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。     

基于计算流体方法对建筑物风场分布

为了对建筑物整体风场进行定量定性分析,为建筑物设计提供参考和依据,利用计算流体力学构建了建筑物的风场模型,并对行人舒适性进行了评估.建立了单一建筑、多建筑及城市综合体风场的CFD模型,并将模型计算结果与风洞试验进行对比,验证模型的正确性和可行性.对比不同湍流模型计算结果,得出了不同情况下最优湍流模型.试验研究发现,标准RSM模型适用于计算单一建筑和小群建筑风场分布,而对于城市综合体风场的计算则以RSM-壁面反射模型为最优.本研究为通过模拟计算定性、定量评估建筑物周围风场提供了依据.     

脉冲水射流产生过程的流体力学特性数值模拟

为了研究脉冲水射流的流体力学特性,通过流体仿真软件Fluent15.0对两种实验工况下高压气体驱动水柱的流体力学过程进行了二维数值模拟,这两种实验工况分别是常温常压下直喷嘴圆管内0.25 MPa的高压氦气驱动和水枪中火药燃烧产生高压火药气体驱动。分别采用了SSTk-ω、Standard k-ε湍流模型与VOF模型,研究了在高压气体的驱动下水射流的流体力学特征,并对数值模拟结果与实验结果进行了比较。模拟结果表明:在采用SSTk-ω湍流模型的氦气驱动水柱的数值模拟中,气泡与射流前端速度呈单调递增变化,管内两观测点的压力先增大后减小,与实验结果有很好的一致性;在使用Standard k-ε湍流模型的火药水枪数值模拟中,模拟中水柱的速度变化与实验结果也有很好的一致性,射流在1.50ms左右达到最大然后逐渐减小。两组结果表明,所采用的数值方法在模拟高压气体驱动大体积液柱射流方面有一定的准确性。     

基于CFD的离心泵全流场非定常流动特性研究

为了研究不同流量下离心泵全流场内部非定常压力脉动分布特性,采用RANS方法和SSTk-ω模型对泵内非定常流动进行了数值计算.研究发现,不同流量工况下离心泵扬程和效率计算结果与试验结果的最大偏差在4％以内,验证了数值计算结果与试验结果的良好一致性.数值计算结果显示:小流量工况下,在叶轮多个流道内发现漩涡结构.由压力脉动的...     

基于实际峡谷地形风场数值模拟的建筑微观选址

利用高分辨率地形高程数据建立山区地形模型,运用计算流体力学(CFD)技术,对峡谷近地层风场进行数值模拟,评估该地貌下风场特性的分布规律,提出建筑微观选址建议。以45°方向为间隔对风场区域进行数值模拟,对比模拟结果发现:来流风向与峡谷夹角越小,峡谷内风速增强效果越明显;气流受到地形走势不同山体的遮挡效应干扰,流速出现不同程度加强;气流进入开阔地带后,风速降低,湍流强度变化趋向稳定。在风速较小、湍流变化稳定的地区可作为建筑微观选址的最佳区域。     

高层建筑周边三维瞬态风场的混合数值模拟

为了改进高层建筑周边瞬态风场数值模拟方法的计算效率,在随机流场生成方法和计算流体动力学(CFD)的基础上提出高效的混合型数值模拟方法.采用雷诺应力模型求解标准高层建筑模型(CAARC)周边的时均化湍流场,结合获得的雷诺应力张量修正瞬态风场的风功率谱.运用随机流场生成方法和快速傅里叶变换技术模拟得到该建筑周边的三维脉动风速场.以谱密度函数、互相关函数以及空间相关系数为特征指标量,对风速场模拟样本的物理和数值特征进行验证.研究表明：计算得到的风场满足流体不可压缩条件,与传统模拟方法的结果相比更符合风谱能量分布等真实大气湍流物理特征,证明提出的瞬态风场混合模拟方法可以高效准确的求解受建筑干扰后的真实三维脉动风速场.     

