平板湍流边界层流向—法向平面发卡涡的PIV实验研究

湍流边界层流动精细涡结构的分析对于水下航行体表面减阻乃至降噪机理的深入研究都具有重要意义.文章应用粒子图像测速技术(PIV),对Reθ=1 743和5 400时的平板湍流边界层的流向—法向平面流场进行了测试研究.一方面,直接对瞬时速度场精细涡结构进行提取分析,通过Galilean分解和λci准则识别出流向—法向平面中的发卡涡及发卡涡包.研究表明,发卡涡和雷诺应力的分布特征具有高度相关性;发卡涡包产生了流向动量的法向不规则分层分布特征.另一方面,文中通过对500个瞬时速度场子样进行时间平均分析,获得了不同雷诺数下平均速度以及湍流度分量的法向分布规律.此外,文中还对发卡涡的几何尺寸和漩涡强度λci进行了统计分析.研究表明,在y+＜50范围内无量纲化的漩涡强度λciδ/uт沿法向迅速衰减,且在不同雷诺数下变化曲线基本一致;在y+ ＞50后λciδ/uт衰减平缓,且低雷诺数下的值较大.     

平板和翼型壁面上振荡流底边界层中拟序涡结构运动演化的大涡模拟研究

本文结合飞行器和船舶减阻机理的研究，利用大涡模拟的方法，建立了模拟振荡流边界层湍流运动特性的数学模型，进而对飞行器和船舶设计中遇到的，较为典型的两种边界层流动中拟序涡的生成过程进行模拟研究，计算结果表明，在振荡流加速阶段，靠近壁面处的流动由于剪切层的不稳定性而产生紊动，但受到主流的抑制不能得到充分发展，振荡流随着减速阶段的开始，紊动逐步变得更加强烈，并形成拟序涡结构。本文工作为进一步研究如何控制或适应边界层中湍流结构，达到减阻的效果打下了可靠的基础。     

复式断面明渠湍流的统计特征和拟序结构

应用直接数值模拟(DNS)方法,研究了复式断面明渠湍流的一阶和二阶统计特征,分析了湍流拟序结构在复式断面明渠内的分布规律。首先,针对平板边界层湍流问题对数值模拟方法的精度进行了验证;随后,分析了复式断面明渠的主流流速分布、二次环流强度和分布,以及二次环流对主流流速分布的影响,讨论了紊动强度和雷诺剪切应力极值大小和分布特征;最后,再现了复式断面明渠湍流的三维拟序结构,阐述了滩槽结合处典型“发卡”涡结构的特征及其诱发二次环流的机制。     

中等雷诺数方柱绕流的直接数值模拟及涡系分析

作为一种典型的钝体绕流,方柱绕流具有物体几何外形简单而流场结构非常复杂的特性,常规的基于RANS的数值计算方法难以准确模拟。DNS不使用任何湍流模型,直接求解完整的非定常流动控制方程组,模拟包括脉动在内的湍流所有非定常流动量的时空演变过程,是湍流数值模拟中最精确的方法,在复杂流动数值模拟方面的应用潜力巨大。本文自主设计和编制并行数值模拟程序,使用基于"神威·太湖之光"国产CPU架构的大规模并行计算,开展了中等雷诺数(Re=10 000)方柱绕流的直接数值模拟。其中:不可压N-S方程组采用基于交错网格的有限体积法离散;压力-速度耦合采用SIMPLE算法处理;离散得到的代数方程组采用Gauss-Seidel迭代求解;时间步进采用Euler隐式格式,对流项采用QUICK格式,耗散项采用中心差分格式;数值模拟程序的并行化使用MPI方法处理。文中重点分析了方柱绕流的复杂涡系结构,同时给出了部分湍流统计结果,并通过与RANS和LES模拟结果的对比分析,展现了DNS在复杂精细流场模拟方面的优势。     

组合涡诱导结构对某型燃烧室性能影响的分析

为解决某型燃气轮机间冷改造后环形燃烧室在高容热强度下燃烧效果不理想的问题,提出组合涡诱导结构,并通过数值模拟,研究该结构中的主要结构参数(波瓣高宽比、波瓣数和波瓣长度)对燃烧室性能的影响规律.结果表明:1)组合涡诱导结构可以明显改善高容热强度下的燃烧性能,具有较好的应用前景;2)随着高宽比的增加,燃烧效率逐渐降低,总压损失系数基本保持不变;3)随着波瓣数的增加,总压损失系数、出口平均温度和NOx排放均逐渐增大;4)随波瓣长度的增加,燃烧效率、NOx排放和出口平均温度均逐渐增大,总压损失基本保持不变.上述结论可为后续该型号燃气轮机燃烧室的数值计算和设计提供参考.     

组合涡诱导结构对某型燃烧室性能影响的分析

为解决某型燃气轮机间冷改造后环形燃烧室在高容热强度下燃烧效果不理想的问题,提出组合涡诱导结构,并通过数值模拟,研究该结构中的主要结构参数(波瓣高宽比、波瓣数和波瓣长度)对燃烧室性能的影响规律。结果表明:1)组合涡诱导结构可以明显改善高容热强度下的燃烧性能,具有较好的应用前景;2)随着高宽比的增加,燃烧效率逐渐降低,总压损失系数基本保持不变;3)随着波瓣数的增加,总压损失系数、出口平均温度和NOx排放均逐渐增大;4)随波瓣长度的增加,燃烧效率、NOx排放和出口平均温度均逐渐增大,总压损失基本保持不变。上述结论可为后续该型号燃气轮机燃烧室的数值计算和设计提供参考。