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守恒型可压缩一维湍流方法及其在超声速标量混合层中的应用

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航空学报 2021年第S01期42卷 75-88页

作者：陈崇沛梁剑寒关清帝高天运国防科技大学空天科学学院临近空间技术研究所长沙410073 国防科技大学国际关系学院南京210039

一维湍流(ODT)方法是一种能在一维计算域上遵循湍流基本物理规律的湍流建模方法。通过结合确定性和随机性求解方法,能够在一维计算域上准确捕捉到湍流统计规律,且降维建模可显著减小计算量。ODT方法主要被广泛用于不可压湍流和湍流燃烧... 详细信息

一维湍流(ODT)方法是一种能在一维计算域上遵循湍流基本物理规律的湍流建模方法。通过结合确定性和随机性求解方法,能够在一维计算域上准确捕捉到湍流统计规律,且降维建模可显著减小计算量。ODT方法主要被广泛用于不可压湍流和湍流燃烧研究,若要将其拓展用于模拟高速可压缩湍流,需对建模方法进行深度改进。相比于不可压ODT方法,本文基于欧拉参考框架,针对可压缩湍流的特性,将因变量由原始变量改为有利于减小可压缩湍流模拟误差的守恒通量,并加入了组分求解模块。对确定性和随机性求解模块均进行了相应的深度改进,开发出具有标量混合模拟功能的守恒型可压缩ODT方法。在确定性模块中改为求解以守恒通量为变量的一维截断控制方程,在随机性模块中构造一维涡时,将三联映射的作用对象也相应地由原始变量改为守恒通量,并选用了可保证变密度情况下动量守恒的双核变换。通过模拟空间发展超声速平面湍流混合层并将自相似阶段结果与实验结果比对,验证该方法对可压缩剪切湍流场中标量混合的捕捉精度。守恒型可压缩ODT方法模拟得到的速度场和组分场的平均剖面和脉动强度分布与实验结果准确吻合,精度明显优于传统的耦合梯度扩散亚格子模型的大涡模拟方法(***.)以及耦合线性涡(LEM)亚格子模型的大涡模拟方法(LES-LEM),且该方法的降维处理使其在降低计算成本方面具有显著优势。

关键词：一维湍流(ODT) 可压缩湍流数值模拟守恒型混合层标量混合

超声速湍流混合层标量混合特性与混合增强技术研究

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超声速湍流混合层标量混合特性与混合增强技术研究

作者：汪磊国防科学技术大学

学位级别：硕士

本文以双燃烧室超燃冲压发动机(DCR)燃烧室内部富燃燃气与超声速空气来流的混合为研究背景,将具体的工程问题抽象为超声速湍流混合层的物理现象作为研究对象。综合运用了大涡模拟(LES)、纳米粒子平面激光散射技术(NPLS)以及粒子测速技术... 详细信息

本文以双燃烧室超燃冲压发动机(DCR)燃烧室内部富燃燃气与超声速空气来流的混合为研究背景,将具体的工程问题抽象为超声速湍流混合层的物理现象作为研究对象。综合运用了大涡模拟(LES)、纳米粒子平面激光散射技术(NPLS)以及粒子测速技术(PIV),对不同流动参数以及不同尾缘结构的被动混合增强机理开展了研究工作。首先,论文研究了不同流动参数(特征雷诺数、对流马赫数)对超声速混合层动量与标量特性的影响。在研究混合层动量特性时,发现特征雷诺数主要对混合层完全混合段产生促进作用,而对流马赫数的增大则对混合层的整个流场产生促进作用。在标量特性方面,发现混合层的标量也存在自相似性,同时与动量分布的单峰分布形式不同,混合层的标量脉动与标量纵向脉动输运量呈现双峰分布的形式,并且随着流动参数的改变,分布形式逐渐由双峰向单峰过渡。其次,为研究混合层被动混合增强技术,设计了板厚1mm不同齿间距的锯齿形尾缘试验件,并开展了NPLS/PIV实验研究。采用NPLS观测系统获得了不同尾缘流场的精细流动结构,并结合使用图像增强、边缘提取、互相关检测以及分形维数计算的处理方法,研究了混合层的空间与时间发展和演化规律。空间发展方面,观测到了锯齿形尾缘结构不同位置的不同流场结构,并通过不同工况的对比总结出了相应的规律。时间发展方面,则通过互相关技术,计算得到了混合层流场中大尺度结构的速度,大尺度结构整体表现出快运动、慢变化的流动特性。此外,针对在被动混合增强实验中所发现的规律,本文通过三维大涡模拟揭示了锯齿形尾缘混合增强的机理。认为锯齿形尾缘结构能够诱导产生流向涡,在展向呈现出正弦分布的形式,波峰位于齿尖,而波槽则位于齿槽,这与实验中观测到的现象符合的很好。并且齿间距决定了产生流向涡的形式。最后,针对在锯齿形尾缘实验与仿真中发现的被动混合增强机理,设计了一种矩形波瓣形流向涡发生器,研究流向涡对混合层涡演化特性与标量混合特性的作用。研究发现由尾缘结构诱导产生的流向涡,能够将上下两侧的流体卷吸进入涡核,极大的扩大了混合区域,并且由于流向涡的剪切作用,大尺度的涡结构迅速破碎为小尺度的涡结构,增加了两股流体的接触面积,进而增大了标量混合效率。

