湍流大涡数值模拟进展

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.     

高超声速湍流高效模拟算法

采用了直接过滤的Navier-Stokes(N-S)方程组对高速可压缩湍流进行研究。针对高超声速湍流的非线性流动特性,对N-S方程直接过滤推导了大尺度湍流流场的控制方程,更精确地反映高速湍流的可压缩性,建立了可压缩湍流的大涡模拟TDM模型。使用传统的Smagorinsky模型的非线性推广,采用基于非Favre过滤的超声速可压缩湍流的大涡模拟模型,应用Caylay-Hamilton定理,建立可压缩湍流大涡模拟的非线性亚格子模型,并发展为动力学模式,模型中的两个常数通过当地流场动态的确定,消除了可调经验常数的影响。针对构造的高超声速湍流大涡模型开发相应的高效并行算法。     

守恒型可压缩一维湍流方法及其在超声速标量混合层中的应用

一维湍流（ODT）方法是一种能在一维计算域上遵循湍流基本物理规律的湍流建模方法。通过结合确定性和随机性求解方法,能够在一维计算域上准确捕捉到湍流统计规律,且降维建模可显著减小计算量。ODT方法主要被广泛用于不可压湍流和湍流燃烧研究,若要将其拓展用于模拟高速可压缩湍流,需对建模方法进行深度改进。相比于不可压ODT方法,本文基于欧拉参考框架,针对可压缩湍流的特性,将因变量由原始变量改为有利于减小可压缩湍流模拟误差的守恒通量,并加入了组分求解模块。对确定性和随机性求解模块均进行了相应的深度改进,开发出具有标量混合模拟功能的守恒型可压缩ODT方法。在确定性模块中改为求解以守恒通量为变量的一维截断控制方程,在随机性模块中构造一维涡时,将三联映射的作用对象也相应地由原始变量改为守恒通量,并选用了可保证变密度情况下动量守恒的双核变换。通过模拟空间发展超声速平面湍流混合层并将自相似阶段结果与实验结果比对,验证该方法对可压缩剪切湍流场中标量混合的捕捉精度。守恒型可压缩ODT方法模拟得到的速度场和组分场的平均剖面和脉动强度分布与实验结果准确吻合,精度明显优于传统的耦合梯度扩散亚格子模型的大涡模拟方法（LES-GRAD.DIFF.）以及耦合线性涡（LEM）亚格子模型的大涡模拟方法（LES-LEM）,且该方法的降维处理使其在降低计算成本方面具有显著优势。     

SLAU格式在大涡模拟方法中的应用

采用格心格式的有限体积法求解三维大涡模拟控制方程,成功地将最新改进的SLAU格式推广到大涡数值模拟方法中。SLAU格式的空间重构方式采用五阶WENO格式,时间推进采用LU-SGS隐式时间推进。湍流模式为最新提出的基于随机分析的动态亚格子模型。计算了圆柱绕流、NACA4412翼型绕流、NACA0012翼型绕流三个算例,分别从可压缩较大迎角翼型绕流、可压缩跨音速翼型绕流以及不可压缩低马赫数圆柱绕流三个方面验证了将SLAU格式应用到湍流大涡数值模拟计算中的可行性。结果表明,结合SLAU格式的大涡模拟方法可以达到较好的数值模拟效果,同时间接检验了基于随机分析的动态亚格子模型的数值模拟效果。     

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。     

A Nonlinear Sub-grid Scale Model for Compressible Turbulent Flow

本文采用直接过滤的Navier-Stokes方程组作为可压缩湍流大涡模拟控制方程组。方程组中因过滤产生的高阶相关项用Taylor级数展开近似,但仅保留级数的一阶导数项。这样产生的误差相当于丢失了模型的部分耗散作用,本文用一种动力学非线性亚格子模型来补偿丢失的耗散影响。本文根据Caylay-Hamilton定理导出了一个非线性亚格子模型,模型中包含的系数由动力学模式确定。与传统的动力学Smagorinsky模式相比,这种动力学非线性模型(DNM)稳定性更好,且不需要在统计均匀方向进行统计平均来计算模型系数,因此减少了计算开销。本文用这种非线性亚格子模型对绕双椭球高超声速湍流进行了模拟,并将所得结果与实验值、计算值及理论值进行了对比。结果表明,本文模型可以有效地模拟可压缩湍流流场。     

