Comparison of gas particle flow prediction from large eddy simulation and Reynolds-averaging Navier-Stokes modeling

In order to account for the effect of particle existence on gas-particle turbulence flow in large-eddy simulation (LES), a new gas-particle turbulent kinetic energy subgrid-scale (SGS) turbulence model is established, and the effect of particle wake is also considered in gas turbulent kinetic energy SGS turbulence model. Simulation of gas-particle turbulence flow in backward-facing step is carried out by LES using present model and by unified second-order moment (USM) model. The prediction statistical results including mean velocity and fluctuation velocity by LES using present model are in reasonable agreement with the experimental results. It is shown that present model is with higher calculating accuracy than USM model, which indicates that the turbulent kinetic energy SGS turbulence model is suitable.     

Gas turbulence modulation model for gas-solid flows in two-fluid approach

Turbulence enhancement by particle wake effect is studied by numerical simulation of gas turbulent flows passing over particle under various particle sizes, inlet gas velocities, gas viscosity, gas density and the distance of particles. By performing dimension analysis and using the form of gas-particle interaction source term for reference, a new semi-empirical turbulence enhancement model by the particle-wake effect is proposed. The turbulence model is then incorporated into second-order moment model for simulating gas-particle flows in a horizontal channel with different wall roughness and a sudden-expansion chamber. The results show that this model is with higher calculating accuracy than another two turbulence models in comparison with the experimental results.     

基于时变边界屋面积雪分布数值模拟

为了预测风作用下屋面积雪的分布,采用Euler-Euler两相流混合模型,结合最新改进的k-ω模型等数值方法开发分析程序,对风致屋面积雪分布进行了数值模拟.模拟中为考虑积雪对屋面绕流的影响,计算区域边界根据雪深变化采用时变边界.对一典型阶梯形屋面积雪分布进行数值模拟,获得了几种不同状态下屋面积雪分布的时间历程.模拟结果表明:随着时间的发展,屋面积雪分布对屋面绕流产生较大影响,屋面积雪沉积率随之发生变化;模拟时长22 h的计算结果与实测结果基本一致,不考虑积雪对屋面绕流的影响将产生较大误差;不同风速比下模拟的屋面雪深分布形态基本一致,但入流风速比越小,雪深分布系数相对越大,达到近似分布的模拟时间就越短.      

Simplified model for evaluation of VIV-induced fatigue damage of deepwater marine risers

A simplified empirical model for fatigue analysis of deepwater marine risers due to vortex-induced vibration (VIV) in non-uniform current is presented. A simplified modal vibration equation is employed according to the characteristics of deepwater top tensioned risers. The response amplitude of each mode is determined by a balance between the energy feeding into the riser over the lock-in regions and the energy dissipated by the fluid damping over the remainder based on the data from self-excited oscillation and forced oscillation experiments of rigid cylinders. Multi-modal VIV fatigue loading is obtained by the square root of the sum of squares approach.Compared with previous works, this model can take fully account of the main intrinsic natures of VIV for low mass ratio structures on lock-in regions, added mass and nonlinear fluid damping. In addition, a closed form solution of fatigue damage is presented for the case of a riser with uniform mass and cross-section oscillating in a uniform flow. Fatigue analysis of a typical deepwater riser operating in Gulf of Mexico and West Africa shows that the current velocity profiles affect the riser's fatigue life significantly and the most dangerous locations of the riser are also pointed out.     

