基于新的描述湍流耗散方程的k-ζ两方程湍流模型的数值算法研究

对Navier-Stokes方程进行雷诺平均后出现的各关联项建模,通过新的描述湍流脉动耗散的变量构造耗散方程,建立是k-ζ两方程湍流模型,研究了k-ζ两方程湍流模型的数值求解方法.通过求解有限体积法离散的RANS流动控制方程,数值模拟了平板,翼型,机翼等不同湍流流场,并与理论解、实验值及SST k-ω模型进行比较,全面考察了k-ζ两方程湍流模型在湍流流场计算中的准确性及适用性.数值计算表明,通过建立新的耗散方程研究湍流的方法是可行的,目前的k-ζ两方程湍流模型具有良好的数值稳定性,并且计算结果要优于或者至少与传统的两方程模型精度相当.     

k-ω湍流模型在流动阻力数值模拟中的应用研究

针对湍流模型在计算流动阻力时都有自己的适用范围,通过计算流体动力学软件Fluent中的标准k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型对湍流流动阻力进行数值模拟。根据尼古拉兹实验,分别在紊流光滑管区和紊流粗糙管过渡区对模拟结果与实验结果进行对比分析。分析结果表明,标准k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型适用于紊流光滑管区;在紊流光滑管区,标准k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型模拟结果与实验结果吻合性较好;在紊流粗糙管过渡区,标准k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型模拟结果与实验结果偏差较大,且随雷诺数增加偏差越来越大。该研究为k-ω湍流模型在流动阻力数值模拟中的应用提供了理论参考,具有十分重要的理论意义。     

风力机翼型边界层分离流动三维特性的数值模拟

针对NRELS809翼型绕流流动分别建立了二维和三维可压缩湍流模型,并进行了相应的数值模拟计算。湍流黏度分别采用基于RANS的Spalart-Allmaras和k-ωSST两种湍流模型来处理。研究结果表明:基于RANS的三维Spalart-Allmaras湍流模型在大攻角下得到了更加细致的涡结构,且更能显示出边界层分离流动的三维特性,计算出的翼型气动性能与实验测试值更接近,因此,Spalart-Allmaras湍流模型比k-ωSST湍流模型在预测翼型失速后气动性能方面更加有效。数值计算结果同时揭示了分离流动的三维特性是影响翼型气动性能的重要因素,而二维模型并不适用于翼型气动性能的计算。     

基于两方程湍流模型的DES方法在超音速圆柱底部流动计算中的应用

采用基于M enter k-ωSST两方程湍流模型的脱体涡模拟(D etached Eddy S im u lation,DES)方法,求解N av ier-Stokes方程,数值模拟了超音速下圆柱底部的大分离流动。脱体涡模拟在近物面区采用雷诺平均方法,在其它区域采用Sm agorinsk i大涡模拟方法,兼具前者计算量小的优点和后者能模拟大分离湍流流动的优势。与雷诺平均方法的计算结果进行对比发现,DES方法可以更好地模拟分离涡的发展,得到的底部径向压力分布的时间平均值与实验值吻合。     

覆冰输电导线气动力特性模拟的合理模型

对覆冰导线风洞试验的数值模拟和参数分析是获取气动参数的主要手段。进行了覆冰输电线气动参数数值模拟的几何建模、网格划分、边界条件的选取、湍流模型的选取、求解参数设置等分析研究。明确了加密区首层厚度、层数、厚度、形状及加密条带等对计算结果的影响,得到了合适的网格模型。对k-ε湍流模型、k-ω湍流模型、Realizable k-ε湍流模型、Reynolds应力湍流模型及SST k-ω湍流模型的分析,表明k-ω模型虽然能较好地模拟覆冰输电线的气动力特性,但是对参数比较敏感。k-ε湍流模型的是模拟覆冰输电线气动参数的最合理模型。     

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.     

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.     

锅炉离心式风机进气箱内流场的数值模拟

对电站锅炉离心式风机进气箱内的三维粘性流场进行了数值模拟。在数值计算过程中,流动用时均流方程及湍流模型来描述,不可压缩条件用罚函数法处理,基本方程用有限元法离散。数值模拟结果与类似实验的结果基本一致,这表明,该算法可以较好地模拟离心式风机进气箱内气体的流动,其计算结果可为进气箱的设计和改造提供参考。     

湍流模型在平板边界层分离流动中的应用

湍流边界层分离是自然界中常见的一种现象,由于其灵敏性,实验难度相当大,所见成功的实验少之又少.本文就目前比较流行的儿种湍流模型(如к-ε系列,к-ω系列)应用于湍流平板边界层分离流动的计算,并就预测结果与直接数值模拟结果进行了比较.     

