大涡模拟

摘要： 利用大涡模拟分析了雷诺数Re=3900下间距比为L/Dm=4和5、交错角为α=0～15°的错列双波浪锥柱升阻力特性、流场结构及尾迹干涉效应.研究发现:对于特定间距比L/Dm=4、5,下游波浪锥柱脉动升力系数得到显著提高,在α=10°时较单直圆柱分别提升20.1倍和21.4倍,这主要是由上游波浪锥柱尾涡卷起撞击在下游波浪锥柱的一侧,下游波浪锥柱表面产生周期性的耦合力导致;受上游波浪锥柱两个自由端及其侧面来流与下游波浪柱作用产生的回流区的影响,下游波浪锥柱时均阻力系数显著降低.随着交错角增加,对于间距比L/Dm=4、5,下游波浪锥柱时均阻力系数逐渐接近上游柱,且在α=10°时,时均阻力系数较单圆柱分别降低34.9％和18.8％.涡量图展示了错列双波浪锥柱之间的完全撞击状态,侧面撞击状态和尾流干扰状态;且由于波浪锥柱表面形状的影响,使得流经波浪锥柱后方的尾涡存在明显分层现象,侧面撞击状态相对于其他两种状态能提供更大的脉动升力系数.本文研究结果可为风力俘能结构列阵的布局提供理论支持.

摘要： 桥墩的局部冲刷导致河床形态变化和桥墩基础埋深减小是桥梁水毁的主要原因。在大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)的基础上结合水流运动方程和泥沙运动的动理学理论系统地对桥墩基础处的水流冲刷问题进行全时段全方位的三维数值模拟。得到了桥墩基础处的湍流流场流线图及河床形态变化的高程图。重点研究了水流流速和河床颗粒中值粒径对桥墩周边局部冲刷的影响。结果表明:冲刷坑的深度随着初始流速的增大而增加,且冲刷坑形成速度加快;冲刷坑的深度随着河床颗粒中值粒径的减小而增大,但是当颗粒的中值粒径小到一定程度时,由于泥沙颗粒之间的黏聚力增大导致冲刷坑的深度反而减小。

摘要： 雾滴大小和风速是影响喷雾降温效果的重要因素。采用大涡模拟-离散相数值模型,研究喷嘴数量和风速变化时仓面索特直径的分布规律,以及风速对仓面雨强分布的影响。研究表明,喷嘴数量增加将增加中等直径雾滴的占比;随着风速增大,落在混凝上仓面上的雾滴索特直径逐渐变大,但集中性变小;仓面降雨强度随风速增加峰值变小,出现峰值位置向风速下风向移动。研究结果为混凝土仓面喷雾传热过程的数值模拟奠定基础。

摘要： 矩形水舌表面的初次破碎过程是挑流雾化第一雾源形成的关键过程,故矩形水舌表面的初次破碎机理是一个重要的科学问题。在入口边界使用涡流边界法设置随机点涡阵作为随机扰动条件,采用大涡模拟方法对高速矩形水舌进行数值模拟,并应用VOF-to-DPM模型,实现将连续相的液滴转换成离散相的液滴。研究表明,其破碎分为三个主要过程。上表面的两条直角边发生挤压变形,先呈锯齿状,后呈丝状,最后断裂破碎为液滴。这些液滴主要分布在射流上表面,并且随着速度增大,粒径分布更加集中。

摘要： 为了研究黄河干流与支流交汇河段水质演变趋势,从水环境系统变化规律出发,以黄河小北干流与汾河入黄河交汇河段为研究区域,建立实尺度三维大涡模拟模型,实现高精度污染物传输模拟。结果表明:汾河入黄河干流交汇口横断面流速不均匀系数大,水流流速分布不均,紊动能最大值为0.036 m^(2)/s^(2),汇合口下游左岸形成了较大范围的低流速区,引起污染物滞留;受地形影响,在汾河入黄后污染物在汾河入黄口下游形成约11 km长的污染带;计算区域河段宽深比大,污染物垂向混合扩散效应极小,扩散过程以二维为主,污染物横向扩散梯度与水体紊动能分布显著相关。

