可压缩湍流化学反应流的数值模拟研究
流体流动数值模拟
流体流动数值模拟流体流动现象普遍存在于⾃然界及多种⼯程领域中。
所有这些流动过程都遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒和组分守恒等基本物理定律；⽽且流动若处于湍流状态，则该流动系统还要遵守附加的湍流输运⽅程。
本讲座将依据流体运动的特性阐述计算流体动⼒学的相关基础知识及任务；在流体运动所遵循的守恒定律及其数学描述的基础上，介绍数值求解这些基本⽅程的思想及其求解过程。
第⼀节计算流体动⼒学概述计算流体动⼒学（CFD）技术⽤于流体机械部流动分析及其性能预测，具有成本低，效率⾼，⽅便、快捷⽤时少等优点。
近年来随着计算流体⼒学和计算流体动⼒学及计算机技术的发展, CFD技术已成为解决各种流体运动和传热，以及场问题的强有⼒、有效的⼯具，⼴泛应⽤于⽔利、⽔电，航运，海洋，冶⾦，化⼯，建筑，环境，航空航天及流体机械与流体⼯程等科学领域。
利⽤数值计算模拟的⽅法对流体机械的部流动进⾏全三维整机流场模拟，进⽽进⾏性能预测的⽅法越来越⼴泛地被从事流体机械及产品性能取决于各种场特性的设计、科研等科技⼈员所使⽤；过去只有通过实验才能获得的某些结果或结论，现在完全可借助CFD模拟的⼿段来准确地获取。
这不仅既可以节省实验资源,还可以显⽰从实验中不能得到的许多场特性的细节信息。
⼀、什么是计算流体动⼒学计算流体动⼒学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是通过计算机数值计算和图像显⽰，对包含流体流动和有热传导等相关物理现象的系统所做的分析。
CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理场（如速度场和压⼒场，以及热⼒场等），⽤⼀系列有限个离散点上变量值的集合来代替；并通过⼀定的原则和规律建⽴起关于这些离散点上的场变量之间关系，从⽽组成这些场变量之间关系的代数⽅程组；然后求解这种代数⽅程组，来获得这些场变量的近似值[1-3]；这就是流动的数值计算。
或者直观地说，通过数值计算中的各种离散⽅法，把描述连续流体运动的控制偏微分⽅程离散成代数⽅程组，由此建⽴该流动的数值模型；再根据问题的具体情况，设定边界条件和初始条件封闭⽅程组；然后通过计算机数值计算求解这种代数⽅程组，从⽽获得描述该流场场变量的某些运动参数的数值解。
(完整word版)湍流模型理论
湍流模型理论§3.1 引言自然界中的实际流动绝大部分是三维的湍流流动，如河流,血液流动等。
湍流是流体粘性运动最复杂的形式，湍流流动的核心特征是其在物理上近乎于无穷多的尺度和数学上强烈的非线性，这使得人们无论是通过理论分析、实验研究还是计算机模拟来彻底认识湍流都非常困难。
回顾计算流体力学的发展,特别是活跃的80年代，不仅提出和发展了一大批高精度、高分辨率的计算格式,从主控方程看相当成功地解决了Euler方程的数值模拟,可以说Euler方程数值模拟方法的精度已接近于它有效使用范围的极限；同时还发展了一大批有效的网格生成技术及相应的软件，具体实现了工程计算所需要的复杂外形的计算网格；且随着计算机的发展，无论从计算时间还是从计算费用考虑，Euler方程都已能适用于各种实践所需。
在此基础上，80年代还进行了求解可压缩雷诺平均方程及其三维定态粘流流动的模拟。
90年代又开始一个非定常粘流流场模拟的新局面，这里所说的粘流流场具有高雷诺数、非定常、不稳定、剧烈分离流动的特点，显然需要继续探求更高精度的计算方法和更实用可靠的网格生成技术.但更为重要的关键性的决策将是，研究湍流机理,建立相应的模式，并进行适当的模拟仍是解决湍流问题的重要途径。
要反映湍流流场的真实情况,目前数值模拟主要有三种方法：1。
平均N-S方程的求解，2。
大涡模拟（LES），3。
直接数值模拟（DNS)。
但是由于叶轮机械内部结构的复杂性以及目前计算机运算速度较慢，大涡模拟和直接数值模拟还很少用于叶轮机械内部湍流场的计算,更多的是通过求解平均N-S方程来进行数值模拟。
因为平均N-S方程的不封闭性，人们引入了湍流模型来封闭方程组,所以模拟结果的好坏很大程度上取决于湍流模型的准确度。
自70年代以来，湍流模型的研究发展迅速，建立了一系列的零方程、一方程、两方程模型和二阶矩模型，已经能够十分成功的模拟边界层和剪切层流动。
但是,对于复杂的工业流动，比如航空发动机中的压气机动静叶相互干扰问题，大曲率绕流，激波与边界层相互干扰，流动分离，高速旋转以及其他一些原因，常常会改变湍流的结构，使那些能够预测简单流动的湍流模型失效，所以完善现有湍流模型和寻找新的湍流模型在实际工作中显得尤为重要。
高精度差分格式及湍流数值模拟(三)
~m; (~10m)
最小尺度涡： 微米量级； 中小尺度涡： 0.1mm~ 1mm量级
直接数值模拟： 分辨出最小尺度涡； 网格量极为巨大： 计算量、存储量大
对高性能计算需求强烈
二、 高精度CFD软件 OpenCFD