基于风洞试验的风沙两相流耦合流场特性

风沙两相流结构的理论与研究方法已趋于成熟,主要集中在风沙物理运动本身和防风固沙工程方面,然而,将风沙运动现象及其对建筑结构物的作用效应相结合的研究还比较鲜见,继续开展风沙地区工程结构的抗风沙研究具有重要的现实与工程意义。通过风沙风洞试验,模拟了实际沙漠地貌下的风场特征,重点通过风洞顶部落沙研究了类似沙尘暴环境下的沙浓度、风沙流速度廓线以及湍流强度随高度的变化情况。通过控制相同风速、变化不同输沙率进行落沙,以此形成多种不同类型的风沙两相流耦合流场,并与净风工况相比较。试验结果表明：沙浓度梯度分布与落沙孔数量、控制风速以及高度均相关;风沙流场中沙颗粒的运动对风速剖面有一定的削弱作用,对湍流强度却有增强作用;风场中沙质量浓度沿高度方向的分布特征直接影响了各高度处风速和湍流强度的大小,沙浓度越大的高度处对风速的削弱程度越显著,且对湍流强度的增强程度越大。     

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。     

高层住宅建筑体型系数对其中庭通风的影响

采用基于三维、RNG k-ε湍流模型的CFD方法,模拟了具有中庭的高层住宅建筑模型在风压和热压共同作用下的通风特性.并在低速风洞中进行了实验测量,验证了本数值模拟方法的可行性.针对4种不同体型系数下的高层住宅建筑,分析了在相同的建筑面积、外风场流速、建筑内发热量、中庭尺寸及相同的吹风角度条件下,中庭空间的自然通风特性及邻室房间的通风效果.结果表明,中庭式高层住宅建筑外体型系数越大,越有利于自然通风,为城市高层住宅建筑节能与人居环境的优化设计提供了理论依据.     

下游高层建筑对上游低矮建筑屋面风压影响

运用ICEMCFD-CFX软件,采用SST k－ω湍流物理模型,模拟了较高层建筑物对常见的轻型门式刚架双坡屋面的风压影响,得到在不同的间距下,双坡屋面随风向角变化的风压分布特性及变化规律．     

不同ω形凹坑燃烧室内湍流特性的计算

内燃机缸内流动是及其复杂的三维湍流流动,其流动具有强压缩性、强旋转和各向异性的特点。模拟和分析内燃机的燃烧和排放,需要对缸内湍流运动描述和模拟。把采用了应力张量和应变张量的三阶相关关系的一个非线性涡粘度湍流模型进行修正后应用于内燃机缸内湍流流动计算,用此模型对几种ω形凹坑燃烧室内燃机汽缸内的流动进行计算,特别考查不同结构燃烧室内各处的湍能的变化,给出了燃烧室结构对缸内湍能影响结果,结果表明,凹坑结构对内燃机缸内湍能的分布和平均湍能的大小影响很大,可适当调整燃烧室结构来改变缸内湍流结构。     

平衡大气边界层自保持及TTU风压数值模拟

构造合理且满足水平均匀性的大气边界层是计算风工程的一个重要难题.基于雷诺平均方法,采用标准k-ε湍流模型,结合RichardsHoxey入口条件,对数值风洞的顶面边界条件施加剪切应力修正,进行二维空流场的平衡大气边界层模拟,给出了一类能够较好满足大气边界层自保持要求的流场边界条件.并将此类边界条件同时运用到标准k-ε湍流模型和SST(shear stress transport)k-ω湍流模型中,针对美国德克萨斯技术大学模型场地试验进行三维流场全尺寸数值模拟,验证了所提边界条件对上述两类双方程湍流模型在低矮建筑钝体绕流的适用性.     

贝壳型单层网壳结构流场数值模拟与风洞试验对比研究

应用SST κ-ω湍流模型,采用数值风洞技术对贝壳型单层网壳在不同风向作用下结构表面的风压分布进行了数值模拟,获得了结构表面各分区下的压强系数.把其中具有代表性的分区数值风洞理论值与风洞试验结果进行比较分析,结果对比说明:两者吻合较好,所得到的压强分布系数可以用于工程实际,验证了数值风洞模拟技术的可靠性.事实证明以数值风洞技术来分析复杂结构周围的流场进行预测是可行的.     

