的特征     

甲烷扩散火焰空间拟序结构三维运动研究

提出了基于高速立体视觉的湍流火焰三维运动特性分析方法,该方法首先利用双视角立体镜,使单个CCD靶面同时获得两个不同角度的火焰图像,通过标定得到摄像机参数,最后基于双目视觉理论的三维重建方法获得火焰内部漩涡结构的三维分布及其扩散速度.通过实验重建了甲烷预混火焰中漩涡结构的三维分布及速度场,计算结果表明,由于燃烧速度的径向分布不均匀以及气流受热的膨胀作用,使得火焰面在靠近边界处向外弯曲.     

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。     

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。     

气固两相自由射流颗粒弥散实验研究综述

本文为水平浓淡煤粉燃烧技术研发基础工作之一。以双矩形气固两相平行射流为研究背景,作者考察了气固两相平面和圆自由射流的实验研究。综述表明,大涡拟序结构的存在和初始条件对自由射流颗粒弥散的影响是关键的,利用St数可定性估计这种影响,颗粒尺寸和负荷对气固两相流场的湍流结构具有显著影响,大颗粒尾涡脱落显著地影响湍流结构的事实使数值模拟气固两相流动的努力面临着模拟方法选择与指导工程设计的矛盾要求。因此,数值模拟技术需要评估,这是继续的工作。     

颗粒扩散的三个效应分析及其数值模拟

在对均匀各相同性湍流中的颗粒进行研究时，目前通常采用拉氏方法描述两相湍流中的颗粒相运动，用的较多的就是基于颗粒所见气体速度的Langevin方程。此方程的封闭必须考虑颗粒扩散的轨道穿越效应、连续性效应和惯性效应。在仔细分析几个效应的基础上，提出了一种改进的漂移系效模型，综合考虑颗粒在均匀各向同性湍流内扩散所遇到的三种效应的影响，并进行数值模拟分析了几个效应对于效值模拟结果的影响。     

气固两相透平内颗粒湍流扩散的Lagarange数值模拟

在双级跨音速燃气透平全三维黏性湍流场下,采用气固双向耦合模型分别对不同粒度的煤颗粒以及体积分数为0.903×10-4%的5～50μm分布直径混合颗粒群在叶片流道内的湍流扩散运动进行了Lagarange数值模拟,分别得到和分析了相应的运动轨迹和运动滑移。与无黏、层流、单向耦合假设条件下的数值模拟结果比较,得到了颗粒真实的运动特性,特别是在叶片根部、顶部和压力面上,颗粒与叶片撞击点的分布与实际叶片冲蚀点分布情况较为吻合,证实了叶片流道内颗粒湍流扩散特性的不可忽略性。数值模拟结果将为进一步优化气固两相透平叶片的气动设计提供更可靠的依据。     

入流滑移条件对两相射流特性影响的大涡模拟研究

研究了入流滑移条件对空间发展的气粒两相平面湍射流的非定常流动特性的影响。以Re数13000的平面不可压缩湍射流流动为例,气相场用Euler方法求解,通过大涡模拟(large-eddy　simulation,LES),直接求解大尺度涡运动的Navier-Stokes方程,小尺度涡用标准Smagorinsky亚格子模式模拟。颗粒相的运动用Lagrangian方法直接求解。在不同入流滑移条件下(U     

Direct numerical simulation of gas-solid two-phase mixing layer

In this paper, the spatially evolving of the higher Reynolds numbers gas-solid mixing layer under compressible conditions was investigated by a new direct numerical simulation technology. A high-resolution solver was performed for the gas-phase flow-field, particles with different Stokes numbers were traced by the Lagrangian approach based on one-way coupling. The processes of the vortex rolling up and pairing in the two-dimensional mixing layer were captured precisely. The large-scale structures developed from the initial inflow are characterized by the counter-rotating vortices. The mean velocity and the fluctuation intensities profiles agree well with the experimental data. Particles with smaller Stokes numbers accumulate at the vortex centers due to the smaller aerodynamic response time; particles with moderate Stokes numbers tend to orbit around individual streamwise vortices and in the periphery of paring vortices; particles with larger Stokes numbers disperse less evenly, showing a concentration distribution in the flow field.     