关键词：超声速混合层大涡模拟 NPLS PIV 标量混合动量混合被动混合增强流向涡

同方学位论文库评论

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雷诺数对超声速标量混合层影响的研究

雷诺数对超声速标量混合层影响的研究

超声速来流横向狭缝喷流标量输运的混合RANS/LES模拟

第九届全国流体力学学术会议

作者：王鹏沈赤兵冯军红汪磊国防科学技术大学航天科学与工程学院

使用LES数值仿真超声速平面混合层,在保证速度比、密度比不变条件下,通过改变入口的总压来实现雷诺数的改变。对比不同雷诺数条件下速度混合层厚度、标量混合层厚度、标量混合率。获得雷诺数对速度混合层、标量混合层、标量混合率的影... 详细信息

使用LES数值仿真超声速平面混合层,在保证速度比、密度比不变条件下,通过改变入口的总压来实现雷诺数的改变。对比不同雷诺数条件下速度混合层厚度、标量混合层厚度、标量混合率。获得雷诺数对速度混合层、标量混合层、标量混合率的影响规律。

关键词：超声速混合层标量混合雷诺数混合率

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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力学季刊 2007年第3期28卷 395-399页

作者：孙明波梁剑寒王振国国防科技大学航天与材料工程学院湖南长沙410073

采用基于时均湍流模型的混合RANS/LES模拟方法对超声速来流狭缝横向喷流标量输运过程进行大涡模拟,控制方程对流项采用五阶精度的WENO格式求解,过滤后的组分方程中的亚格子组分对流通量采用梯度扩散模化。模拟得到了超声速来流狭缝横向... 详细信息

采用基于时均湍流模型的混合RANS/LES模拟方法对超声速来流狭缝横向喷流标量输运过程进行大涡模拟,控制方程对流项采用五阶精度的WENO格式求解,过滤后的组分方程中的亚格子组分对流通量采用梯度扩散模化。模拟得到了超声速来流狭缝横向喷流大尺度涡和组分的演化过程,研究表明喷流具有明显的非定常周期性特点,并且组分随时间的空间分布特征决定于流动的大尺度结构。模拟得到的压力的统计时均结果和实验结果定性一致,但喷流前后的分离区较实验值过大,这表明混合RANS/LES需要进一步改进。

关键词：超声速剪切层标量混合大涡模拟

高雷诺数超声速混合层标量输运与扩散特性研究进展

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国防科技大学学报 2016年第4期38卷 164-173页

作者：沈赤兵石少平冯军红国防科技大学航天科学与工程学院湖南长沙410073 国防科技大学高超声速冲压发动机技术重点实验室湖南长沙410073 国防科技大学训练部湖南长沙410073

围绕超声速混合层标量混合在组合循环发动机中的应用,综述了超声速混合层以及超声速混合层标量混合过程的国内外研究进展,并针对高雷诺数超声速混合层标量输运与扩散特性研究中存在的不足提出解决办法,指出该领域值得深入开展的研究方向。

关键词：组合循环发动机超声速混合层标量混合雷诺数强化混合

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强迫振动下超声速混合层的掺混特性

航空动力学报 2015年第9期30卷 2181-2188页

作者：张冬冬谭建国吕良王前程国防科学技术大学航天科学与工程学院高超声速冲压发动机技术重点实验室长沙410073

利用实验研究与数值仿真相结合的方法,对强迫振动下对流马赫数为0.22的超声速混合层的掺混特性进行了分析,采用动量混合、雷诺应力以及标量混合指标对超声速混合层的掺混效率进行评估.研究结果表明:强迫振动对超声速混合层的掺混特性有... 详细信息

利用实验研究与数值仿真相结合的方法,对强迫振动下对流马赫数为0.22的超声速混合层的掺混特性进行了分析,采用动量混合、雷诺应力以及标量混合指标对超声速混合层的掺混效率进行评估.研究结果表明:强迫振动对超声速混合层的掺混特性有重要影响.与无振动下相比,强迫振动使混合层的失稳位置提前,卷起的展向涡尺度变大,加快上下两层流动的混合.同时,强迫振动下,动量混合和标量混合更加充分.振动频率为4 500Hz时,雷诺应力峰值提高约48%,薄平板后缘下游160mm处,动量厚度增长120%.

关键词：超声速混合层强迫振动掺混特性动量混合雷诺应力标量混合