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气液两相正庚烷射流燃烧的直接数值模拟

工程热物理学报 2022年第8期43卷 2242-2248页

作者：田廷泉王海鸥罗坤樊建人浙江大学能源清洁利用国家重点实验室杭州310027

本文采用直接数值模拟的方法,对常压下的气液两相正庚烷射流火焰进行了研究,低温空气携带正庚烷液滴作为高速射流进入计算区域,正庚烷液滴在热伴随流的作用下蒸发产生燃料蒸汽,与氧气进一步混合发生燃烧。分析了液滴的蒸发和分布特性,... 详细信息

本文采用直接数值模拟的方法,对常压下的气液两相正庚烷射流火焰进行了研究,低温空气携带正庚烷液滴作为高速射流进入计算区域,正庚烷液滴在热伴随流的作用下蒸发产生燃料蒸汽,与氧气进一步混合发生燃烧。分析了液滴的蒸发和分布特性,研究了气液两相燃烧中同时存在的预混和非预混燃烧,引入一种修正的火焰因子来区分预混和非预混燃烧模态,发现在上游区域预混和非预混燃烧同时发生在射流边缘,在下游区域预混和非预混燃烧开始出现在射流中心。预混燃烧的强度在全局上高于非预混燃烧的强度,但其对总热释率的贡献沿流向逐渐降低。

关键词：正庚烷气液两相燃烧直接数值模拟火焰因子

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高焓激波/湍流边界层干扰直接数值模拟

航空学报 2023年第13期44卷 52-67页

作者：刘晓东刘朋欣李辰孙东袁先旭空气动力学国家重点实验室绵阳621000 西昌卫星发射中心西昌615000

激波/湍流边界层干扰是高速飞行器表面常见的一种流动现象。当前高超声速飞行器的飞行马赫数不断提高,在头部激波后的高温环境中空气可能发生离解,出现高焓激波/湍流边界层干扰。相比于完全气体,高焓流动中化学非平衡效应可能与湍流、... 详细信息

激波/湍流边界层干扰是高速飞行器表面常见的一种流动现象。当前高超声速飞行器的飞行马赫数不断提高,在头部激波后的高温环境中空气可能发生离解,出现高焓激波/湍流边界层干扰。相比于完全气体,高焓流动中化学非平衡效应可能与湍流、激波发生强烈的耦合作用,使流动情况变得更加复杂,目前相关研究较少,缺乏对此类流动的深入认识。选取高超声速楔形体头部斜激波后的高焓流动状态开展高焓激波/湍流边界层干扰直接数值模拟,并与相似工况的低焓流动对比,研究高温化学非平衡效应对流动分离的影响机制和组分扩散带来的影响。结果表明:高温化学非平衡效应对雷诺应力分布和湍动能输运过程的影响不明显;对流动分离影响显著,高焓流动的分离区远小于低焓流动,这可能是来流边界层动量增大和分离泡密度增大共同作用造成的。流动分离非定常分析表明高焓工况流动分离状态为瞬变分离,而低焓工况为平均分离;两者回流面积中的能量都以中低频为主,但低焓工况低频能量占比更大。进一步对高焓工况干扰区内的流向速度脉动和O组分质量分数脉动进行特征正交分解分析,发现分离泡变化过程中的能量主要集中在剪切层,这与低焓流动一致;气体组分的能量模态在分离激波处最高,表明激波是引起组分脉动的主要原因。

关键词：高超声速激波/湍流边界层干扰化学非平衡直接数值模拟非定常流动分离

基于“神威·太湖之光”的三维有限长方柱绕流直接数值模拟

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中国舰船研究 2022年第3期17卷 205-212页

作者：张亚英吴乘胜王建春金奕星中国船舶科学研究中心江苏无锡214082

[目的]旨在探索基于国产处理器的异构超算平台在船舶水动力学领域的应用效果。[方法]基于“神威·太湖之光”超级计算机,采用MPI+Athread的编程方法,对雷诺数Re=250的三维有限长方柱绕流进行直接数值模拟,并对模拟结果进行验证与分析。... 详细信息

[目的]旨在探索基于国产处理器的异构超算平台在船舶水动力学领域的应用效果。[方法]基于“神威·太湖之光”超级计算机,采用MPI+Athread的编程方法,对雷诺数Re=250的三维有限长方柱绕流进行直接数值模拟,并对模拟结果进行验证与分析。模拟使用的网格规模最大达到245.76百万(t=600 s,dt=0.001),并行规模最高达到133 120核。[结果]经统计,在133 120核并行规模下245.76百万网格规模计算能够在数天之内完成。模拟结果显示,在三维有限长方柱绕流流动中,方柱各横截面具有同步涡脱的特征;对比不同长径比方柱绕流尾流场,发现长径比为2时的尾流涡系结构呈现出长直状的流向涡二次结构,而大于2时则为反对称卡门涡。[结论]模拟表明,基于“神威·太湖之光”超级计算机的多级并行计算可有效减少小尺度网格下因规模提升所导致的时间成本,在船舶水动力学领域有较好的应用潜力。

