非对称复式断面明渠中污染物输移扩散的大涡模拟

运用大涡模拟计算了两个非对称复式断面明渠内的水流运动和污染物扩散，其中由亚格子尺度涡运动引起的亚格子应力与物质扩散通过Smagorinsky-Lilly亚网格模型模拟。预测结果与Shiono等使用激光多普勒流速计(LDA)和激光诱导荧光技术(LIF)测量的实验数据进行了对比，计算得到的流场结构和污染物浓度分布均较好地吻合于测量结果。成功地再现了在其中一个复式断面明渠中观测到的横向浓度分布呈现显著双峰值的现象，根据计算的流场得出复式断面明渠中流向交替变化的强烈横向流动是产生这种现象的主要原因。     

大涡模拟水环境中污染物团的运动规律

本文采用大涡模拟方法封闭引入浮力特性并经空间平均后的Navier-Stokes紊流方程，对水环境中污染物的运动规律进行研究。在用有限差分法对控制方程进行求解时，用破开算子法将控制方程分为对流、扩散和源项三部分，其中对流项用QUICKET程式求解，扩散项用中心差分求解，源项用Gauss-Seidel迭代法求解。数值计算结合物理模型结果表明，污染物团在水环境中运动除有时均定量关系之外，还有三大定性规律：第一，污染物团在时间和空间上具有不规则性；第二，污染物团后部是空的；第三，在同一条件下进行多次试验（数学和物理），污染物团的运动是不一样的。计算表明大涡模拟要优于通常的 κ-ε 紊流模型，它不但能够象 κ-ε 紊流模型那样计算出污染物在水环境中的时均运动规律，而且能够计算出其在空间上的不对称发展过程，能够准确地再现其在物理模型中的不对称运动特性。计算结果无论从定性还是从定量关系上都与试验结果吻合一致。     

AU5-65螺旋桨紧急倒车工况流场与涡流噪声数值模拟研究

该文利用大涡模拟(LES)与FW-H声学类比方法对AU5-65螺旋桨第一象限(前进正车)和第三象限(紧急倒车)下的流场与涡流噪声进行了数值模拟研究。在规范的网格收敛性分析和亚格子涡模型影响性分析的基础上，采用1 063万网格与SL亚格子涡模型，首先对螺旋桨敞水第一和第三象限不同进速下的流场与水动力性能展开了计算分析，并通过相关试验数据校验了计算方法的可靠性，将不同工况与不同进速系数下的瞬态流场、桨叶切面压力和涡旋结构演化等结果进行了对比分析；在此基础上，结合FW-H方程对AU5-65桨敞水正车前进与紧急倒车时涡流噪声频谱进行了计算分析，探讨了紧急倒车工况下的螺旋桨涡流噪声幅值与频率特征。研究结果表明，该文建立的数值计算方法适用于螺旋桨紧急倒车工况下的流动与噪声模拟。     

横流中射流及其温度标量输运大涡模拟

将动力拟序涡黏性亚格子应力模型拓展到温度标量亚格子模型中,数值模拟了横流条件下有、无温度标量场作用的射流,得到的横流条件下浮力射流的温度和速度分布与Anwar的试验值吻合一致。在此基础上,分析了有、无温度标量场作用下射流回流区域大小和射流轨迹线特性,对比分析了回流区域内涡心和分离点处湍动能和耗散率、拟涡能以及边界层处拟序结构等湍流特性。计算结果表明:温度场的作用使射流的回流区域增大,射流速度轨迹线高度增加,回流区域内湍流的湍动能增加,边界处拟序结构的周期性不如无温度场时明显。     

光滑及粗糙明槽湍流流动大涡模拟

采用大涡模拟（Ｌａｒｇｅ Ｅｄｄｙ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）方法和Ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ亚格子模型数值计算了光滑及粗糙明槽湍流运动。以槽高为参考长度的雷诺数分别为３０００，２２８００和１０＾５，数值离散方法为有限体积法，自由面的处理使用了简单了刚盖假定，固壁面采用了壁函数，与低雷诺数直接模拟（Ｄｉｒｅｃｔ Ｓｉｍｕｌａｔｔｉｏｎ）和物理实验结果相比，本文数模呈现了良好的预测效果，估计的湍流宏尺度（Ｍ     

