崔桂香-2013—湍流大涡模拟及应用
可逆转轮单通道流动大涡模拟
可逆转轮单通道流动大涡模拟
徐岚;崔桂香;许春晓;张兆顺;陈乃祥
【期刊名称】《水力发电学报》
【年(卷),期】2007(26)4
【摘要】为准确预测不可压复杂边界的湍流流动,本文应用高精度有限体积法对曲面边界湍流进行了大涡模拟。
空间离散采用有限体四阶紧致格式,时间推进采用四阶Runge-Kutta法,压力-速度耦合应用四阶紧致格式的动量插值,亚格子应力模式采用动态Smagorinsky模式,复杂边界的处理则应用了浸没边界法,成功地实现了弯槽湍流、NACA0012标准翼型绕流流动和可逆式水泵水轮机转轮内单流道流动的大涡模拟计算,所得结果与已有结果或实验结果吻合良好,表明该方法对于湍流大涡模拟方法在流体机械工程领域中的应用和发展具有重要意义。
【总页数】6页(P124-129)
【关键词】水力机械;可逆转轮;大涡模拟;有限体积法;浸没边界
【作者】徐岚;崔桂香;许春晓;张兆顺;陈乃祥
【作者单位】清华大学热能工程系;清华大学工程力学系
【正文语种】中文
【中图分类】TK72;TV131.2
【相关文献】
1.基于大涡模拟尾水管涡带模拟及流动特性研究 [J], 钟林涛
2.基于大涡模拟的抑制孔腔涡旋流动与脉动压力的流动控制方法研究 [J], DENG
Yu-qing;ZHANG Nan
3.混流式转轮中流场的大涡模拟 [J], 张昌兵;杨永全;鞠小明;桂林
4.大涡模拟研究两相燃烧的进展(Ⅱ)复杂气固流动和煤燃烧的大涡模拟(英文) [J], 周力行;胡瓅元
5.可逆转轮三维流动的涡动力学诊断研究 [J], 樊红刚;陈乃祥;杨琳
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大气湍流模拟与方法研究
大气湍流模拟与方法研究大气湍流是指在自然界中，由于空气分子的热运动和流体不均匀性造成的气流乱流现象。
它对于气象学、环境科学等领域具有重要意义。
为了更好地理解和预测大气湍流，科研人员们进行了大量的模拟与方法研究。
本文将介绍大气湍流模拟的方法和相关研究进展。
一、大气湍流模拟方法1. 直接数值模拟（DNS）直接数值模拟是指通过求解流体动力学方程，对湍流进行精确的数值模拟。
这种方法能够提供精确的湍流数据，但由于计算量巨大，目前只适用于小尺度的湍流问题。
2. 大涡模拟（LES）大涡模拟是指模拟并求解大尺度涡旋，而忽略小尺度湍流的准确表示。
它通过将湍流分解成大涡和小涡来减少计算量，更适用于中等和大尺度的湍流研究。
3. 湍流统计模拟（TST）湍流统计模拟是一种基于概率和统计的模拟方法，通过对湍流的统计特性进行建模，推导出湍流的各种物理参量。
虽然它无法提供湍流的详细结构信息，但能够在计算成本较低的情况下估计湍流的平均性质。
二、大气湍流模拟方法的应用1. 大气环流模拟大气环流是指大尺度的大气运动模式，是全球气候变化和天气预报的重要基础。
通过模拟大气环流中的湍流现象，可以更准确地预测天气变化和气候变化趋势。
2. 污染物扩散模拟污染物扩散是大气科学中的重要研究内容。
将湍流模拟方法应用于污染物扩散模拟中，可以帮助科研人员分析城市污染物的来源、传输路径和浓度分布，为环境保护和污染治理提供科学依据。
3. 风能资源评估利用风能发电是一种清洁、可再生的能源利用方式。
通过模拟大气湍流，可以评估风能资源的分布和利用潜力，为风电场选址和设计提供技术支持。
三、大气湍流模拟方法的挑战与展望1. 精度提升当前的大气湍流模拟方法仍然存在精度不高的问题，特别是对于小尺度湍流的模拟。
因此，需要进一步改进模拟算法和数值计算技术，提高模拟结果的准确性。
2. 计算成本降低目前的大气湍流模拟方法需要耗费大量的计算资源和时间。
在提高精度的前提下，需要寻求更高效的计算方法，降低计算成本。
湍流大涡数值模拟进展