关键词：三维有限长方柱绕流直接数值模拟并行计算 “神威·太湖之光”超级计算机

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低雷诺数60°交叉双圆柱直接数值模拟研究

水动力学研究与进展（A辑） 2022年第1期37卷 35-41页

作者：张嶔王杰梁丙臣杨青青唐也婷中国海洋大学工程学院青岛266100 山东省海洋工程重点实验室青岛266100

交叉双圆柱在工程应用中较为广泛。为了解决交叉双圆柱绕流问题,该文应用Open FOAM开源代码对Re=200,不同间隙比G(间隙/直径,G=0.5,1,2和4)条件下60°交叉双圆柱流场进行了直接数值模拟(DNS)研究,得到了两圆柱的时均阻力系数,斯特劳哈尔... 详细信息

交叉双圆柱在工程应用中较为广泛。为了解决交叉双圆柱绕流问题,该文应用Open FOAM开源代码对Re=200,不同间隙比G(间隙/直径,G=0.5,1,2和4)条件下60°交叉双圆柱流场进行了直接数值模拟(DNS)研究,得到了两圆柱的时均阻力系数,斯特劳哈尔数(St)以及间隙附近的流线图、涡量图和Ω涡识别图。研究表明,随着间隙比的增大,两圆柱的整体时均阻力系数值与St值的变化规律相反,时均阻力系数值先减小后增大,St值先增大后减小;分析了两圆柱在间隙附近的局部流态:尾涡(TV,G=0.5和1),项链涡(NV,G=2)和间隙中的涡脱落(SG,G=4);分析了上游圆柱远离间隙处的尾流流态,分别为K流态(G=0.5,1和2)及P流态(G=4),发现G=0.5,1和2时,下游圆柱尾流中存在大量不规则弱涡,G=4时,下游圆柱尾流强涡结构较明显,弱涡减少。

关键词： 60°交叉双圆柱 OpenFOAM 直接数值模拟间隙比尾流流态水动力学参数

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时间演化分形流场的直接数值模拟

浙江大学学报（工学版） 2022年第8期56卷 1606-1621页

作者：石均邱颖宁周毅南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京210094

为了研究分形网格湍流中小尺度结构的运动规律,在具有高分辨率的空间网格中,开展分形流场时间演化的直接数值模拟,并通过模拟具有相同阻塞率的规则流场进行对比研究.通过给流场中注入合适的能量扰动,促使2类流场从层流初始状态向湍流状... 详细信息

为了研究分形网格湍流中小尺度结构的运动规律,在具有高分辨率的空间网格中,开展分形流场时间演化的直接数值模拟,并通过模拟具有相同阻塞率的规则流场进行对比研究.通过给流场中注入合适的能量扰动,促使2类流场从层流初始状态向湍流状态过渡.数值模拟结果表明,与规则流场相比,分形流场受到初始条件影响的持续时间更久,同时在时间演化的初期,分形流场产生的动能更小,但分形流场在衰减期的大尺度运动起到强化湍流的作用,导致其产生的动能更大、湍流强度更高,有利于实现对流场的被动控制.分形流场和规则流场均在截断波数kM≈20时满足能量与耗散水平相等,但有别于能量级串过程中能量传输与耗散的平衡.当流场达到统计均匀后,规则流场衰减符合Saffman湍流特征的规律.

关键词：时间演化分形网格湍流直接数值模拟能量级串湍流控制

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高温化学非平衡湍流边界层直接数值模拟

航空学报 2022年第1期43卷 236-247页

作者：刘朋欣袁先旭孙东傅亚陆李辰中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所绵阳621000

高超声速飞行器在特定工况下飞行时,其表面会存在湍流与化学非平衡耦合作用,但考虑化学反应的高温湍流边界层的研究工作还十分有限。选取高超声速楔形体头部斜激波后的流动状态,分别采用热完全气体模型、空气化学反应模型开展直接数值模... 详细信息

高超声速飞行器在特定工况下飞行时,其表面会存在湍流与化学非平衡耦合作用,但考虑化学反应的高温湍流边界层的研究工作还十分有限。选取高超声速楔形体头部斜激波后的流动状态,分别采用热完全气体模型、空气化学反应模型开展直接数值模拟(DNS)研究,对比分析了化学非平衡效应对湍流统计量、湍流脉动量的影响趋势,并研究了高温湍流边界层标度律。计算结果表明,以吸热离解反应为主的化学非平衡效应会使边界层平均温度和脉动温度显著降低,但对平均速度剖面、速度脉动、雷诺应力的影响较小;在高温化学非平衡湍流边界层的对数区,各流动参数的拓展自相似理论的相对标度指数基本符合标度律。