积分尺度对矩形迎风面脉动风压特性的影响

为了研究来流紊流积分尺度对矩形断面高层建筑迎风面脉动风压及其分布特性的影响，选取2∶1和1∶2矩形为对象，通过风洞测压试验，对不同积分尺度紊流场中矩形迎风面的平均风压系数及脉动风压均方根系数、脉动风压相关函数和相干函数、脉动风压功率谱进行了对比分析. 研究结果表明:对于矩形同一高度处，脉动风压功率谱在低频区始终受准定常效应控制，而在高频区脉动风压功率谱随积分尺度的增大而增大；风压的相关性高于风的相关性，风压的相关函数与相干函数也随积分尺度的增大而增大，但相关宽度随积分尺度的增大而减小；脉动风压均方根系数随积分尺度的增大而增大；对于同一流场中矩形不同测点处，离驻点越远，风压相关函数和相干函数越小，脉动风压均方根系数越大；来流紊流积分尺度对平均风压系数的影响较小.      

y+值对MIRA模型气动参数计算精度的影响

为研究量纲为1的参数y+值对车辆气动参数计算精度的影响, 以阶梯背MIRA模型为基础, 在保证模型网格数量与质量相近的情况下调整近壁网格尺寸, 构建不同y+值的流场仿真模型; 考虑到不同的湍流模型对车辆外流场仿真的y+值具有不同的适用范围, 选取SST κ-ω和LES两种常用的湍流模型对阶梯背MIRA模型外流场进行稳态和非稳态仿真分析; 将气动参数仿真结果与试验结果进行对比分析, 得出合适的y+值取值范围; 结合仿真速度云图和车身表面受力曲线分析了边界层首层网格厚度对仿真精度的影响; 建立了方背MIRA模型在2种湍流模型下的外流场仿真模型, 进行不同流速下气动参数的计算, 从而对y+值取值范围进行验证。研究结果表明: 针对车辆外流场数值仿真, 采用SST κ-ω模型时对应的合适平均y+值取值范围为20~50, 而采用LES模型时对应的合适平均y+值取值范围为5~10;当边界层首层近壁网格厚度过大时, 数值仿真无法准确捕捉边界层中速度梯度的变化, 造成边界层流场流动信息丢失, 而当边界层首层近壁网格厚度过小时, 边界层网格会严重畸变, 2种情况下气动参数计算误差都超过5%, 从而影响车辆外流场数值仿真精度; 根据所获得的y+值取值范围, 方背MIRA模型计算的气动参数误差小于5%, 说明了2种湍流模型平均y+值取值范围的正确性。      

液力缓速器叶片倾角对容量系数的影响分析

根据能量平衡方程计算了叶片倾角与容量系数的数值关系,基于CAD和CFD技术,建立了缓速器工作流道的三维模型,采用RNG k-ε湍流模型模拟工作轮内部流场,分析了叶片倾角为40°,50°和60°时液体的翼面静压和湍流动能的分布规律,并利用有限体积法计算得到容量系数的数值.研究表明：叶片倾角为50°时,容量系数数值最小,其原因是叶片冲击引起的湍流最强,液流阻力最大.     

基于CFD的30000吨载货教学实习船阻力数值模拟

为了对船舶阻力进行精确预报,选取30 000 t载货教学实习船为研究对象,基于CFD对静水中不同航速的船舶阻力进行数值模拟,建立三维船体模型,采用局部加密进行网格处理,使用Standard k-ε湍流模型,利用VOF法追踪自由液面,将结果与船模试验数据进行比较表明,该方法计算速度快,成本低,预报精度较高,具有重要工程意义.     

湍流积分尺度对高层建筑风荷载影响的大涡模拟

为研究湍流积分尺度对高层建筑风荷载大小和分布的影响,研究其合理取值,基于大涡模拟开展了B类地貌不同湍流积分尺度下CAARC（commonwealth advisory aeronautical research council）标准高层建筑模型绕流模拟,并将模拟结果与风洞试验进行了比较.研究结果表明:大涡模拟能较好地反映高层建筑周围风场绕流特性和表面风压分布.随着湍流积分尺度的增大,平均运动的变形率向湍流脉动输入能量,以致平均风速降低、湍流强度增大;侧面风压脉动性降低15%、分离流附着提前出现;基底扭矩谱和弯矩谱的峰值及高频段幅值均减小;层斯托罗哈数在0.4倍建筑高度以下基本相同,随高度的增加其值下降20%~30%;层平均阻力系数下降5%~10%;迎风面风压系数平均值下降2%~5%,侧面和背面下降12%~17%.湍流积分尺度对迎风面和侧面上风向的风压水平相关性、层升力和0.8倍建筑高度以下的层阻力相关性的影响可以忽略.随湍流积分尺度的增大,风压水平相关系数增大,背风面增大5%~10%,侧面下风向增大15%~25%,0.8倍建筑高度以上层阻力相关性系数增大25%~50%.B类地貌湍流积分尺度的调整系数为0.4时,计算得到的风荷载与试验结果趋于一致.      