第22卷第2期空气动力学学报Vol.22,No.2 2004年06月ACTA AERODYNAMICA SINICA Jun.,2004文章编号:0258-1825(2004)02-0121-09湍流大涡数值模拟进展崔桂香,许春晓,张兆顺(清华大学工程力学系,北京100084)摘要:本文简要陈述湍流大涡数值模拟的原理、优点,着重讨论湍流大涡数值模拟方法的关键问题及其可能解决的途径,包括脉动的过滤、亚格子模型、近壁模型和标量湍流的大涡数值模拟中的特殊问题。
文章强调大涡数值模拟中亚格子应力的本质是可解尺度湍流和不可解尺度湍流动量间的输运,并以作者最近提出的新型亚格子模型说明发展亚格子模型的正确途径。
文章最后提出湍流大涡数值模拟近期需要迫切解决的问题和其他具有挑战性的方向。
关键词:湍流;大涡数值模拟;亚格子模型;近壁模型;标量湍流中图分类号:V211.3文献标识码:A*0引言复杂流动的准确数值预测是当前航空、航天器研究和设计中迫切需要解决的空气动力学前沿问题之一。
随着计算空气动力学方法的不断完善,计算机品质的不断提高,湍流的数值模拟方法成为提高数值预测航天器空气动力特性的瓶颈。
目前,数值预测湍流的方法有:直接数值模拟(DNS),大涡数值模拟(LE S)和雷诺平均模拟(RANS)。
直接数值模拟(DNS)是精确数值模拟湍流的方法,它的主要困难在于湍流是一种不规则多尺度运动,无论在空间上或者时间上湍流都有十分宽广谱。
准确数值模拟湍流既要精确计算大尺度流动;又要足够准确地计算小尺度运动。
在最简单的各向同性湍流中湍流的空间尺度有以下估计:L ma x/l mi n~Re3/4K,同样最大和最小时间尺度之比T max/t min~Re3/4K,它们都和流动的泰勒雷诺数Re K有关。
按照上述估计,空间网格数至少应有:N=N x@N y@N z~Re9/4K,运算量超过Re3K,航空航天器复杂绕流计算的网格数和运算时间远远超过上述估计。
扰动入流对风力机叶片流场及输出功率的影响分析
扰动入流对风力机叶片流场及输出功率的影响分析吴林泉;张立茹;罗坤;王占洋;景坤瑶【摘要】基于漩涡法与实验条件修正入流条件,结合延迟分离涡湍流模型,对水平轴风力机气动特性进行数值模拟.分析风力机压力系数、截面涡量和功率特性,并与均匀入流和实验数据对比.研究表明,修正的扰动入流对风力机叶片叶根处截面压力系数的影响比均匀入流更大,但随翼展方向趋于一致;扰动致使在叶片0.57～0.71 R处产生更大的涡量损失,小于额定尖速比时输出功率更接近实验值.基于漩涡法的风力机气动特性模拟方案,可更有效地应用于风力发电预测研究.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2016(034)012【总页数】6页(P1841-1846)【关键词】水平轴风力机;扰动入流;输出功率;数值模拟【作者】吴林泉;张立茹;罗坤;王占洋;景坤瑶【作者单位】内蒙古工业大学能源与动力工程学院,内蒙古呼和浩特010051;内蒙古工业大学能源与动力工程学院,内蒙古呼和浩特010051;风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室,内蒙古呼和浩特010051;风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室,内蒙古呼和浩特010051;内蒙古工业大学能源与动力工程学院,内蒙古呼和浩特010051;内蒙古工业大学能源与动力工程学院,内蒙古呼和浩特010051【正文语种】中文【中图分类】TK89由于自然界风具有涡动性和不均匀性，形成的扰动入流会对风力机运行工况造成直接的影响。
对风力机气动特性的精确预测是风力机设计和风场选址的关键，因此，研究扰动入流下风力机的气动特性具有重要的现实意义。
2011年，韩中合针对均匀风和剪切风两种入流对1.3 MW风力机进行三维数值模拟，其结果显示，风力机功率值与设计值吻合良好[1]。
2012年，周文平采用时间推进自由尾迹模型的涡尾迹方法理论方式，在对稳态风剪切、极端运行阵风和极端垂直风切变等多种入流风廓线时的风力机流场和气动性能进行计算，得出切变风速能使风力机载荷波动幅值加大的结论 [2]。
气泡在液体中运动过程的数值模拟