摘要： 为了预测航空发动机喷流噪声远场声压级,满足未来的航空器噪声适航要求,采用计算流体力学(CFD)和计算航空声学(CAA)混合数值算法,对安装Chevron型锯齿的喷管进行气动噪声仿真计算。使用大涡模拟(LES)计算喷管的瞬态喷流流场。在流场计算的基础上使用Ligthill声类比进行声源提取,结合有限元/无限元方法对喷流噪声近场/远场的辐射特性进行仿真计算及分析,并将喷流噪声的数值仿真结果与实验值进行对比验证。数值仿真结果表明,混合数值计算方法的计算结果与实验所测远场声压级基本吻合,可以用于喷流噪声的预测。

摘要： 随着地铁列车速度提升至160 km/h,隧道环境下地铁列车表面气动激励显著增强。应用大涡模拟对隧道内160 km/h地铁列车脉动流场结构和表面气动噪声源进行数值仿真,定量评估全封闭设备舱设计对地铁列车气动声学性能的优化效果。结果表明:全封闭设备舱设计能够疏导车底气流,使车底气流更多集中在转向架舱两侧溢出,同时引起车下主要涡结构尺度增大。对应的,列车整车车体气动噪声源能量减小约2.9%;其中头车、中车1分别增大5.7%和9.4%,中车2和尾车分别减小4.2%和13.8%,各节车体声源能量分布更加均匀;列车高频声源能量减小,整车800 Hz峰值频谱能量减小约4.0%。研究成果将为160 km/h地铁列车气动降噪设计提供参考。

摘要： 为研究高雷诺数Re=19000下宽高比临界值R=0.62时矩形柱流场及气动特性,基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamic,CFD)方法,采用基于动态亚格子模型的大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)对均匀来流下绕流情况进行仿真计算。首先进行网格无关性验证,并针对基于时间积分的平均积分分量对比,验证了计算准确性;接着分析了矩形柱表面压力系数分布,及中心线速度分布,并在此基础上分析其气动特性;然后对柱体后不同位置速度及其脉动值分布进行尾流场特性分析;同时,还针对LES模型的二维和三维结果,进行对比分析,说明其在气动力和流场特性间的差异,并为工程应用和计算提供意见和参考。

摘要： 针对大方坯连铸结晶器内的流动和卷渣行为进行了三维数值模拟仿真,应用大涡模拟模型模拟湍流、应用VOF模型模拟渣相‒钢液和空气‒渣相‒钢液的多相流.研究对比了钢液单相流动、渣相‒钢液两相流动和空气‒渣相‒钢液三相流动3种模型下结晶器内的流动、钢‒渣界面液位形状和波动及卷渣行为,并通过工业用计算机断层成像技术(工业CT)检测了连铸坯中大颗粒卷渣类夹杂物数量随着电磁搅拌电流强度的变化.结果表明,在150 A、2 Hz结晶器电磁搅拌下,3种模型得到的结晶器内钢液流场差别较小,但在钢‒渣界面处差别较大.钢液单相模型下钢液表面流动速度比其他两种模型钢‒渣界面处的速度更大.渣相‒钢液两相模型和空气‒渣相‒钢液三相模型的卷渣速率分别为0.00118和0.00040 kg∙s^(−1).渣相‒钢液两相模型条件下,由于上表面即渣的顶面不能弯曲,所以钢‒渣界面处的湍动能没有得到耗散,所以比三相模型的湍动能更大,因此其预测的卷渣速率偏大.当搅拌电流强度增大到300 A,渣相‒钢液两相模型和空气‒渣相‒钢液三相模型的卷渣速率分别为150 A条件下的5倍和15倍;当电流频率增大到4 Hz,渣相‒钢液两相模型的卷渣速率变化很小,空气‒渣相‒钢液三相模型的卷渣速率降低为2 Hz条件下的1/3.因此,为了正确的模拟和预测结晶器钢‒渣界面处的卷渣行为,必须使用空气‒渣相‒钢液三相瞬态模型进行模拟仿真.