低速下不同入口位置塔式曝气池气液两相数值模拟

为了研究不同入口下塔式曝气池气液两相流动规律,采用欧拉双流体模型耦合群体平衡模型（PBM,population balance model）,在对计算域网格及气相分布与实验验证的基础上,研究了四种距离曝气池底部中心不同位置处的入口对曝气池内气液两相流动的影响,探讨了气含率、气泡数密度、液相水平速度等流体动力学性质,以期为塔式曝气池设计提供指导和依据.研究结果表明:欧拉双流体模型耦合PBM的模拟结果优于单一气泡尺寸的欧拉双流体模型;曝气池内气含率、气相分布、旋涡强度、液相水平速度均受入口位置影响;当入口位置逐渐远离曝气池中心时,气相分布逐渐呈之字形,旋涡强度增大,气含率及气泡羽流周期则先增大后减小;入口位置对气泡数密度无明显影响,气泡数密度在气泡直径5.95 mm下分布最多.      

考虑太阳辐射的轿车客舱内气流组织数值模拟

对轿车室内的热环境进行了数值模拟。计算采用SIMPLE算法,紊流采用k—ε模型,考虑了自然对流换热的影响,应用整体求解法计算气固耦合传热问题。采用射线追踪法计算了太阳热负荷,以图形的形式给出其在车内的分配情况,有利于直观地分析其对车内热环境的影响。CFD的计算结果表明,进、圃风口的布置不仅影响车室内气流速度和温度的具体数值大小,而且决定了整个流场和温度场的分布结构.     

都市快轨列车圆形与矩形隧道运行气动特性数值分析

基于连续性方程Reynolds时均Navier-Stokes方程以及RNG k-ε湍动能模型方程对都市快轨列车隧道运行的空气动力流场进行数值计算.研究在以160 km/h隧道运行速度分别通过圆形和矩形隧道的工况下,从列车进入隧道直至整车完全驶出隧道的空气阻力以及车体表面压力变化情况,并对圆形及矩形隧道流场特性进行对比.计算结果表明:列车在矩形隧道和圆形隧道运行过程中的最大阻力分别达到15 458.5 N和13 829.3 N,最大表面压力分别达到4252.3 Pa和3 815.8 Pa.在两种隧道中运行的列车阻力变化规律及列车表面压力变化规律相同,矩形隧道运行时列车的最大阻力与圆形隧道相比增加了14.3％,表面最大压力增加了l3.8％.     

基于ADINA分动器输出轴齿轮的固—液耦合分析

以智能四驱车辆分动器的输出轴齿轮及对其润滑的流体润滑油为对象,基于ADINA软件建立三维齿轮结构和流体模型,并对齿轮在转动过程中润滑油流体的耦合进行了分析。以FSI计算结果为基础,应用分离法,分析了齿轮在转动过程中润滑油流体的流动趋势及位移、速度变化趋势。结果表明:齿轮在转动过程中流体会形成一定的湍流,且齿附近的位移及速度有一定的变化。     

动车组明线运行空气动力学数值仿真

通过采用不可压缩粘性流体的N-S方程和K-ε双方程湍流模型,建立了带有车轮的200 km/h动车组模型,对其明线运行的外流场进行了空气动力学仿真.并对列车壁面附面层网格进行了细分,得出压力、速度的分布规律,针对网格划分对计算结果的影响进行了探讨.得出如下结论：列车的阻力系数为0.436,升力系数为0.014;此型200 km/h动车组车尾的安全避让距离为6 m;当加密附面层网格使y＋从2200减小到55时,阻力系数提高15%.     