关键词：高超声速流动高温化学非平衡湍流边界层直接数值模拟标度律

湍流分层燃烧的直接数值模拟和小火焰模型研究

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工程热物理学报 2020年第2期41卷 469-473页

作者：王海鸥罗坤樊建人浙江大学能源清洁利用国家重点实验室

湍流分层燃烧广泛应用于工业燃烧装置,但是目前还比较缺乏适用于湍流分层燃烧的高精度数值模型。本文利用直接数值模拟数据库,对高Karlovitz数分层射流火焰的小火焰模型表现进行了先验性评估。考虑了两种小火焰模型,一种是基于自由传播... 详细信息

湍流分层燃烧广泛应用于工业燃烧装置,但是目前还比较缺乏适用于湍流分层燃烧的高精度数值模型。本文利用直接数值模拟数据库,对高Karlovitz数分层射流火焰的小火焰模型表现进行了先验性评估。考虑了两种小火焰模型,一种是基于自由传播层流预混火焰的小火焰模型M1,另一种是基于分层对冲小火焰的小火焰模型M2。研究发现M1和M2在c-Z空间的结果与直接数值模拟在定性上是一致的。在物理空间,M2对过程变量反应速率脉动值的预测结果要优于M1.

关键词：直接数值模拟小火焰模型分层燃烧湍流燃烧

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湍流分层射流火焰的直接数值模拟

燃烧科学与技术 2022年第6期28卷 673-678页

作者：任嘉豪王海鸥罗坤樊建人浙江大学能源清洁利用国家重点实验室杭州310027

使用直接数值模拟和详细化学反应机理研究了三维甲烷/空气湍流分层射流火焰.火焰呈V形,由稳燃棒进行稳燃.分析了不同流向位置处的火焰分层现象,在上游出现了前支撑火焰,下游出现了后支撑火焰.下游火焰的燃烧强度大于上游火焰的.通过对... 详细信息

使用直接数值模拟和详细化学反应机理研究了三维甲烷/空气湍流分层射流火焰.火焰呈V形,由稳燃棒进行稳燃.分析了不同流向位置处的火焰分层现象,在上游出现了前支撑火焰,下游出现了后支撑火焰.下游火焰的燃烧强度大于上游火焰的.通过对火焰结构的进一步分析,发现前支撑燃烧向后支撑燃烧的转变与H2基团在产物侧的积累有关.同时,后支撑火焰中出现了H2基团的优先输运现象,这增强了预热区的化学反应强度,从而增强了燃烧强度.对火焰位移速度与切向应变率的联合分布的分析表明,较小的切向应变率对应较大的位移速度.与下游相比,上游负火焰位移速度的概率较大,这是由较大的正切向应变率造成的.

关键词：湍流燃烧分层火焰直接数值模拟后支撑燃烧

基于VOSET的黏弹性气液两相湍流直接数值模拟

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工程热物理学报 2019年第4期40卷 821-828页

作者：王艺程哲薛文第宇波中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室/石油工程教育部重点实验室/城市油气输配技术北京市重点实验室北京102249 北京石油化工学院机械工程学院北京102617

本文将相界面追踪高效方法VOSET与黏弹性减阻流体Giesekus本构关系相结合,建立了黏弹性气液两相流动的控制方程.研究发现减阻剂的存在使得计算稳定性相对于无减阻剂情况大幅下降,主要原因为相界面处引入了较大的黏弹性应变梯度,加剧了... 详细信息

本文将相界面追踪高效方法VOSET与黏弹性减阻流体Giesekus本构关系相结合,建立了黏弹性气液两相流动的控制方程.研究发现减阻剂的存在使得计算稳定性相对于无减阻剂情况大幅下降,主要原因为相界面处引入了较大的黏弹性应变梯度,加剧了本构方程求解的不稳定性,使得可计算的顶盖拖动速度限制在1～2 m·s^(-1)的狭小范围内,影响了对黏弹性气液两相湍流特征的研究。通过用光滑的Heaviside函数对相界面附近的黏弹性应变进行插值,有效增强了数值稳定性,将可计算的顶盖拖动速度范围扩展至50 m·s^(-1)。采用改进后的方法在较宽的雷诺数范围进行了直接数值模拟,确认了减阻剂较大地抑制了液相湍流脉动,从而对气液两相湍流流动起到减阻作用,加剂后液相的平均流速增大约37%～86%。

关键词：黏弹性气液两相流湍流 VOSET 直接数值模拟