OpenCFD: 作者开发的一套高精度、开放的CFD程序
1） OpenCFD-SC : 高精度差分 2） OpenCFD-EC: 有限体积 3） OpenCFD-Comb: 化学反应计算
computational region
200
z 300
outflow boundary
buffer region
400
500
示例2：有攻角小头钝锥边界层转捩的DNS
3） 计算结果验证
a.不同网格之间的比较 （网格收敛性） b. 不同扰动形式的结果比较 （模型正确性） d. 与Horvath静风洞实验比较 （与实验结果比较） c. 与 eN方法比较 （与理论结果比较） e. 与Stenson实验比较 （与实验结果比较）
面向工程计算开放的CFD代码(Open CFD code for Engineering Computing)
算法： 多块结构网格有限体积 + RANS 特点： 适用于复杂外形工程计算
差分-有限体积混合方法
3） 高精度化学反应模拟程序—— OpenCFD-Comb
面向化学反应的开放CFD程序： An OpenCFD code for Combustion
高精度差分格式及 湍流数值模拟 （三）
Part 3 可压缩湍流DNS
1. 背景 2. OpenCFD软件简介 3. 典型可压缩湍流的直接数值模拟示例 4. 湍流模型的评估及改进 5. 湍流燃烧的DNS 6. 小结
可压缩平板湍流边界层拟序结构的直接数值模拟
・３ ・
可 压 缩 平 板 湍 流 边 界层 拟序 结构 的直 接 数 值 模 拟
Ａ Ｄｉ ｒ ｅ ｃ ｔ Ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ Ｃｏ ｍｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｂ ｌ ｅ Ｆｌ ａ ｔ － Ｐｌ ａ ｔ ｅ Ｔｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｔ Ｂｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｒ ｙ Ｌａ ｙ ｅ ｒ Ｃｏ ｈ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ
着上抛和 下扫现 象， 这是壁湍能生成和耗散 的关键 。
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ａ Ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｎ ｕ ｍｅ ｉ ｒ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｓ ｐ ａ ｔ ｉ ａ ｌ ｌ ｙ ｅ ｖ ｏ ｌ ｖ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｂ ｌ ｅ ｆ ｌ ａ ｔ — ｐ ｌ ａ ｔ ｅ ｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｔ ｂ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｒ ｙ ｌ ａ ｙ ｅ ｒ ｗｉ ｔ ｈ ｉ ｎ ｃ ｏ ｍｉ ｎ ｇ Ｍａ ｃ ｈ
ｎ ｕ ｍｂ ｅ ｒ（ Ｍ∞） ｏ ｆ ２ ． ２ ５ ｗ ａ ｓ ｐ ｅ ｆ ｒ ｏ ｒ ｍ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ． Ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｈ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｓ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｗ － ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｓ ｔ ｉ ｒ ｐ ａ ｐ ｐ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ
ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｄ ｉ ｓ ｓ ｉ ｐ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ．
湍流的几种数值模拟方法
LES特点
抓大不放小 非常有利，有力的工具 是最近,可预见未来流体 力学研究和应用的热点 近来又出现了VLES, DES等在LES上发展而 来的工具
Will RANS survive LES? Hanjalic自问自答
