基于放大因子与Spalart-Allmaras湍流模型的转捩预测

为了验证放大因子输运方程与Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型耦合对转捩现象的模拟精度,选取Schubauer and Klebanoff(S-K)平板、S809低速翼型、30p30n多段翼型以及复杂的三维HiLiftPW-1构型进行自由转捩计算,并将计算结果与实验进行比较分析,其中针对S809算例,还与Langtry-Menter(L-M)转捩模型进行了比较.算例结果表明:放大因子输运方程与S-A湍流模型的耦合能够较好的捕捉转捩位置以及转捩发展过程,对分离泡诱导的转捩的模拟相比L-M转捩模型更精确,转捩位置的捕捉精度提升了10%;对比实验,多段翼转捩位置的捕捉误差最大为6.5%;针对三维高升力增升构型,以实验作为参考,全湍流计算与考虑边界层转捩的对比显示考虑边界层转捩能够更加精确的模拟气动力系数,升力和表面摩擦阻力系数的模拟精度精度提升1%.      

采用γ-Re_(θt)模型的转捩流动计算分析

为了在黏性流动数值模拟中实现边界层转捩的自动预测,将γ-Reθt转捩模型引入到三维非结构混合网格的雷诺平均Navier-Stokes方程求解程序(HUNS3D)。该转捩模型由两个依赖当地变量定义的关于间歇因子和当地化转捩起始动量厚度雷诺数的输运方程组成,其数值求解算法与流场求解程序中湍流模型的求解方法相同。为了考察和验证HUNS3D程序中γ-Reθt转捩模型对航空工程中的常见附面层自由转捩问题的预测精度,对低速平板流动、Aerospatial-A翼型、NLR 7301超临界翼型和NASA Trap wing高升力构型等典型外形的自由转捩流动进行了计算,并将计算结果与相关试验结果进行了对比分析。算例结果表明:γ-Reθt转捩模型对于转捩位置具有很好的敏感性,能比较准确地预测自然转捩和分离转捩,可以有效提高HUNS3D程序对实际流动的模拟能力和预测精度。     

基于S-A湍流模型和间歇因子输运方程的转捩流数值模拟

考虑到γ-Re_θt转捩模型中间隙因子输运方程并不依赖于具体的湍流模型,因而提出了耦合S-A湍流模型和间歇因子输运方程的转捩流模拟方法.其主要思想是构造与间歇因子相关的两个耦合函数,分别作用到S-A模型的生成项和耗散项用以控制湍流的产生与发展,从而实现层流到湍流的数值转捩.结果表明:该方法中模型方程具有完全当地性的特点,易于实施,可直接用以求解三维转捩流动.4个典型算例表明该方法模拟结果与γ-Re_θt模型准确度相当,但少求解了两个输运方程,计算耗时减少了15%.      

RANS方程和附面层方程耦合求解转捩位置的方法

研究了基于线性稳定性分析的RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes）方程和附面层方程耦合求解转捩位置的方法。RANS方程计算得附面层外边界的速度分布作为附面层方程计算的输入,求解附面层方程得到稳定性分析需要的附面层参数。由于附面层的解在分离点处的奇异性,用交互式附面层方程求解方法。用基于线性稳定性分析的e^N方法计算转捩位置,并考虑了Tollmien-Schliching波和层流附面层分离造成的转捩。迭代求解RANS方程和附面层方程,直到转捩位置收敛。RANS求解中使用转捩过渡区模型,避免了点转捩模型引入的数值扰动。通过对NA-CA0012翼型的计算并和实验结果及Xfoil计算的结果进行比较,吻合较好,有较好的工程实用价值。     

模型的转捩流动计算分析简

 为了在黏性流动数值模拟中实现边界层转捩的自动预测,将γ-Re_θt转捩模型引入到三维非结构混合网格的雷诺平均Navier-Stokes方程求解程序（HUNS3D）。该转捩模型由两个依赖当地变量定义的关于间歇因子和当地化转捩起始动量厚度雷诺数的输运方程组成,其数值求解算法与流场求解程序中湍流模型的求解方法相同。为了考察和验证HUNS3D程序中γ-Re_θt转捩模型对航空工程中的常见附面层自由转捩问题的预测精度,对低速平板流动、Aerospatial-A翼型、NLR 7301超临界翼型和NASA Trap wing 高升力构型等典型外形的自由转捩流动进行了计算,并将计算结果与相关试验结果进行了对比分析。算例结果表明：γ-Re_θt转捩模型对于转捩位置具有很好的敏感性,能比较准确地预测自然转捩和分离转捩,可以有效提高HUNS3D程序对实际流动的模拟能力和预测精度。     

后掠翼边界层横流不稳定转捩预测模型

通过对经典Falkner-Skan-Cooke三维边界层相似解的理论分析和数值求解,结合二维边界层转捩判据的思想,采用由试验数据标定的C1准则关系式求解横流不稳定转捩位移厚度雷诺数,建立了针对固定前缘后掠角机翼的横流转捩判据,并且通过方程求解和数据拟合得到了该转捩判据的数学结果.应用该模型对30°前缘后掠角的ONERA-M6机翼和45°前缘后掠角的NLF(2)-0415无限展长机翼进行了横流不稳定转捩数值模拟.模拟结果显示:改进后的转捩模型预测所得到的转捩位置精度较高,均与后掠翼横流试验数据吻合较好,从而证明了构建的横流不稳定转捩判据的合理性和实用性.      

