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。     

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。     

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。     

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     

大涡模拟二维气固两相平面射流

首先用大涡模拟对二维平面射流进行了数值模拟，并就断面流向速度分布、速度脉动量分布以及雷诺切应力分布与实验值进行对比分析，得出大涡模拟方法可以较好地模拟二雏平面射流。在此基础上对二维气固两相平面射流中直径为30μm(St=2．5)的颗粒扩散特性进行数值模拟。发现由于大尺度涡团的作用，颗粒分布于大尺度涡团的外缘而不是集中于中线附近。这与过去基于时均雷诺方程的数值模拟结果得到的颗粒主要集中于中线的结论有所不同，但与直接模拟二维平面混合层中颗粒运动扩散情况相吻合。     

几何对称性处理对自由平面湍射流大涡模拟的影响

研究了几何对称性处理自由平面湍射流大涡模拟的影响,以Re数为113000的平面不可压缩湍射流流动为例,采用Chorin的分步投影法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。初始条件采用平面射流无粘流动解,出流速度边界使用Sommerfeld辐射开边界条件处理,计算域的横向外边界使用自由裹入边界条件,对计算域的横向对称中心平面分别采用对称性条件和直接求解两种方法。模拟结果显示,采用对称性条件处理,会抑制自由平面湍射流中拟序结构的生长,阻碍大尺度涡从中心平面的穿透、长时间的统计平均不能给出合理的湍流低阶矩的时均结果。相反,对中心平面进行直接求解的做法能真实再现自由平面射流中涡的合并与破碎过程,得到合理的模拟结果。     

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。     

二阶矩亚网格燃烧模型对射流火焰的大涡模拟

用二阶矩亚网格燃烧模型对美国Sandia国家实验室测量甲烷／空气射流火焰进行了大涡模拟(LES),与实验数据和用二阶矩输运方程湍流燃烧模型的雷诺平均(RANS)模拟结果进行了对比．LES得到时间平均的温度, 甲烷浓度以及温度脉动均方根值和实验值符合很好．LES时均值和RANS模拟结果接近,LES脉动均方根值优于 RANS模拟结果．LES瞬态结果显示了有燃烧时的拟序结构比无燃烧时的强,同时拟序结构强化了燃烧,湍流射流火焰呈皱折火焰面的状态．     

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。     

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     

平面湍流射流细颗粒物团聚的PBM-LES耦合模拟

本文选取平面湍流射流为研究对象,通过大涡模拟与颗粒群体平衡模型耦合模拟了亚微米级细颗粒物在平面湍流射流流场中的团聚情况,分析了细颗粒物在流场中的运动情况以及粒径的演变过程,研究了不同时间、不同入口体积分数以及不同St数对细颗粒物团聚的影响。结果表明,在射流发展过程中细颗粒物粒径经历了逐渐增大且数密度逐渐减小并趋于稳定的过程;入口体积分数增大加强了流体与颗粒相之间相互作用的程度,细颗粒物的团聚效果更加显著;St数增大影响了细颗粒物在流场中的运动情况,削弱了细颗粒物的团聚效果。     

大涡模拟在船用燃气轮机进气流场中的应用

燃气轮机进气系统的结构和气动性能是燃气轮机装舰技术研究的一个重要组成部分。针对这方面的要求,进行燃气轮机进气系统的设计及数值模拟计算,为设计制造高性能的船用燃气轮机进气系统提供可靠的依据。对两种方案的进气系统作了数值计算和实验研究,其结果是相当令人满意的,对进气系统的实际使用具有非常重要的意义。     

宽粒径分布气粒两相圆湍射流特性研究

研究了一种宽粒径分布范围的气粒两相圆湍射流的特性。用ρｐ＝ ２ ５９０ ｋｇ／ｍ ３、０～２００ μｍ 的玻璃微珠做颗粒相,实验Ｒｅｙｎｏｌｄｓ 数为５ ６４０,粒气质量比为１５％ 。用粒子动态分析仪（ＰＤＡ）详细测量了两相射流近场（ｘ／Ｄ＜ １５）的流向、径向时均速度、湍动能及颗粒相浓度的分布,分析了Ｓｔｏｋｅｓ数变化对两相射流的影响。结果表明,宽的颗粒相粒径分布削弱了特定Ｓｔ数颗粒与气相的作用。与单粒径分布的两相圆湍射流颗粒相ｕνｐ比气相的ｕν小一个量级的结论不同,在宽粒径分布的气粒两相水平圆湍射流中,颗粒相的湍动能与气相具有相当的量级。     

不同种类燃气对集束射流特性的影响研究

应用FLUENT软件对电弧炉用集束氧枪的射流特性进行数值模拟研究,讨论了环氧流量、燃气种类、燃气流量以及燃气热值对集束射流射流特性的影响。比较分析高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气和天然气燃烧条件下的集束射流射流特性,并与普通超音速射流进行对比。最后,通过实验室实验进行验证。     

入口速度分布对后台阶流动模拟的影响研究

为深入研究台阶入口速度分布情况对后台阶流动的影响,利用Fluent软件,分别使用S-A和标准κ-ε两种湍流模型,将不同的速度分布情况作为速度入口条件,对后台阶流动进行数值仿真计算,研究了入口条件差异导致的水平速度曲线在近壁面处的凸起情况,并将计算结果与试验数据和已有研究成果进行比较。结果表明,两种湍流模式下,在附着点距离和速度分布曲线上均存在普遍而明显的差异,且这种差异受入口条件影响较大,进而得出了合理的速度入口条件,能有效减小计算结果与试验结果的误差,对理论分析和工程应用均具有参考意义。