空调用贯流风扇出口处紊流的研究

通过热线流速计等实验手段,对贯流风扇出口处紊流的相对紊流强度和速度脉动进行研究,得出了惯流风扇出口处相对紊流强度的分布规律和速度脉动与贯流风扇扰动频率及扰动噪声的关系。     

250km/h动车组头车司机室及客室内流场数值分析

以某250 km/h动车组头车为研究对象,建立了其司机室和客室内流场的计算模型,利用计算流体力学数值仿真方法,采用κ-ε标准湍流计算模型和SIMPLE算法,对头车司机室和客室的空调风道和内流场进行了数值计算,获得了流场内流动参数的详细信息,并结合国际铁路联盟规程UIC 553-01-2005（客车的通风、采暖和空调型式试验）对头车司机室和客室的温度场和速度场进行评估.研究结果表明该头车空调通风系统设计合理,满足人体舒适性要求.     

主动来流模拟技术试验研究

随着现代大跨度桥梁不断向长大化方向发展,风荷载作用越来越突出,风洞试验作为研究的最重要手段需要精细化,以准确模拟自然风特性。本文在充分调研基础上,进行主动来流模拟技术研究,基于主动控制风洞,制作主动振动机翼,调整不同来流的能量分配,实现了多点来流风速与气动力分量等试验数据实时同步采集,提出空间同步转换法,解决了试验模型处流场真实状况准确测试问题,充分模拟多项气动力,为更加精细化分析提供有效的方法和手段。利用主来流模拟技术,通过数值分析,从理论上对窄带谱、宽带谱来流的空间相关性进行研究,分析解释了部分典型气动力现象,得到有意义结论,为深入研究提供参考资料。     

水下悬浮隧道管段结构流阻特性分析

为探讨结构断面形状对悬浮隧道管段表面压力分布的影响,采用ANSYS流体模块RNG(renormalizationgroup)k-ε湍流模型,对圆形、多边形、曲边形和椭圆形4种断面的悬浮隧道管段海水绕流场进行了数值模拟,分析了绕流场及管段表面的压力分布特点.结果表明,同种断面悬浮隧道管段表面的压力分布规律相同,压力值随来流速度变化明显;管段曲率是影响绕流场的重要参数,海流在流线形断面上分离晚,表面压力下降较慢,降低了管段上的海流阻力.     

反应堆吊篮流致随机响应理论分析

讨论了吊篮结构流致振动的均方根响应。通过将流体力划分为简谐振动流体力和脉动流体两部分,结合结构有限元离散技术,建立了吊篮结构的流致随机响应不依赖于流体压力实验数据的纯理论分析方法。着重考查了平均流速、湍流强度及湍流尺度等几个主要参数对结构均方根值的影响。     

不确定交通需求下交叉口信号配时区间优化模型

为解决混合交通流的不确定需求，合理描述不确定参数用以信号配时优化，本文提出交叉口信号控制配时参数区间优化模型。首先，以高峰时段5min采集标段数据，构造交通量区间，修正Highway Capacity Manual 2010(HCM2010)饱和流率计算公式，估计混合交通饱和流率区间；其次，构建信号配时参数区间非线性多目标规划模型，并以交叉口服务水平为性能目标，利用区间序关系与区间可能度模型进行转换，采用多层嵌套遗传算法求解；最后，以北京市道路等级相差较大的两相位与三相位交叉路口高峰时段数据为例，验证信号配时区间优化模型，并运用 VISSIM软件进行仿真比较。结果表明：本文所建模型可行、有效，且考虑饱和流率区间的信号配 时区间优化模型更适合于关键相位饱和流率波动较大的两相位信号交叉口，机动车平均延误和交叉口通行能力较Webster方法分别优化了35.9%和14.9%。