横流不稳定性转捩预测模型

由于Langtry和Menter提出的γ-Re_θt边界层转捩模型只能预测流向的边界层转捩现象,因此继续改进该转捩模型使其具有横流不稳定性转捩的预测能力显得非常必要。通过对经典Falkner-Skan-Cooke (FSC)三维边界层相似解的理论分析和数值求解,结合Thwaites压力梯度因子与当地后掠角构建的函数关系来求解复杂构型的当地Hartree压力梯度因子β_H以及形状因子H₁₂,采用由试验数据标定的C1准则关系式获得横流转捩位移厚度雷诺数,从而建立能够对复杂构型进行横流不稳定性转捩预测的转捩判据。应用所建模型对30°前缘后掠角的ONERA-M6机翼和变前缘后掠角的DLR-F5机翼以及标准6:1椭球标模进行了横流不稳定转捩数值模拟,计算结果显示转捩位置均与试验数据吻合较好,证明了该模型的合理性和实用性。     

考虑转捩的气热耦合计算

为了研究转捩对气热耦合计算的影响,在B-L代数模型与SST(Shear StressTransport) 二方程模型的基础上,增加了两类基于间歇因子的转捩模型：代数 AGS (Abu-Gharmam&Shaw) 模型与一方程间歇因子输运方程。选取NASA-MARKⅡ叶片为算例,分别采用全湍流模型与加入转捩的模型进行气热耦合计算。数值计算结果与试验对比表明由于能够预测附面层中的转捩过程,采用转捩模型的耦合计算得到的结果与试验吻合最好,由于在叶片壁面附近的网格较粗,采用间歇因子输运方程的转捩模型计算的结果要逊于采用代数转捩模型的结果。     

考虑转捩的跨声速气冷涡轮叶片气热耦合计算

为了研究转捩对气热耦合计算的影响,在B-L代数模型与SST(shear stress transport)k-ω二方程模型的基础上,增加了两类基于间歇因子的转捩模型:代数AGS(Abu-Gharmam Shaw)模型与一方程间歇因子输运方程.选取NASA-MARKⅡ跨声速叶片为算例,分别采用全湍流模型与加入转捩的模型进行气热耦合计算.数值计算结果与试验对比表明由于能够预测附面层中的转捩过程,采用转捩模型的耦合计算得到的结果与试验吻合最好,由于在叶片壁面附近的网格较粗,采用间歇因子输运方程的转捩模型计算的结果要逊于采用代数转捩模型的结果.      

基于双eN方法的翼身组合体流动转捩自动判断

发展翼身组合体复杂外形流动转捩自动判断方法,对高亚声速民机自然层流（NLF）机翼设计具有重要意义。使用多块结构化网格和三维雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程求解器,耦合边界层方程求解和基于线性稳定性理论（LST）的完全双e^N方法,发展了一套可同时计及Tollmien-Schlichting波和横流不稳定性扰动诱导转捩的翼身组合体流动转捩自动判断方法。对DLR-F4翼身组合体绕流进行了转捩自动判断,将得到的转捩位置与试验结果进行比较,验证了所发展方法的正确性。使用上述方法对配置自然层流机翼的中短程民机翼身组合体外形进行了数值模拟,并将结果与单独机翼的转捩位置进行了对比,结果表明机身三维位移效应增强了自然层流后掠机翼边界层的横流不稳定性强度,导致翼根转捩位置提前至前缘区。     

Transition study of 3D aerodynamic configures using improved transport equations modeling

As boundary layer transition plays an important role in aerodynamic drag prediction,the proposal and study of transition prediction methods simulating the complex flow phenomena are prerequisite for aerodynamic design. In this paper, with the application of the linear stability theory based on amplification factor transport transition equations on the two-equation shear stress transport(SST) eddy-viscosity model, a new method, the SST-N TS-N CF model, is yielded. The new amplification factor transport equation for the crossflow instability induced transition is proposed to add to the N TS equation proposed by Coder, which simulates Tollmien–Schlichting wave transition. The turbulent kinetic energy equation is modified by introducing a new source term that simulates the transition process without the intermittency factor equation. Finally, coupled with these two amplification factor transport equations and SST turbulence model, a four-equation transition turbulence model is built. Comparisons between predictions using the new model and wind-tunnel experiments of NACA64(2)A015, NLF(2)-0415 and ONERA-D infinite swept wing and ONERAM6 swept wing validate the predictive quality of the new SST-N_(TS)-N_(CF) model.     

