Numerical experiments on one-dimensional model of turbulence

The initial-value problem of a forced Burgers equation is numerically solved by the Fourier expansion method. It is found that its solutions finally reach a steady state of 'laminar flow' which has no randomness and is stable to disturbances. Hence, strictly speaking, the so-called Burgers turbulence is not a turbulence. A new one-dimensional model is proposed to simulate the Navier-Stokes turbulence. A series of numerical experiments on this one-dimensional turbulence is made and is successful in obtaining Kolmogorov's (1941) k exp(-5/3) inertial-range spectrum. The (one-dimensional) Kolmogorov constant ranges from 0.5 to 0.65.

多孔介质中流体流动的细观-宏观模拟

阐述了如何用体积平均化方法推导具有非线性吸附效应的多孔介质中的 Forchhermer方程和对流 -扩散方程。这两个方程对分析多孔介质中质量输运有着极大的应用价值。在分析 Navier- Stokes方程中 ,我们发现非滑移条件在平均化过程中并不扮演重要的角色 ,而吸附边界条件对体积平均化输运方程作出了重要贡献。所以 ,在推导多相输运方程时对平均化方法和边界条件的处理必须非常小心。

激波-涡干扰声场的数值研究

采用高精度差分格式求解非定常可压缩Navier-Stokes方程,对激波-单涡/双涡相互干扰产生的声场进行了直接数值模拟。详细研究了波-涡干扰声场结构的早期发展阶段,将激波-单涡的计算结果和相应实验进行了对比,并给出近场声压的衰减规律。在此基础上模拟较为复杂的激波-双涡干扰,给出不同旋涡旋转方向下的声场结构。

可压剪切层线性稳定性特征直接数值模拟

基于伪随机数生成技术促生白噪声扰动，以高精度迎风/对称紧致混合差分算法求解二维/三维非定常可压Navier-Stokes方程，揭示了可压自由剪切层初始剪切过程中扰动的线性演化特征，以及该过程对扰动波数方向的内在选择性。验证了所用算法的有效性，表明线性理论同数值模拟相结合是可压剪切层研究的合理途径之一。

可压缩双组分混合层的直接数值模拟研究

通过数值求解可压缩Navier-Stokes方程模拟了三维可压缩双组分混合层问题,着重研究了双组分密度比和可压缩效应对混合层发展演化的影响.研究表明,随着密度比的增大,混合层扰动增长率降低.在混合层发展初期,可压缩性作用尤其是斜压效应对旋涡的发展起主导作用;在混合层发展后期,可压缩性影响减弱,旋涡的拉伸扭转效应占主导作用.同时,还分析讨论了可压缩混合层中湍流的转捩及拟序结构的演化过程.

可压涡卷空间演化的迎风紧致差分数值模拟

从数值算法的耗散和色散特征的时空全离散Fourier分析出发，通过直接求解二维非定常可压Navier-Stokes方程，将发展的5阶迎风紧致差分格式用于无约束可压平面受迫剪切层中基频涡卷空间演化过程的数值模拟。采用被动守恒标量等方法显示了基频涡卷的饱和、一次对并、二次对并等现象，据此探讨了入口来流亚谐扰动引起的初值效应问题，表明可压大尺度涡结构空间演化形态与受迫扰动方式之间存在关联。

弱粘性流体中垂直激励表面波的阻尼效应

在竖直振动的圆柱形容器中，将Navier-Stokes方程线性化，利用两时间尺度奇异摄动展开法研究了弱粘性流体的单一自由面驻波运动．整个流场被分为外部势流区和内部边界层区两部分，对两部分区域分别求解，得到包含阻尼项和外驱动影响的线性振幅方程．利用稳定性分析，得到形成稳定表面波的条件，给出了临界曲线．此外，还获得了阻尼系数的解析表达式．最后，将线性阻尼加到理想流体条件下所得到的色散关系中对其进行修正，理论结果证明修正后的驱动频率更加接近实验的结果．通过计算发现，当驱动的频率较低时，流体的粘性对表面波模式选择有重要影响，而表面张力的影响不明显；但当驱动频率较高时，流体的表面张力起主要作用，而流体的粘性影响甚小．

微重力环境下蒸发液层热毛细对流的数值模拟

提出了一种新模型来研究由单一物质构成的液层在其纯蒸气中的蒸发．液层置于微重力环境中并且受到水平方向温度梯度的作用，液层的热毛细对流和蒸发耦合在一起，使得气液界面的传热传质规律更加复杂．用理论分析的方法求解了不考虑热毛细效应的纯蒸发模型，得出温度场分布和界面质量流量的解析表达式．对于热毛细对流和蒸发耦合情况，采用有限差分的投影算法同时求解Navier-Stokes方程和能量方程，得到了不同蒸发Blot数和Marangoni数下流场和温度场的稳态数值解．论述了蒸发Biot数和Marangoni数对界面传热传质的影响，提出并解释了蒸发和热毛细对流耦合的三种模式．