摘要： 随着高速列车运行速度的不断提高,受电弓气动噪声也愈加严重。针对这一问题,文中采用LES大涡模拟、边界层噪声源模型和FW-H声类比法,通过建立某型号受电弓局部1∶1气动噪声分析模型进行数值模拟。文中研究了受电弓各部位的气动噪声贡献量,还探究了针对较大噪声位置空腔采用射流降噪方法的降噪效果。结果表明,当网格总数为4323万个时,数值模拟精确度满足要求。受电弓空腔上游和空腔中部绝缘子是气动噪声的主要来源。在射流降噪前后,空腔内部气动噪声均为宽频带噪声,主要能量集中在0~4500 Hz。对250 km·h^(-1)行驶速度下的空腔进行主动射流降噪,距列车25 m远处的垂向监测点声压级最小值为81.65 dB,比降噪前降低了2.64 dB。

摘要： 气溶胶红外隐身技术是抑制飞行器排气喷管强红外辐射的有效技术措施,其作用效果与气溶胶颗粒分布形态密切相关.本文设计了地面状态气溶胶颗粒投射的仿真环境,采用大涡模拟和颗粒离散相模型对含气溶胶颗粒的飞行器排气喷管尾部气固两相剪切流进行数值模拟研究.研究发现:气溶胶颗粒群在进入剪切流的初始阶段沿喷射方向保持惯性;在发展段颗粒开始被高速剪切流卷携,颗粒群在流场中扩散;在掺混和完全弥散段,颗粒扩散明显,基本呈现对称分布,颗粒层厚度迅速增大,且内层颗粒温度高于外层颗粒温度;颗粒直径的大小直接影响颗粒的分布特性,当减小颗粒尺寸时,尾焰尾部的颗粒浓度和颗粒分布范围明显增大,且外层颗粒中保持冷态的颗粒数增多,能够对尾焰形成"厚且冷"的包裹,有利于提升气溶胶红外辐射抑制效果.

摘要： 亚格子模型对大涡模拟结果影响很大.本文采用非线性结构模型和Smagorinsky模型对高温蒸发喷雾在两个网格尺寸下进行模拟.以喷雾的气态、液态贯穿距离为定量判断标准,以喷雾形态的定性对比,判断不同模型在喷雾模拟中的准确性和网格依赖性.非线性结构模型在细网格情况下模拟结果和实验值准确吻合,在粗网格情况下能大致反应喷雾趋势.Smagorinsky模型在细网格下能较好反映喷雾趋势,但在粗网格下不能得到可靠的结果.本文还对柴油的物理性质进行重新定义,使之与实际市场上常见的柴油更接近.

摘要： 利用大涡模拟(LES)高精度流场计算方法对大型外浮顶罐的风压特性进行了分析.首先,采用ANSYS ICEM CFD软件建立了外浮顶罐流场模型,进行了结构化网格剖分,通过Fluent软件LES求解器对外浮顶罐非定常绕流流场进行了计算.然后,基于已有实验数据,验证了计算结果的准确性,分析了SM、DSM、WALE和WMLES四种滤波模型对LES计算结果的影响.最后,研究了风速、罐内液位对10×104m3大型外浮顶罐绕流流场及罐壁风压的影响规律.计算结果表明:(1)采用LES方法可以较好描述外浮顸罐绕流旋涡结构,准确计算罐壁风压;(2)与其他滤波模型相比,DSM模型更加适合外浮顶罐风压计算;(3)风速和罐内液位对外浮顸罐绕流流场旋涡结构和罐壁风压有较大影响.本文所提出的数值解法、所得分析结果对于大型外浮硕罐的抗风设计具有一定应用价值.

摘要： 圆柱型结构是实际工程中常见的一种结构形式,如桥梁拉索、烟囱、冷却塔、近海工程结构和海洋输油立管等.圆柱绕流场涉及流动分离、旋涡生成与脱落,诱发结构产生振动.涡激振动不仅表现为对结构的长期疲劳损耗,严重时能产生共振效应使结构瞬间毁坏.Chen提出采用开孔套环方法抑制圆柱尾流的方法,本文在此方法研究的基础上,采用大涡模拟方法重点研究各开孔参数对圆柱尾流控制效果的影响规律.首先通过CFD数值模拟分析Re=3900的圆柱绕流场,并与试验进行对比确定网格模型方案;然后通过考虑开孔方向、开孔角度和开孔高度三种因素,研究被动吹气控制套环对圆柱气动力的影响规律;最后对比圆柱气动力系数脉动值的变化程度,找到最优的抑制圆柱振荡尾流的开孔套环方案.