气泡在液体中运动过程的数值模拟
卢作伟;崔桂香;张兆顺
【期刊名称】《计算力学学报》
【年(卷),期】1997(014)002
【摘要】本文用数值方法预测气泡在液体中的百定常运动。
运用位标函数进行界面的隐含跟踪并且与有限体积法相结合构成一种可行的计算方法。
本文方法允许在界面处存在很大的物性差，而且较容易将表面张力引入控制方程。
我们对气液两相流中单个气泡的运动进行了计算，得到了与实验结果符合很好的数值结果。
【总页数】9页(P125-133)
【作者】卢作伟;崔桂香;张兆顺
【作者单位】清华大学工程力学系;清华大学工程力学系
【正文语种】中文
【中图分类】O359.1
【相关文献】
1.气泡在外混式自吸泵内运动的简单数值模拟 [J], 李文广
2.气泡在水中上升运动的数值模拟 [J], 朱仁庆;李晏丞;倪永燕;侯玲
3.储气砂中浅层气溢出过程数值模拟研究 [J], 成荣鹏;来向华;韦雁机;胡涛骏;黄潘阳
4.单个气泡在液态金属搅拌流场中运动与变形的数值模拟 [J], 解茂昭;宋会玲;刘红;王德庆
5.气泡在幂律流体中长大过程的有限元数值模拟 [J], 许星明;赵国群;李辉平;秦升学
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某灯泡贯流式水轮机内部湍流的大涡模拟
与实验结果对比
将模拟结果与实验结果进行对比分析 ，验证模拟方法的准确性和可靠性。
性能评估
评估灯泡贯流式水轮机的水力性能， 如能量转换效率、空化性能等，为优 化设计提供依据。
改进建议
根据模拟结果和分析讨论，提出针对 灯泡贯流式水轮机的改进建议和优化 方案。
05
灯泡贯流式水轮机性能优化建议
针对湍流特性的优化措施
效率降低
湍流导致能量损失增加，降低水轮机的效率。
空化性能恶化
湍流可能加剧空化现象，导致水轮机空化性能恶 化。
振动与噪声
湍流引起的压力脉动可能导致水轮机振动和噪声 增加，影响机组稳定运行。
03
大涡模拟方法及应用
大涡模拟基本原理和数学模型
大涡模拟基本原理
大涡模拟（LES）是一种计算流体动力学的方法，通过直接求解大尺度涡旋的运动方程，同时对小尺度涡旋进行 模型化处理，从而实现对湍流的数值模拟。
未来发展趋势将更加注重多物理场耦 合、高精度数值模拟和实验验证等方 面的研究。
随着计算机技术的不断发展和数值模 拟方法的改进，大涡模拟在灯泡贯流 式水轮机内部湍流研究中的应用逐渐 增多。
研究目的和内容
• 研究目的：利用大涡模拟方法对灯泡贯流式水轮机内部湍流 进行深入研究，揭示其流动特性和机理，为优化水轮机设计 和提高性能提供理论支持。
优化转轮叶片形状
通过改进叶片型线，降低水流在叶片表面的 分离和涡旋产生，从而减小湍流强度。
优化导叶开度
合理调整导叶开度，改善水流在转轮入口处的流动 状态，降低湍流对水轮机性能的影响。
采用高效抗空化材料
选用抗空化性能优异的材料制造叶片，降低 空化对水流湍流特性的影响，提高水轮机运 行稳定性。
崔桂香-2013—湍流大涡模拟及应用
研究湍流？
y
2h
<U>
x
z
x: 流向 y: 垂向 z: 展向 :常数
旋转通道湍流与换热
Ro
2 h Re
U
h
U
2009年9月9日( 24 )
利用和控制湍流
湍流换热？ 湍流数值模拟
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流(4)
3、湍流的研究方法—— 统计理论
统计方法给出规则特性
经典的雷诺平均—长时间平均，时间平稳过程 ui Tl imT10Tuidt
标量湍流：湍流场中的温度、密度等标量脉动
被动标量，例如：羽流扩散
主动标量，例如：可压缩流动中的温度脉动和密度脉动； 重力场中有密度梯度的标量输运
以下内容适用范围： （1） Boussinesq 近似条件下的标量湍流，
即，连续方程为 速度场的散度等于零； （2）空间均匀条件下讨论标量湍流的性质。
( 13 )
力学进展—湍流大涡模拟及应用
湍流大涡模拟
及城市大气环境中的应用
® (1)
航院力学系2013年9月7日 崔桂香