振荡流边界层中颗粒受力的三维格子玻耳兹曼模拟

应用格子玻耳兹曼方法对振荡流边界层中单个颗粒在近壁面处的受力进行了三维模拟,计算结果与已有数值模拟结果(雷诺数为300)和实验结果(雷诺数为2000)进行了比较,吻合均较好。计算结果表明,当雷诺数为300时,在振荡流做正反向运动时力系数的幅值变化过程相同,横向涡量的空间分布具有对称性。雷诺数为2000时,紊动增强使力系数在不同流动方向时的变化有所差异,而且横向涡量的分布呈现非对称性,这时颗粒受到横向力作用。     

水下航行体壁面脉动压力的大涡模拟研究

湍流壁面脉动压力是重要的水动力噪声源,开展相应的计算与试验研究十分必要。作者在大涡模拟的理论框架下,结合精细网格生成技术,对于水下航行体的壁面脉动压力进行了数值预报。首先,详细描述了所使用的大涡模拟方程与动态Smagorinsky亚格子模型,介绍了离散求解的数值方法。其次,利用大涡模拟计算了SUBOFF模型主体与附体上的表面压力分布,并利用试验结果进行了验证,分析了大涡模拟方法计算定常流动的可靠性。再次,计算了平板的湍流壁面脉动压力,并与CSSRC的消音风洞试验结果进行了对比,分析了大涡模拟方法计算非定常流动的可靠性。最后,对于水下航行体模型主体上三个位置与围壳上四个位置处的壁面脉动压力进行了大涡模拟,得到了脉动压力1/3OCT频谱,分析了频谱高频与低频特性以及衰减特性,并用试验结果进行了验证。研究表明,本文建立的水下航行体壁面脉动压力的数值预报方法是可靠的。     

利用数字图像处理技术测量浓度场的实验研究

利用数字图像处理技术是当前研究环境污染物扩散机理的重要手段。该文通过水槽实验,分析了污染物图像的灰度与污染物的浓度、光源的距离以及排放口所在水深的关系,并建立了污染物浓度与图像灰度关系的方程。利用该方程对射流在横流中测量的图像进行了浓度场计算,得到的结果与实际情况吻合较好,因此,该方法能广泛应用于物质扩散机理的研究。     

基于非结构网格的螺旋桨周围流场大涡模拟

采用基于非结构网格的有限体积法对螺旋桨的水动力性能和周围黏性流场进行了大涡模拟,在加权最小二乘法重构流动物理量梯度的基础上,分别以三阶精度的UMUSCL(Unstructured Monotonic Upstream-centered Schemes for Conversation Law)插值方法和方向导数法离散控制方程的对流项和亚格子应力项,计算得到的螺旋桨的定常水动力性能、叶片表面压力和尾流场速度与试验吻合很好.     

城市街道峡谷内污染物扩散模拟中不同湍流模型的比较研究

利用计算流体力学软件FLUENT，采用七种不同湍流模型（标准k-ε、RNGk-ε、realizablek-ε、标准k-ω、SSTk-ε、RSM和Spalart-Allmaras）对城市街道峡谷内的气流运动和污染物扩散进行了数值模拟。计算获得的峡谷内气流场和污染物浓度分布表明，虽然七种湍流模型都预测出峡谷内生成一个控制污染物输移的顺时针大旋涡（主旋涡），但它们在次生涡的模拟上存在差异。通过将峡谷迎风面和背风面上的无量纲污染物浓度分布模拟结果与风洞试验数据进行对比分析，揭示出：标准k-ε模型的总体预测效果最好，RNGk-ε模型、realizablek-ε模型以及RSM模型的预测效果次之，而标准k—ω模型、SSTk-ω模型以及Spalart-Allmaras模型的预测效果较差。在环境评价和基于环境容量约束的交通配流方案优选中，本研究成果对于如何合理选择湍流模型来模拟预测机动车排放污染物在峡谷内的扩散分布具有重要指导意义。