亚声速段横向射流对Coil性能影响的数值研究

在化学氧碘激光的混合喷管内发生的是一个气体动力学、化学反应动力学以及光学等相互耦合的复杂过程,每个过程都对COIL性能有着至关重要的影响.利用三维CFD技术,通过求解层流Navier-Stokes方程与组分输运方程,对简化后的化学氧碘激光RADICL模型进行数值模拟与分析,对COIL的气动和增益特性进行探讨.在不同的射流穿透条件下,计算COIL混合喷管中的混合与化学反应过程,发现穿透深度决定了增益的分布特性以及过度穿透条件下的非定常结构,

再入飞行器湍流尾迹流场研究

再入飞行器湍流尾迹流场状况，直接系统到飞行器的雷达散射特性。对再入飞行器湍流尾迹等离子体场理论模型，试图通过湍流模式理论来表达，即使用k-ε-g模型方程来封闭平均化的全Navier-Stokes方程，从而准确获得流动平均场和脉动场住处。使用的N－S平均议程由质量加权平均过程产生，湍流模型方程也经过可压缩性能修正。真实气体效应重点考察空气处于局部热化学平衡状态。流动控制方程运用一个二阶TVD格式有限体积法求解。以一典型小钝锥体零攻角再入飞行为例，计算了在两高程（H = 40 km和H = 30 km）条件下的高超声速湍流尾迹流场。获得的尾迹流场参数与流动物理状况符合，并且湍流脉动参数与已有相应的实验结果定性一致，初步证实该方法合理。

圆形域内串列双柱振动诱导的定常整流流动的数值模拟

在ε<<和Rs≥0(1)下采用贴体网格生成、数值求解NS方程研究圆形域内串列等直径双柱作同频同相小振幅振动在静止粘性不可压缩流体中诱导的Stokes层外的定常整流旋涡流动。数值结果表明，流场外边界的存在使大于临界雷诺数时外边界附近产生高阶分离旋涡，在很小的整流雷诺数变化范围内造成整流流谱改变。串列双柱柱间距的增加及圆域对振动柱柱径比的减小都使发生高阶分离的临界整流雷诺数之值下降。

双柱振动诱导定常整流旋涡流动的实验研究

用流动显示实验研究圆形静止不可压缩粘性流体域内以圆心对称布置的双柱作同频同相小振幅振动时诱导的Stokes层外的定常整流旋涡流动。实验表明，串列双柱当柱间距足够大时整流流谱呈八涡结构，当间距很小或为零时呈四涡结构。双柱的斜置有利于整流旋涡的合并。当柱间距接近至一定范围时，整流流动呈三维特征。振幅的减小和频率的降低使流动易出现三维现象。

近岸非平整海底上耗散动力系统的广义波作用量守恒方程

为刻划近岸波-流-海底相互作用耗散动力系统的多种复杂作用机制,着眼于波浪对近岸大尺度变化环境流作用和考虑多变海底地形(可典型地刻划为由慢变水深和快变水深构成)的影响,由基于黏性流体Navier-Stokes方程的平均流方程,建立了近岸耗散动力系统的广义波作用量守恒方程,从中提出垂向速度波作用量和耗散波作用量这两种新概念,使得它们和经典的波作用量相互间达成了一种互补、协调而又主次分明的更为广泛的守恒形式。从而把波作用量这一经典概念从理想的平均流守恒系统引申到实际的平均流耗散系统(即广义守恒系统)中去,为解释沿岸过程和应用于近海、海岸工程提供了一个理论基础。

用非结构网格研究旋转振荡圆柱绕流

研究了雷诺数Re=200,1000,线速度比α=0.5,2.0,4.0,强迫振荡频率fs=0.1～2.0情况下的旋转振荡圆柱绕流问题.通过基于非结构同位网格有限体积法对Navier-Stokes方程进行数值求解.对流项、扩散项和非恒定项的离散格式均具有二阶精度,利用SIMPLE算法处理压力-速度耦合.计算得到了作用力系数随不同控制参数的变化规律.通过对升力系数的频谱分析得到自然脱落频率和强迫振荡频率下的作用力振幅.通过对不同频率作用力幅值的分析,得到频率之间的竞争关系,进而定量地给出了不同尾迹涡脱落模式的分区图.

圆柱振荡绕流的三维不稳定性研究

通过数值求解三维不可压缩Navier-Stokes方程，研究了振荡圆柱绕流的旋涡不稳定性。研究表明，在一定的参数范围内，由于旋涡不稳定性，振荡流出由二维演化成三维流动，并沿圆柱轴向形成交错排列的三维涡结构。数值计算合理地预测了三维涡结构的空间失稳波长，并与实验测试值相符很好。文中还进一步研究了圆柱的受力特性，通过求解Morison方程，计算了圆柱的阻力和惯性力特性，其计算结果与已有的实验数据相吻合。