摘要： 多圆柱结构在实际工程中有广泛应用,圆柱之间存在气动干扰现象,并可能引发尾流激振.与风洞试验相比,数值模拟方法更利于研究多圆柱风致振动的流固耦合机理.对于串列双圆柱的尾流激振问题,尚未见到雷诺数在10000以上的大涡模拟研究.本文采用大涡模拟方法,在雷诺数为10000～40000之间对串列双圆柱尾流致涡激振动现象进行了研究,分析了下游圆柱的动力响应、流场特性以及气动力之间的耦合关系,探讨了尾流致涡激振动的发生机理.

摘要： 目前,已有不少学者对城市小区风环境的阻力问题进行了探索,如2006年,张楠利用多孔介质模型模拟了长沙江滨区风环境,但其模型的孔隙率和压降选取主观因素较大,没有在水平和高度方向体现出差异,使得模拟结果与实际情况相比存在较大的偏差.Coceal等将城市冠层阻力模型用曳力等效,通过添加源项的方法将阻力模型加到动量方程中去,但该方法中阻力系数的近地面分布情况并没得到较好的处理.目前对实际城市小区数值模拟过程中阻力系数往往等效成一平均值,没有在高度方向体现出差异.因此,本文在考虑平均动能、湍动能、亚格子湍动能和耗散率等因素后,对建筑群沿高度方向的阻力系数进行修正,并将修正后的阻力模型通过自编程序的方法赋给了大涡模拟的控制方程,最后将数值模拟结果与现场实测数据进行了对比.

摘要： 为了优化鱼道设计,提高鱼道过鱼成功率,利用大涡模拟对突扩明渠中的分离流进行了数值模拟,探讨了突扩明渠流场的瞬时和时均特性,结合鱼类游泳试验资料,进一步分析讨论突扩明渠水流对鱼类游泳行为的影响.结果表明,建立的三维模型成功地模拟了突扩明渠水流运动,瞬态流和时均流在流场结构方面具有较大差异;随着流速增加,相同体长的鱼类在回流区的停留时间在增加.此而随着流速越大或者体长减小,增加趋势在变缓.

摘要： 采用基于OpenFOAM开源类库开发的ALMwindFarmFoam求解器,结合致动线模型与大涡模拟方法对动态入流下NREL5MW风机的气动特性进行数值模拟,研究在改进的转矩控制和PI变桨控制作用下,风力机的转速、转矩、输出功率及叶片气动载荷对动态变化入流风速的响应特性,并通过与未施加控制风力机输出结果的对比,探究控制系统对风力机运行的影响.数值模拟结果表明:控制系统作用下,风轮转速、气动转矩和输出功率均能较好地达到设定的运转水平,但在风速增加至额定风速的过程中,上述参数的响应存在一定的迟滞;此外,风轮叶片所受气动载荷也由于控制系统的调节明显降低.

摘要： 层流分离现象是翼型低雷诺数条件下出现的典型流场特征,层流分离流动的形成与演化会对翼型气动性能产生恶化作用.采用大涡模拟方法对低雷诺数范围内不同雷诺数下的翼型层流分离流动开展精细数值模拟,研究了雷诺数对翼型气动特性的影响规律及作用机理.大涡模拟方法采用隐式亚格子模型,基于结构化拼接网格,对流项离散和时间推进方法分别采用基于原始变量WENO插值的AUSM+格式以及双时间步方法.验证算例计算结果对比验证了数值模拟方法的正确性及可靠性.数值模拟研究发现,雷诺数对翼型气动特性具有显著影响.随雷诺数降低,时均分离泡外形增大、位置后移,平均阻力系数增大,特别是在较低雷诺数下,翼型升阻力系数随时间出现振荡现象.进一步研究表明,造成不同时均分离泡形态和气动特性的原因在于翼型上表面分离剪切层的失稳与转捩特征.随雷诺数降低,流动黏性增大,导致分离剪切层速度梯度减小,流动发生转捩及再附位置后移,直至翼型表面不再发生转捩和再附.