不同湍流模型在射流推力矢量喷管数值模拟中的比较分析研究

利用数值模拟手段,分别求解以SA、SST k-ω、EASM k-ω或k-ζ湍流模型封闭的RANS方程,针对激波控制射流推力矢量喷管展开研究,在多个主喷流压比NPR(4.6,7.0,8.78,10.0)和次主流压比SPR(0.7,1.0)下,系统考察了四种不同湍流模型对射流推力矢量喷管性能参数及主喷管内壁面压力分布的预测能力,探讨了激波控制产生推力矢量随不同参数的变化规律。并基于数值分析,定量给出了二次射流所带来的主喷管性能损失。数值计算结果表明,四种湍流模型都能比较准确预测出射流推力矢量喷管的性能参数,在激波捕捉和压力预测方面,相对而言SST k-ω模型最为准确。     

离心泵内小间隙环流瞬态流体力计算

基于湍流润滑理论建立小间隙环流数学模型,计算层流假设时层流、过渡流及湍流3种流态下环流内压力分布情况,并与实验结果进行对比.结果显示采用层流模型进行计算时,层流工况下求得结果与实验吻合很好,但当雷诺数增加导致小间隙环流发展至过渡态及湍流状态时,数值计算结果与实验结果相比有较大偏差.利用几种典型湍流模型及过渡流模型对数值结果进行修正,修正后的数值结果与实验结果吻合较好;引用过渡区域摩擦因子对模型进行修正后的计算结果可修正采用层流模型和湍流模型时产生的误差,更接近于实验结果.针对离心泵启动的瞬态过程,求解考虑转子涡动角速度及涡动幅值变化时小间隙环流内压力分布,结果显示,涡动角速度及涡动幅值的变化对环流内正压区及负压区分布均有明显影响.     

台风风场下的1000kV输电塔风洞试验与风振响应分析

以东南沿海地区的特高压角钢塔为对象,针对台风风场在极值风速与风荷载分布相对常规风的差异性,进行风洞试验与风振响应分析.首先,基于台风实测数据,对风剖面指数进行拟合,并对A类地貌下的湍流强度设定进行修正以更符合实际台风风场;然后,针对1000 kV输电塔采用高频天平测力风洞试验,获得各项平均风力系数随风向角的变化以及全塔...     

冰临近过程中螺旋桨的水动力性能计算分析

为了研究非接触工况下的冰桨干扰水动力载荷,以粘性流体力学为基础,运用重叠网格技术,开展了冰桨干扰的定常计算方法的研究。首先,通过与实验结果的对比,验证了方法可行性;其次,基于重叠网格技术,研究了干扰冰运动到不同空间位置时,螺旋桨水动力性能的变化趋势和规律;计算时,各计算域均采用切割体非结构化网格,各域之间通过重叠网格的嵌套进行数据的传递。为了更好地捕捉桨前流场的细节,在冰桨间隙处进行了多层网格的局部加密,同时结合SSTk-ω湍流模型进行冰桨近场水动力计算。总结出冰对螺旋桨的影响是由冰在桨前产生的干扰伴流区域位于桨盘面以内的面积以及与桨的相对位置共同决定的。计算结果具有一定的可靠性,可为冰区螺旋桨的设计与性能计算提供参考。     

一种机载气象雷达湍流信号的检测方法及仿真

为了提高机载气象雷达检测湍流信号的准确性,提出了一种湍流信号处理的新方法——Welch法。首先建立了满足湍流特性的仿真风场模型,定义了湍流场中湍流尺度和强度等参数,然后利用仿真风场模型建立湍流的雷达回波模型。采用功率谱估计技术中的Welch法估计湍流的速度谱和谱宽。最后通过门限判决,谱宽超出门限的对气象目标将被视为湍流目标,并显示全屏扫描结果。仿真结果表明,该方法能够准确估计出湍流回波信号中的风速分布,且与传统傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)法相比,新算法具有更高的谱分辨率并能保留更多的谱特征,可以满足机载雷达对湍流目标检测的要求。     

不同风场下典型高层建筑风压分布的试验研究

通过不同边界层条件下的风洞试验,对典型高层建筑表面风压分布规律进行了对比研究。获得了不同风场下建筑幕墙表面的平均风压系数和峰值风压系数,评估了风场的改变对各种无量纲风压系数的影响。测试的结果可以为高层建筑幕墙设计提供依据,同时,也为其它高层建筑的抗风设计和风洞试验提供技术参考。     

风力机专用翼型数值模拟中湍流模型的选择

基于三维N-S方程,分别选用k-ε、k-ω、RSM和LES四种湍流模型对风力机专用S827翼型进行了数值模拟,对比了不同湍流模型对气动模拟精度的影响,得到了雷诺数为4×106时,该翼型在-4°～10°攻角下的升力和阻力特性曲线以及压力分布图,并与NREL的气动数据进行对比,结果表明,RSM湍流模型更适用于风力机专用翼型的数值模拟。