运用非定常DES方法数值模拟三角翼大迎角流动

发展了一种可以有效模拟三角翼大迎角流动中旋涡破裂现象的脱体涡数值模拟(DES)方法.该方法以非结构混合网格上的雷诺平均N-S方程(RANS)求解方法为基础,引入全隐式双时间格式实现二阶精度的时间离散,通过对Spalart-AUmaras一方程湍流模型中的距离因子进行修正使DES方法在近壁面表现为RANS的特征,在远离物面处体现大涡模拟(LES)中亚格子尺度模型的作用.在此基础上,同时运用基于Spalart-A11maras湍流模型的RANS方法和DES方法对ONERA 70°后掠三角翼在大迎角情况下的非定常分离流动进行了数值模拟,并将两者的计算结果与相关文献中的数值结果和实验结果进行了对比分析.结果表明:与RANS方法相比,DES方法可以更真实地模拟出高雷诺数下三角翼主体分离旋涡破裂后的非定常流动特征.     

人工心脏泵流场的数值分析

为研究设计的人工心脏泵内流动细节,采用k-ω湍流模型,利用标准壁面函数衔接粘性底层低雷诺数区与湍流充分发展区,用FLUENT求解器计算心脏泵内紊流流场.数值计算结果表明,设计的心脏泵总体流场没有明显的流动分离、涡流、滞流等现象,但在动叶片外缘有较大的速度梯度,动叶片入口区有重复循环、流动分离、涡流等不规则的流动模式.进一步优化叶片外形、导流体模型可改善流场情况,更符合血液的流体动力学行为.     

装载机管片式散热器流动与传热特性数值分析

应用CFD软件对装载机管片式散热器空气侧流场、压力场和温度场进行了CFD研究。根据不同的空气质量流速,采用k-ε湍流模型对空气流动阻力和散热器换热系数进行数值模拟。与试验结果相比,CFD分析的空气流动阻力和散热器换热系数的平均误差小于10%,计算精度较高,该CFD模型可直接用于工程设计。     

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     

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.     

超空泡航行体三相流动演化特性

为研究通气航行体的空泡三相流动演化特性,采用CFD仿真软件Fluent对超空泡航行体通气空泡替代自然空泡的复杂流动过程进行了三维数值模拟研究.本文基于RNG k-ε湍流模型和VOF多相流模型,建立通气超空泡航行体三相流动的数值计算模型,并进行收敛性验证,并通过相关实验与模拟结果进行对比验证本数值方法的有效性;数值模拟了...     

救生舱内部流场的CFD模拟

基于k-ε模型,建立三维准稳态湍流流动模型方程,并对模型进行求解。结果表明,在送风速度为3 m/s,送风温度为22℃时,舱内平均温度在29℃左右,达到救生舱内温度设计要求,与试验结果较好吻合.模拟结果为救生舱选择合适的送风条件以及优化设计救生舱内部空间提供了参考.     

4种湍流模型对混流式水轮机压力脉动模拟的比较

采用RNGk-ε模型、Realizable k-ε模型、Transition SST模型和DES模型,在4种网格尺度下对模型混流式水轮机三维全流道非定常湍流进行模拟.在试验验证的基础上,分析各模型对水轮机压力脉动模拟的适应性,并进行网格无关性分析.分析结果表明:4种湍流模型都可以模拟出尾水管偏心涡带的形态,但尾水涡带在相位上不同,压力脉动的主频或振幅有差别;湍流模型与网格尺度不是单调线性关系,甚至相反;Transition SST模型比RNGk-ε模型、Realizable k-ε模型、DES模型对水轮机压力脉动模拟的适应性更好,在不同网格尺度下预测的压力脉动主频、振幅和试验结果更加吻合.     

600MW锅炉炉内气流流动特性的数值模拟

开展大型电站锅炉炉内气流流动特性的数值模拟,对于了解和掌握炉内气固多相流动特性、传热特性和燃烧过程具有十分重要的意义.本文在k-ε双方程湍流模型基础上,应用投影法,通过混合差分建立交错网格,对某600MW机组切向燃烧煤粉锅炉炉内气流的流动过程进行了计算机辅助数值试验(CAT).计算结果与冷态试验结果吻合较好.这对于预测炉内汽流结构具有很大的工程意义.     

循环床炉内气固两相流动特性的数值模拟探讨

基于循环流化床锅炉炉内流动特性,结合颗粒动力学理论和气体分子运动理论,给出了适用于模拟循环流化床炉内气固两相流动的k-∈-θ-kp湍流模型,即气相湍流流动采用标准的k-∈模型,固相湍流采用kp模型。该模型的优点是引用了颗粒平均温度的同时不仅考虑了颗粒湍动能自身的对流、扩散、产生和因流体作用而产生的耗散,而且考虑了颗粒相自身相互碰撞对流动脉动特性的影响。在此基础上,用Fortran语言编写了循环流化床内二维湍流气固两相流动的计算程序,并针对一台循环流化床装置进行了数值模拟和实验数据的对比,得到了较为满意的结果。     

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.