力学进展—湍流大涡模拟及应用
提纲
一、走进湍流 （湍流 ？标量湍流？研究方法？） 二、湍流及其标量的大涡模拟 三、大涡模拟应用—城市大气环境 四、大涡模拟进展与展望 五、 思考与创新 六、参考文献
® (2)
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（1）— 认识湍流
(1) 流动 T-L
(2) 边界层T-L
什么是湍流？
流动现象
(3) 垂板 L-T
（4)网格 T
自然界和工程中普遍存在
2009年9月9日( 3 )
燃油喷雾过程的大涡模拟研究
燃油喷雾过程的大涡模拟研究燃油喷雾过程是燃烧系统中的关键环节，对于内燃机、锅炉等设备的性能和排放有着重要影响。
为了优化燃油喷雾过程，提高燃烧效率，减少污染物排放，研究者们不断探索新的理论和实验方法。
大涡模拟作为一种计算流体动力学方法，能够捕捉到流场中的详细信息，为燃油喷雾过程的研究提供了有效手段。
本文旨在通过大涡模拟方法，深入研究燃油喷雾过程的动态特性和涡旋结构，以揭示喷雾过程的内在机制，为优化燃油喷雾系统和改善燃烧质量提供理论支持。
为了获取真实的燃油喷雾数据，本文首先设计了一套能够模拟内燃机燃油喷雾过程的实验装置。
该装置包括燃油供给系统、喷嘴、气缸、火花塞等部件，可以模拟不同工况下的燃油喷雾过程。
实验过程中，采用高速摄像机记录燃油喷雾过程，获取喷雾图像。
同时，通过粒子图像速度场仪（PIV）测量喷雾场的流场数据。
将实验得到的图像和数据进行分析和处理，得到喷雾过程中的各种参数。
通过对高速摄像机拍摄的喷雾图像进行处理和分析，发现燃油喷雾过程中存在着多种形态，包括液滴、液丝和液雾。
这些形态的分布和变化受到喷嘴结构、燃油压力、气缸内气流等多种因素的影响。
利用大涡模拟方法对喷雾场进行模拟，发现燃油喷雾过程中存在着复杂的涡旋结构。
这些涡旋结构对于燃油的扩散和混合有着重要影响，可以促进喷雾的均匀分布和燃烧过程的优化。
通过对涡旋结构的研究，可以深入了解喷雾过程的内在机制。
本文通过实验和大涡模拟方法，深入研究了燃油喷雾过程的动态特性和涡旋结构。
研究发现，喷雾过程中存在着多种形态，包括液滴、液丝和液雾。
这些形态的分布和变化受到多种因素的影响。
燃油喷雾过程中存在着复杂的涡旋结构，这些涡旋结构可以促进喷雾的均匀分布和燃烧过程的优化。
通过对涡旋结构的研究，可以深入了解喷雾过程的内在机制。
展望未来，燃油喷雾过程的大涡模拟研究仍有许多值得探讨的方向。
可以进一步探索不同喷嘴结构和操作参数对燃油喷雾过程的影响，以获得更优化的喷嘴设计。
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标量湍流的结构
平面截面的片状结构 典型的空间等值面
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力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（3）—标量湍流
标量湍流的结构
片状结构产生的机制， 将标量输运方程求梯度得：
ti uj x ij sjij jij x j2 xij
变形率张量对标量梯度的质点导数有贡献，该项贡献可写在变形率主轴方向
sijij s112s222s332
( 19 )
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（3）—标量湍流
标量湍流的结构
—— 片状结构的产生机制（续）
对标量梯度质点导数的主要贡献来自压缩变形，由上页导出的公式
sij i j s11 2s22 2s33 2
i c xi
sij是脉动速度的应变率张量， ij表示脉动速度旋转张量，将上式乘以i, 得
itiuj x iji 2sijij x 2 j ixij2 x ij x ij
注意:脉动涡量对ii的质点导数没有贡献，当分子粘性很小时，主要由脉动的
q kEqk d 12
q ~kEqk12
( 17 )
E qkC B qk 1 12
