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。     

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     

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。     

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。     

圆湍射流控制的实验研究

本文以圆湍射流为对象,研究了初始扰动参数的改变对湍流拟序结构发展的影响。当雷诺数Ｒｅ＝２９３８,５６４０,１１７５０,以及扰动Ｓｔｒｏｕｈａｌ（Ｓｒ）数在０～０．９范围变化时,通过流场显示,对射流喷口附近过渡区的拟序结构演变过程进行了观测。实验发现,在Ｓｔｒｏｕｈａｌ数为０．５左右时,射流核心区长度最短,拟序结构的发展最显著,且对Ｒｅ数不敏感;拟序结构随初始扰动振幅的增大而增长,但扰动幅值增大到一定程度后,涡的增长趋于不明显。本研究为通过控制湍流拟序结构进而控制湍流提供了初步依据。     

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。     

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。     

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。     

两相圆湍射流中Stokes数的影响

以Ｒｅ＝ ５ ６４０ 的水平圆湍射流为对象,用粒子动态分析仪详细测量了单相及两相射流近场（ｘ／Ｄ＜ １５）的轴向和径向时均速度、湍动能及颗粒相浓度的分布。实验选用粒径分布分别为２５±３μｍ 、７０±５ μｍ 和１００±１０ μｍ 等的玻璃微珠（密度ρｐ＝ ２ ５９０ ｋｇ／ｍ ３）代表颗粒相,分析了两相圆湍射流中Ｓｔｏｋｅｓ数变化对射流特性的影响。实验结果表明,Ｓｔ＜ １ 时应考虑颗粒相与气相湍流拟序结构的相互影响,在射流近场的横向截面上,颗粒相轴向速度有超前气相的现象。随着Ｓｔｏｋｅｓ数的增大,颗粒相速度低于气相速度。由于颗粒相的加入,与单相射流相比,两相湍射流中的气相湍动能发生变化。当Ｓｔ＜ １ 和Ｓｔ１ 时,气相湍能都呈增大的趋势,但二者增大的原因不同。     

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。     

保护气对集束射流特性的影响

集束氧枪是现代电弧炉炼钢主要供氧手段。保护气的物理特性对集束射流的射流特征有着一定的影响。本研究利用Fluent软件对电弧炉炼钢过程中常用集束氧枪的射流特征进行了数值模拟。在模拟实验中,应用普通的保护气取代电弧炉炼钢过程中集束氧枪常用的燃气,分析保护气的种类、保护气的流量以及保护气的温度对集束射流特性的影响,并且将其与传统超音速氧枪和电弧炉的集束氧枪的射流特性进行对比。     

汽油机活塞冷却喷射两相流及传热分析

为了深入研究活塞冷却喷射的油束运动发展规律及不同活塞冷却方式对传热的影响,对比研究了3种活塞冷却方案.首先,在稳定的流场环境里对油束进行了验证,保证了后续瞬态强气流条件下喷射计算的准确度.通过曲轴箱内的仿真计算,得到了活塞冷却喷射图像、内冷油道与活塞底面的平均传热系数分布、活塞的温度分布.针对模型A(内冷油道强制冷却+...     

网格密度对内燃机冷态流场大涡模拟的影响

通过修改发动机多维CFD计算程序KIVA-3V,建立了内燃机压缩过程冷态流场的大涡模拟(LES)计算模型.利用此模型对内燃机压缩过程中缸内流场的水平速度及湍流动能进行分析,同时,分析了网格密度对内燃机缸内流场大涡模拟的影响.结果表明,当采用k-ε模型计算时,网格的精细程度对流场结构影响不大;在相同的计算网格下,与采用k-ε模型计算相比,采用LES计算显示了更为复杂的湍流结构,而且LES所能捕捉到的涡团结构范围要大于k-ε模型,计算得到的湍流动能也要低于k-ε模型;同时,网格越精细,这种效应越明显.     

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．