会。Journal of Fluids Engineering -V127, 5, pp. 831-839 (Will RANS
Prandtl(1925)混合长度模型
也被称作零方程模型 还在被广泛应用 廉价，易收敛 基本在流场比较简单，或者对计算结果 精度要求不高或者流场形状比较复杂的 行业中，比如暖通空调，流体机械等。
Prandtl混合长度模型 缺点
最明显的缺点是:当速度梯度 为零的 时候， 消失， 这与事实不符
Launder and Li(1994), Craft and Launder (1995)
目前有很多学者在继续此方面的工作
Brian E. Launder
本科Imperial College, London 硕博 MIT 实验流体力学 1964-1976 Imperial College 讲师
涡流粘度
Eddy viscosity or turbulent viscosity
二维流场分子粘性力
为描述雷诺应力，Boussinesq 1887 定义了与之相对应的
RANS模型的核心在于给出 的数 学表达式，要求精度高，适用范围广
涡流粘度,
Prandtl 1925 Prandtl 1945 Bradshaw 1968 Kolmogorov, 1942 Hanjalic 1970 Rotta 1951 Chou 1945 Davidov 1961
湍流流动的可压缩性与不可压缩性研究
湍流流动的可压缩性与不可压缩性研究引言湍流是自然界和工程领域中普遍存在的一种现象，具有复杂、非线性和随机的特点。
在流体力学中，湍流流动的研究一直是一个重要的课题。
湍流流动可以分为可压缩性和不可压缩性两种情况，对湍流的可压缩性和不可压缩性研究对于理解和掌握湍流现象具有重要意义。
可压缩性湍流流动的研究可压缩性湍流流动是湍流中存在压力变化的一种情况。
在高速气流和超音速气流中，湍流流动通常是可压缩的。
可压缩性湍流流动的研究对于航空航天工程、气象学和天体物理学等领域具有重要应用价值。
可压缩性湍流流动的特点可压缩性湍流流动具有以下特点：1.压缩性效应：气体在可压缩性湍流流动中经历压力和密度的变化，相比于不可压缩性湍流流动，具有更强的压缩性效应。
2.高速性：可压缩性湍流流动通常发生在高速气流和超音速气流中，流动速度较大。
3.非线性性：可压缩性湍流流动是非线性的，无法用简单的线性模型描述。
4.随机性：可压缩性湍流流动具有随机性，其流动结构在空间和时间上都是不规则和随机的。
可压缩性湍流流动的数值模拟可压缩性湍流流动的数值模拟是研究该领域的重要方法之一。
通过数值模拟，可以对湍流流动的可压缩性进行分析和预测，提供工程设计和科学研究的依据。
数值模拟可压缩性湍流流动的方法主要包括直接数值模拟（DNS）和雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)求解。
DNS方法适用于小尺度和短时间尺度的流动问题，可以提供精确的流场信息，但计算量较大。
RANS方法通过对流场进行时间平均和空间平均，提供了湍流的统计特性信息，计算效率较高。
数值模拟中的湍流模型是可压缩性湍流流动研究的关键。
目前常用的湍流模型有标准k-ε模型、雷诺应力模型和Reynolds-Stress模型等。
这些模型基于不同的假设和参数化方法，对湍流流动进行描述。
可压缩性湍流流动的实验研究除了数值模拟，实验研究也是可压缩性湍流流动研究的重要手段之一。
实验室和风洞中的试验可以模拟可压缩性湍流流动的场景，通过对流场的测量和分析，获取流动的统计特性。
大型客机复杂可压缩流的大涡模拟主要研究方法
大型客机复杂可压缩流的大涡模拟主要研究方法一、大涡模拟基础1. 大涡模拟简介大涡模拟是一种将流场分解成小尺度湍流和大尺度湍流的方法。
在LES中，大尺度结构通过直接数值模拟来求解，而小尺度结构则通过子网格模型（sub-grid model）进行建模。
由于小尺度结构不再需要直接求解，因此可以使用更粗的网格来进行计算，从而减少计算量。
同时，LES还能够提供更加真实的湍流统计数据，如湍流强度、湍流长度等。
2. LES的优点和局限性与其他流体力学方法相比，LES有以下几个优点：（1）能够考虑湍流中的时间和空间尺度差异，提供更加真实的湍流信息；（2）计算结果对于网格的依赖性相对较小，使得计算可以在较粗的网格上进行；（3）LES能够模拟复杂流场，如湍流燃烧、多相流等。
虽然LES具有很多优点，但它也有一些局限性：（1）计算量较大，需要使用高性能计算机进行计算；（2）由于需要建立子网格模型，LES的结果可能受到模型误差的影响；（3）由于直接数值模拟只考虑了大尺度结构，因此对于小尺度结构的预测可能存在误差。
二、大涡模拟在大型客机流场研究中的应用1. 大涡模拟在飞行器气动力学研究中的应用大型客机的外形复杂，流场也非常复杂。
对于这样的流场，传统的计算流体力学方法可能无法准确地预测气动力学行为。
因此，大涡模拟成为研究大型客机流场的一种重要方法。
在大涡模拟中，通过将流场分解成大尺度结构和小尺度结构，可以更加准确地模拟大型客机流场中的湍流现象。