经典理论
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（3）—标量湍流
2. 脉动标量梯度的片状结构算例 湍流参数：Rel=50, Pr=0.1-3.0, 网格数：256256256
LES (低通过滤) LES方程
RANS（长时间平均） 雷诺平均方程
ui t
uj
ui x j
p 2ui
xi
x jx j
u%i t
u%j xu%ij
p%
xi
2u%i x j x j
%ij ui
xj t
uj
ui x j
p xi
ul0
3/4
Re3/4
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（3）—标量湍流
背景—标量湍流与污染扩散
( 11 )
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（3）—标量湍流
背景 —— 标量湍流与城市大气
热岛效应
( 12 )
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（3）—标量湍流
x,tdt
τ ij = -uiu j
雷诺应力
力学进展—湍流大涡模拟及应用
二、湍流及其标量的大涡模拟
不同层次湍流数值模拟的分辨度比较
以湍动能谱E(k)为例
DNS
LES
RANS
不能分辨所有脉动
分辨所有尺度脉动
没有剩余脉动
只分辨大尺度脉动
不能分辨所有脉动
精确的数值模拟
复杂湍流计算机条件不具备
l l : u 1 5
:
3 1/4
l0 :
ul0
3/4
Re3/4
力学进展—湍流大涡模拟及应用
二、湍流大涡模拟
1、大涡数值模拟方法的基本原理
(1)过滤 包含大尺度的湍流(不规则)
u i x , t u i x , t G x , x d x
® (2)
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（1）— 认识湍流
(1) 流动 T-L
(2) 边界层T-L
什么是湍流？
流动现象
(3) 垂板 L-T
（4)网格 T
自然界和工程中普遍存在
2009年9月9日( 3 )
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（1）
自
—认识湍流
然
界
(5）扩散 T-L
和
工
标量湍流：湍流场中的温度、密度等标量脉动
被动标量，例如：羽流扩散
主动标量，例如：可压缩流动中的温度脉动和密度脉动； 重力场中有密度梯度的标量输运
以下内容适用范围： （1） Boussinesq 近似条件下的标量湍流，
即，连续方程为 速度场的散度等于零； （2）空间均匀条件下讨论标量湍流的性质。
( 13 )
DNS的大部分网格用在耗散区； （3）可以模拟高雷诺数实际流动； （4）可给出大尺度脉动量，动载荷等随时间的演化。
2ui x j x j
ij
x j
u i 0 xi
( 26 )
u i 0 xi
u % ixGxyuiydy τ% ij =-u ²iuj-u% iu% j 亚格子应力
u i 0 xi
ui
xTli m T 1T0ui
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（3）—标量湍流
（1）惯性区的Obuhkov-Corrsin理论
（Re~Pe>>1, 速度脉动和标量脉动相似）
Eq
k ~ q
Ek
Ek23k53
E q kC oq k 13 53
（2) 惯性—扩散区的Batchelor理论
力学进展—湍流大涡模拟及应用
湍流大涡模拟
及城市大气环境中的应用
® (1)
航院力学系2013年9月7日 崔桂香
力学进展—湍流大涡模拟及应用
提纲
一、走进湍流 （湍流 ？标量湍流？研究方法？） 二、湍流及其标量的大涡模拟 三、大涡模拟应用—城市大气环境 四、大涡模拟进展与展望 五、 思考与创新 六、参考文献
Re=104, Lmax/lmin~103，跨越3个量级 Lmax是含能尺度,计算域尺度 D>10Lmax