球磨机中颗粒混合运动的数值模拟

针对球磨机在火电厂应用广泛而对其内部颗粒混合运动的信息了解甚少的现状,采用离散元法直接跟踪球磨机内的每一个颗粒,考虑其所受重力、摩擦力和碰撞阻力的联合作用,建立了颗粒的三维动力学模型,对球磨机中颗粒复杂混合运动的全过程进行了数值模拟,并着重探讨了颗粒大小、颗粒密度及颗粒粒度不均等关键参数对球磨机中颗粒混合运动特性的影响.结果表明,随着球磨机的转动,球磨机内各区域的颗粒均逐渐混合均匀,但球磨机内不同区域颗粒混合的均匀程度不同.相同填充率条件下,小颗粒混合达到均匀的时间较长;相同粒径条件下,密度较大的颗粒其混合达到均匀的时间也较长.颗粒粒度不均时,随着球磨机的转动,颗粒出现分层现象.     

弱剪切平面湍流射流的直接数值模拟

采用直接数值模拟方法研究了弱剪切平面湍流射流的涡量场。其中“弱剪切”是指射流出口速度与伴随流速度的大小在同一数量级(文中为2：1)。计算结果精确捕捉到了大涡卷起、两涡配对及特殊的三涡合并现象。纵向速度U的平均分布与实验值符合得很好。由于涡量场关于射流轴线的完全对称性，雷诺应力的分布较为特殊。图6参8     

Coherent structures in a fully developed stage of a non‐isothermal round jet

Direct numerical simulation (DNS) was performed for a non‐isothermal air jet with a Reynolds number of 1200 in order to reveal coherent structures of the developed jet. A fourth‐order central finite difference was applied to the simulation. An effort was also made to enable experimental visualization (dye mixing and PTV) to support the validity of the instantaneous structures by DNS. Computational results for two types of inlet profiles suggested that nozzle conditions scarcely affect the turbulence statistics and the coherent structures in a jet‐established stage. Two‐point correlations of velocity and temperature show that similar distributions denoting the temperature can be used as an indicator of a vortex. A conceptual model of a hairpin‐shaped vortex was proposed and validated by two‐point correlations and PDF analysis for vortex alignment. The hairpin‐shaped vortex stands with legs inclined downstream. The inclination angle and the tilting angle between the two legs are ?45° and 40°, respectively. © 2004 Wiley Periodicals, Inc. Heat Trans Asian Res, 33(5): 342–356, 2004; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/htj.20014     

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。     

均匀各向同性湍流中颗粒所见被动标量的数值研究

对均匀各向同性湍流中惯性颗粒所见被动标量的统计特性进行了数值模拟研究,探讨了颗粒惯性的差异对统计结果的影响.结果表明,颗粒所见流体标量的自相关特性随颗粒惯性的增加而单调减少;颗粒所见流体标量脉动和耗散率随颗粒惯性的变化呈现出复杂的变化行为,在St=1.0附近分别达到最小和最大值,其原因是St=1.0的临界颗粒聚集于低涡...     

颗粒加入方式对平面射流中颗粒弥散影响的离散涡模拟

用离散涡方法对平面射流进行数值模拟,得到了与实验定量符合的速度场,采用单向耦合的Lagrangian方法模拟了流场中颗粒的弥散,颗粒进入流场的初始径向位置由满足不同概率分布的随机数决定,结果表明：对St≤1的颗粒,初始径向位置的概率分布对其弥散的影响不显著;对St-o（1）和St〉1的颗粒,弥散显著受到初始径向位置概率分布的影响,其弥散函数在上抛物线形概率分布时最大,均匀分布时次之,截尾高斯分布时最小。     

循环流化床内颗粒混合特性的数值模拟

为了更好地研究循环流化床内颗粒的混合行为和揭示颗粒的混合机理,将离散单元法和计算流体力学相结合,对床内颗粒的轴向混合与径向混合过程进行了数值模拟.从气体和颗粒运动速度的角度将轴向混合与径向混合结合起来,对床内颗粒的整体混合过程进行了分析,并采用颗粒特征浓度标准差对颗粒的混合程度进行了定量评价,通过数值模拟得到了床内气体的速度场、颗粒的速度场和体积分数分布.结果表明:颗粒与气体的速度分布趋势基本一致,床内呈现上部稀相下部密相;颗粒的轴向混合效果优于径向混合效果,增大流化风速有助于加速颗粒的混合,且颗粒轴向混合对流化风速的敏感性低于径向混合.     

Direct Numerical Simulation of Particle Dispersion in the Flow Around a Circular Cylinder

The major objective of the paper is to use direct numerical simulation method to get the dispersion patterns of different Stokes number particles in cylinder wake at low Reynolds numbers. The gas fluid structure is simulated by a spectral-element method with third-order accuracy. Non-reflecting boundary condition is specified for the outlet downstream boundary. Lagrangian approach is used to trace particle trajectory. The simulation results show factors to be considered to characterize the particle dispersion and find different particle dispersion pattern in a circular cylinder wake and in a plane wake.