摘要： 帆翼空气动力性能研究的主要方法有数值模拟和实验研究,数值模拟方法在帆船帆翼空气动力性能预报方面取得了巨大的成功,并被用来指导帆船帆翼的空气动力性能优化设计和帆船运动员参加比赛.本文对三种常用数值模拟方法进行介绍,并对国内外帆翼空气动力性能研究进展进行综述,分析三种数值模拟方法的优缺点,旨在找到更加经济、快速、精确的数值模拟方法.

摘要： 本发明公开了一种充分发展湍流条件下的大涡模拟计算速度边界条件生成方法，1、向流体计算区域速度边界平面外拉伸网格，得到用于生成速度入口条件的新的流体计算区域；2、改变新计算域周向的几何平整度，促进湍流脉动的生成；3、完成新流体计算区域的空间离散化，网格要求拉伸区域端面上的网格与原始速度入口平面上的网格完全相同；4、将拉伸区域的端面设置为新速度入口，原始的速度入口平面设置为流体内部面，用于监测区域内的流型状况；5、在流体内部面处提取监测的速度分布，按固定频率将监测速度反馈至速度端面，实时更新速度边界值；本发明不引入额外的计算模型，实现过程简单易行，难度较低。

摘要： 一种采用亚滤波尺度模型对公路隧道湍流进行大涡模拟的方法，通过建立修正函数D，对公路隧道壁面附近的涡粘系数υτ进行修正；本发明的采用亚滤波尺度模型对公路隧道湍流进行大涡模拟的方法应用后，模型在壁面附近处的耗散量大幅提高，使壁面附近小尺寸涡的耗散得到平衡，于是改进后平均流速度剖面与DNS的结果符合较好。

摘要： 本发明提供一种基于VOF模型结合LBM‑LES大涡模拟的喷水推进舰船喷口尾迹数值模拟方法，包括以下步骤：S1、应用UG软件建立喷水推进舰船实体三维模型；根据喷水推进舰船喷口结构和参数，基于VOF两相流模型结合LBM‑LES大涡模拟方法建立喷口尾迹数值模拟计算域；S2、对喷口所在区域进行划分和网格加密；S3、定义包含大气、水体的模型为计算域，定义材料及相、设置相见相互作用、设置边界条件后，追踪两相流界面；S4、将VOF两相流模型结合LBM‑LES大涡模拟，对流场使用滤波函数，将独立的变量分解为大尺度的可解分量和亚格子尺度量；设置收敛标准、计算时间步长、设定计算总时长，利用PISO算法进行数值模拟；S5、监测物理量，输出尾迹运动特征的模拟结果。

摘要： 可压缩湍流燃烧大涡模拟中滤波压力计算方法及系统，针对流动燃烧过程建立进行大涡模拟的多组分理想气体模型，初始化气体模型所在区域的网格和粒子，获取每个网格的滤波密度、滤波温度、多组分气体的组分数目、各组分的滤波质量分数以及粒子位置、粒子温度、粒子质量分数；基于各网格的滤波密度、滤波温度、多组分气体的组分数目以及各组分的滤波质量分数，计算大涡模拟可解压力；基于各网格的滤波密度和当前网格中粒子本身的温度、粒子质量分数，计算粒子可解压力和粒子平均压力。本发明基于大涡模拟可解压力，粒子平均压力和粒子可解压力之间的关系得到大涡模拟中滤波压力，本发明可以有效改善数值计算的鲁棒性，当燃烧释热较强时仍保持较高准确度。