翼型几何模型对边界层转捩预测精度的影响

对飞行器表面的边界层转捩现象进行准确地预测,是设计高性能层流翼型的关键。基于边界层数值模拟和现代CFD技术的特点,选取与SSTk-ω湍流模型相耦合的γ-Reθt转捩模型,对不同类型的翼型边界层转捩进行预测。结果表明:在转捩计算过程中出现的摩阻曲线震荡,是由翼型表面计算网格不光顺所引起的;提高翼型几何模型光顺程度能够在不同程度上提高翼型气动特性的计算精度,并能得到更加准确的转捩预测结果。     

基于SA和SSTγ-■模型对边界层转捩预测的比较

利用作者共同研发的In-house代码TRANS3D平台,在SA和SST两种常用湍流模型框架下构建了γ-■转捩模型,并以二维低速S809层流翼型和三维小后掠跨音速F5层流机翼为对象,比较了两种不同湍流模型构架下γ-■转捩模型预测的气动力特性和流场分布。结果表明:两种转捩模型均能预测航空转捩计算中常见的分离流转捩和自然转捩类型,明显改善了中低雷诺数流场下的预测精度,但由于选取基准湍流模型的不同,基于SA和SST的γ-■转捩模型在流动细节上依然存在着一些差异。     

重型燃气轮机压气机高雷诺数前转捩叶型设计

针对重型燃气轮机压气机雷诺数高而导致的转捩位置前移,开发了一种比可控扩散叶型(CDA)损失更小、工作范围更宽的前转捩叶型.采用正问题优化设计方法,将叶型几何参数化、叶片到叶片流场分析与遗传算法相结合,实现了叶型的自动优化.优化目标综合权衡了叶型损失和攻角范围,为减少优化变量的数目,应用了一种特别的叶型几何模型,将厚度分布与中弧线之间进行了一定的关联.优化得到的前转捩叶型的主要特征是吸力面速度峰值的位置前移至距前缘约10%弦长处,叶型中后部的速度变化更为平缓.最后根据优化结果总结了前转捩叶型的设计规律.      

平衡空气模型的流动稳定性及转捩预测

研究高超声速平板边界层考虑真实气体效应的流动稳定性问题.采用7组元化学反应平衡模型,黏度和导热系数采用混合律,同时考虑组元浓度扩散引起的能量传递,在马赫数为10~20、壁面温度为500~3500K、飞行高度为20~30.5km等条件下,对平板边界层流动的稳定性进行了分析,给出了扰动演化相对增长的N值.计算结果表明:高马赫数飞行中不稳定扰动的第3模态将与第2模态合并,共同影响转捩;高温真实气体的流动稳定性特征,随着马赫数、壁面温度、飞行高度变化的基本趋势与完全气体的基本一致;与完全气体相比,真实气体的相对增长N值包络线较小,表明高温真实气体将抑制转捩发生.      

C-γ-Reθ高超声速三维边界层转捩预测模型

针对国家数值风洞（NNW）工程高超声速三维边界层转捩预测需求,开展了高超声速边界层横流转捩判据及模型研究。采用线性稳定性分析e^N方法对高超声速转捩数据进行扩展,结合横流强度与表面粗糙度构造当地化的高超声速横流转捩判据,对基于Chant 2.0计算平台的高超声速修正γ-Re_θ转捩模型进行了横流模式拓展,建立了适用于高超声速三维边界层横流转捩预测的C-γ-Re_θ转捩模型。采用构建的转捩模型对多状态下的高超声速尖锥进行横流转捩预测,取得了与试验结果符合较好的预测效果。     

高超声速钝楔边界层转捩大涡模拟

 以五阶迎风和八阶对称格式混合差分格式求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程，对来流Mach数为6.0、半锥角5°的高超声速空间发展钝楔边界层转捩至完全湍流进行了大涡模拟。时间推进采用紧致存储三阶Runge-Kutta方法，亚格子尺度模型为Driest因子修正的Smagorinsky涡黏性模型。通过定常流场入口边界附近吹／吸引入不稳定扰动斜波的方法数值模拟得到了层流失稳转捩直至完全湍流的空间发展全过程。对扰动的线性、非线性增长以及湍流斑的形成和发展进行了分析，给出了转捩及完全湍流下的速度相关量统计并与实验、DNS结果进行了对比分析，计算结果与理论及实验吻合。     

基于当地变量的横流转捩预测模型的研究与改进

Langtry和Menter提出的转捩预测模型需要改进以具备预测横流转捩的能力。当地变量Helicity参数可以指示边界层内的横流信息,因而可用来构造适用于复杂构型以及当代计算流体力学(CFD)并行计算的横流转捩预测模型。实现了基于Helicity参数的横流转捩预测模型,对于后掠角为45°的NLF(2)-0415无限展长后掠翼,模型能够预测不同雷诺数对横流转捩的影响,但是对6:1椭球的横流转捩预测结果与试验数据相差较多。针对实现的横流转捩预测模型的缺点,考虑横流速度因素进行改进。横流速度的求解经过简化近似可以当地求解,因而保证了改进的模型完全基于当地变量的优势。采用改进后的横流转捩预测模型分别对NLF(2)-0415机翼、6:1椭球以及DLR-F5机翼进行数值模拟,并与试验数据进行对比分析,结果显示改进后的横流转捩预测模型可以较为准确地捕捉横流转捩现象。