大涡模拟还能够提供更加真实的气动力学数据，如升阻比、气动力矩等。
这些数据对于飞机设计和优化非常重要。
2. 大涡模拟在飞行器噪声研究中的应用随着人们对噪声污染的关注度不断提高，飞机噪声研究也越来越受到关注。
大型客机飞行时产生的噪声主要来自于引擎和机翼表面的湍流。
由于湍流现象非常复杂，传统的计算流体力学方法无法准确地预测噪声的产生和传播。
因此，大涡模拟成为研究飞机噪声的一种重要方法。
通过大涡模拟，可以更加准确地模拟湍流现象，从而预测噪声的产生和传播方式。
湍流的数值模拟方法进展
3 大涡模拟（LES ）湍流大涡数值模拟（LES ）是有别于直接数值模拟和雷诺平均模式的一种数值模拟手段.利用次网格尺度模型模拟小尺度湍流运动对大尺度湍流运动的影响即直接数值模拟大尺度湍流运动, 将N —S 方程在一个小空间域内进行平均（或称之为滤波），以使从流场中去掉小尺度涡，导出大涡所满足的方程。
3。
1 基本思想很多尺度不同的旋涡一起组成了湍流运动平均流动主要取决于大漩涡的流动，大尺度运动则受到小旋涡的影响。
流动中的大涡实现了动量、能量质量、热量的交换，耗散主要是由于小涡作用的。
大旋涡中受到流场形状、阻碍物的影响，,使大漩涡的各向异性更加明显。
然而小漩涡之间各项同性，相互没有太大的区别，所以建立统一的模型比较容易一些.综上所述,大涡模拟将湍流瞬时运动量通过滤波将运动分成小尺度和大尺度.大尺度的运动受到小尺度的运动的影响可以通过应力项（类似于雷诺应力项）来表示，即为亚格子雷诺应力，以建立这种模型的方法来模拟。
而大尺度则是求解运动微分方程而计算出来的，也就是说大涡模拟,要先过滤掉小尺度的脉动,然后再推出小尺度的运动封闭方程以及大尺度的运动控制方程。
3。
2 滤波函数正如上面提到，大涡模拟要先将流动变量分解成小尺度量和大尺度量，我们把这个作用叫做滤波.滤波运算就是在一区域内按照一定的条件对函数进行加权平均，作用是将高波数滤掉，使低波数保留，滤波函数的特征尺度决定了截断波数的最大波长,下面三种滤波函数是最为常用的主要有以下三种：盒式、富氏截断以及高斯滤波函数.不可压常粘性系数的湍流运动控制方程为N-S 方程:j ij i j j i i x S x P x u u t u ∂⋅∂+∂∂-=∂∂+∂∂)2(1γρ式中:S 拉伸率张量，表达式为：2/)//(i j j i ij x u x u S ∂∂+∂∂=；γ分子粘性系数；ρ流体密度。
设将变量i u 分解为方程（11）中i u 和次网格变量(模化变量）'i u ,即'+=i i i u u u ，i u 可以采用Leonard 提出的算式表示为:(11）式中)(x x G '-称为过滤函数，显然G(x)满足x d x u x x G x u i i '''-=⎰+∞∞-)()()(⎰+∞∞-=1)(dx x G3.3 控制方程将过滤函数作用与N —S 方程的各项，得到过滤后的湍流控制方程组:由于无法同时求解出变量i u 和j i u u ,所以将j i u u 分解成i j i j ij u u u u τ=⋅+，ij τ即称为次网格剪切应力张量(亦称为亚格子应力)。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
可压缩湍流化学反应流的数值模拟研究
可压缩湍流化学反应流的数值模拟研究在化学工程领域具有重要
意义，能够帮助工程师和研究人员更好地理解和优化工业过程中的化
学反应流动。
本文将介绍湍流化学反应流的数值模拟研究的基本原理、方法和应用。
在可压缩湍流化学反应流的数值模拟研究中，首先需要建立数学
模型来描述流体运动和化学反应。
通常采用的是基于Navier-Stokes
方程和化学动力学方程的耦合模型。
Navier-Stokes方程描述了流体的运动，包括惯性力、粘性力和压力力等因素；化学动力学方程则描述
了化学物质在流动中的传输和反应。
通过求解这些方程组，可以得到
流体流动和化学反应的详细信息。
数值模拟研究中，对于湍流流动的模拟通常采用雷诺平均N-S方
程（RANS）和大涡模拟（LES）等方法。
RANS方法适用于大规模湍流结构较为简单的情况，而LES方法则能够模拟湍流中的小尺度涡旋，更
适用于复杂流动的模拟。
在化学反应方面，通常采用有限元法或有限
体积法求解化学动力学方程，考虑各种化学反应过程的影响。
可压缩湍流化学反应流的数值模拟研究在石油化工、环境保护、新能源开发等领域具有广泛的应用。
例如，在石油炼制过程中，通过模拟反应流动的变化，可以提高反应器的效率和产率；在环境保护方面，可以模拟大气中的化学反应过程，预测有害物质的扩散和传输；在新能源开发中，可以模拟燃烧过程，优化能源利用效率。
总之，可压缩湍流化学反应流的数值模拟研究是一项复杂而重要的工作，需要综合考虑流体力学、化学动力学和数值方法等多方面知识。
通过不断改进模型和算法，将能够更好地应用于工程实践，推动工业化学反应流动的进步和发展。