摘要： 本发明是一种基于准动态的亚格子动能方程模型的大涡模拟方法，包括如下步骤：步骤1、推导亚格子动能的输运方程，并使用无限展开关系式对能流进行建模，得到能流关系式；步骤2、将涡粘模型代入能流关系式后，得到涡粘模型所计算得到的能流，使涡粘模型计算得到的能流与建模得到的能流的真实值相等，动态获得涡粘模型的系数；并展开亚格子应力的各项同性部分，基于亚格子动能与亚格子应力的各项同性部分的关系，得到能流关系式中的未知系数；步骤3、计算得到动态亚格子热流以及亚格子组分通量项的系数；步骤4、基于无限展开将亚格子动能输运方程中的未封闭项进行建模，使得整个方程组封闭。

摘要： 本发明涉及一种基于大涡模拟的流体机械叶片优化设计方法，首先，采用建立性能目标函数与设计变量的隐式关系最优命题的流体机械叶片优化设计方法，结合流体机械的特点，通过控制最优性能目标，优化设计相匹配的叶片，然后，通过Bezier曲线参数化初始叶片，确定设计变量，在约束空间利用均匀设计方法形成叶片的样本数据库，利用流体数值模拟方法计算得到每个样本叶片对应的目标函数；从并行神经网络出发，建立设计变量和目标函数的隐式关系式或计算模型；最后，在满足约束条件下，利用全局寻优方法—小生境遗传算法，进行迭代计算，最终得到性能最优的流体机械叶片。优化后的叶片叶型的气动阻力比初始叶片叶型减小3.5％，升阻比则增加了8.6％。

摘要： 本发明提供了一种基于大涡模拟在竖向脉动风荷载作用下的膜结构抗风优化方法，在UG中建立模型并导入ICEM中进行网格划分；设置结构模型参数；设置边界条件；将大涡模拟模型数据与RNGk‑ε模型对比，验证大涡模拟的正确性及精确性，利用大涡模拟方法研究不同风速、不同膜结构模型在竖向脉动风荷载作用下脉动风压分布特性规律，针对鞍形膜结构和拱形膜结构进行优化分析研究，进而进行膜结构抗风设计。本发明考虑流固耦合作用基于大涡模拟方法，对于膜结构在竖向脉动风荷载作用下的脉动风压特性进行研究，对于鞍形和拱形膜结构进行优化研究，对于完善膜结构的抗风设计理论有着重要的意义，并为膜结构建筑在实际工程中的抗风设计及优化设计提供了依据。

摘要： 本发明公开了一种基于物质平均大涡模拟的离心泵水力性能测量方法。建立三项亚格子应力模型；利用三项亚格子应力模型，通过数值模拟得出离心泵内流场全流量工况下预测的性能参数；根据预测的性能参数处理获得离心泵的扬程和水力效率。本发明建立了新的动态亚格子应力模型应用于离心泵内部流动计算中，实现了更准确的离心泵水力性能预测和测量。

摘要： 本发明公开了一种基于神经网络模型的湍流燃烧大涡模拟方法，首先利用化学反应机理对湍流燃烧场进行二维直接数值模拟(DNS)，然后对二维DNS结果进行过滤，得到不同滤波尺度下的湍流燃烧场，训练神经网络根据输入量(滤波后的组分质量分数、温度、混合分数亚格子方差、进度变量亚格子方差)直接输出滤波后的组分质量分数源项和温度源项，通过将训练好的神经网络模型与计算流体力学程序耦合，开展实际湍流燃烧场的三维大涡模拟计算，本发明可以实现大涡模拟中燃烧化学反应的高效高精度求解。

摘要： 本发明公开了一种基于大涡模拟的水工钢闸门流激振动分析方法，根据水工钢闸门结构特点，建立了前后流道的水体有限元模型和钢闸门固体有限元模型，基于ADINA有限元分析软件，对前后流道的水体有限元模型和钢闸门固体有限元模型先后进行了流体力学计算和固体力学计算，并从定性和定量的角度对水工钢闸门结构安全进行整体评价。本发明针对目前水工钢闸门流激振动计算分析中存在的问题，提出了一种基于大涡模拟的数值模拟分析方法，该方法不仅能捕捉高速水流下小尺度涡的脱落，还能有效解决物理模型试验相似比尺难确定以及造价昂贵等缺点，可为水工钢闸门的设计和运行提供相应的依据和参考。