( 22 )
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流(4)
2、为什么要研究湍流？
2009年9月9日( 23 )
凹吭减阻
哪种流动阻力小？ 为什么？
利用和控制湍流
力学进展—湍流大涡模拟及应用
Ω
为什么要
( 20 )
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（3）—标量湍流
标量湍流片状结构的空间尺度
给定一个阈值，可以计算片状结构的体积V和表面积S。假定一个当量 的
圆盘半径为d，厚度为Ld，由V和S可计算片状结构的平面尺度和厚度
d2Ld V
2d22dLd S
均匀湍流
槽道湍流
结论：片状结构的厚度是耗散尺度，当量直径是厚度的几十倍
近代的统计平均—系综平均
ui Nl i mN1n N1uin，N是样本数
湍流脉动 uiui ui 或 uiui ui
雷诺应力
ui展—湍流大涡模拟及应用
二、湍流及其标量的大涡模拟研究
不同层次的数值模拟方法比较
DNS N-S方程
( 21 )
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流——小 结：
湍流流动—不规则、多尺度、强耗散的随机运动；湍涡结构有拟 序性湍动能逐级传输；能谱在惯性子区有-5/3次方律；
标量湍流—能谱随雷诺数和派克列特数变，片状结构，间歇性强； 数值模拟—准确数值模拟需要极高的时、空分辨率。
宽谱，Lmax/lmin~Re3/4, Tmax/tmin~Re3/4 ；
( 6)
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（2）
湍流特性之一 ： 时空随机性
例如：同一点的速度测量没有重复性
2009年9月9日( 7 )
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（2）
湍流特性之二 —— 多尺度性
Energy spectra
雷诺分解 ui Ui ui
能谱
湍流动能
E
1 2
小尺度脉动(不规则)
(2)大涡模拟的控制方程
ui uiuj t xj
1xpi x2 juxij
ui ui ui
u i u iu j 1 p 2 u i u iu j u iu j
t x j
x i x j x j
对不可压缩流体，主轴的变形率之和等于零： s1s2 s3 0
在均匀各向同性湍流中，以及等梯度标量湍流中，有
s 1 :s 2 :s 3 a :b : (a b ),a 0 ,b 0 在均匀各向同性湍流中a=3, b=1
就是说，脉动速度场在一个方向压缩，另外两个方向拉伸， 于是在压缩方向的脉动梯度急速增强，形成片状结构
（6） 羽流扩散6 羽流
程
中
(a )
普
遍
(7）圆管 T-L
存
随机 多尺度
(8）圆球 T-L
在
拟序
2009年9月9日( 4 )
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（1）—认识湍流
射流
尾流
混合层
随机
多尺度
拟序
2009年9月9日( 5 )
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（2）—湍流特性
达 芬 奇 笔 下 的 湍 流
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（3）—标量湍流
基本方程
uti uj
ui xj
1p1 2ui
xi Rexjxj
ui 0 xi
Re UL
ct uj
c xj
1 2c Pexjxj
PeUL 或PeUL
D
Sd
Pe Re
或 Pr Pe Re
injection
transfer
2009年9月9日( 9 )
湍流特性
dissipation
力学进展—湍流大涡模拟及应用
一、走进湍流（2） 湍流的特征尺度
含能区
l0
E3/2 u3