三维槽道湍流的大涡模拟

利用大涡模拟方法模拟了雷诺数为13000的充分发展槽道湍流流动。为了比较网格和亚格子模型对计算结果的影响,采用了三种不同的网格数目,以及Smagorinsky模型和动力模型等两种亚格子模型,并与直接数值模拟结果进行了比较。结果表明,大涡模拟可以比较准确地给出速度分布、脉动速度均方根分布等湍流统计参数。在此基础上,对近壁区小尺度湍流结构进行了研究。     

可压缩湍流边界层近壁区马蹄涡的演化

采用大涡模拟方法对可压缩槽道湍流进行了数值模拟.通过给定扰动波方法确定进口边界条件,很快得到了完全发展的湍流.利用动态亚格子模型、预处理技术以及高阶格式和方法,得到了精确的数值结果.计算得到的速度剖面和脉动分量与直接数值模拟的解进行了对比,验证了计算结果的可靠性.结果清楚地展示了湍流场中马蹄涡的生成和演化过程,包括对称涡腿、单侧涡腿的马蹄涡结构,以及流场中存在由亚谐波引起的拟序结构的交错现象.分析了湍流边界层近壁区可能出现的复杂的马蹄涡结构,及其涡结构形状也不严格对称的现象.     

洁净室流场大涡模拟

应用湍流大涡模拟方法对矢流洁净室和全顶棚送风下部两侧回风式洁净室进行了数值模拟。计算中使用了隐含流线抑风耗散作用的具有三阶部分展开的Taylor-Galerkin离散格式，导出了经Gauss滤波后的基本方程组的有限元列式，应用涡粘性亚格子模式的湍流大涡模拟方法进行数值模拟。数值计算结果与实验结果符合较好，表明湍流大涡模拟能够较准确地捕捉到洁净室流场中旋涡的位置和尺度，在洁净室的数值仿真方面，与标准的K－ε湍流模式相比，湍流大涡模拟结果具有较高的可靠性。     

基于格子Boltzmann方法的方通道湍流的大涡模拟

基于格子Boltzmann方程的大涡模拟方法,对以摩擦速度、方通道水利直径为特征尺度,雷诺数为300的直方通道内湍流流动进行数值计算.利用多松弛时间格子Boltzmann方法来模拟流场的流动,切应力改善亚格子应力模型来模化滤波后的非封闭项.将模化后的亚格子应力与格子Boltzmann方法中的松弛时间相关联,使得松弛时间当地化,从而能够准确地模拟湍流.对湍流的平均流向速度、平均二次流速度以表征湍流强度的均方根速度以及不同截面流向瞬时涡做了计算和评估.计算结果与直接数值模拟、实验数据相吻合,证明了格子Boltzmann方法在计算通道湍流中的精度.      

固体火箭内流场的时均和大涡模拟技术对比研究

分别采用时均RNG湍流模拟和大涡模拟(LES)方法对某型固体火箭发动机内流场进行了瞬态数值模拟研究,建模过程中针对推进剂燃烧以及燃面边界采用了修正壁面通量的方法,并使用了动网格技术。结果表明:大涡模拟技术可以得到发动机内湍流流场中详细拟序结构,时均湍流模拟对于火箭发动机内流场时均量的模拟仍有较好的工程精度。     

后向台阶超声速流动的动力混合RANS／LES模拟

针对可压缩湍流流动,构建了1种动力混合RANS/LES模式。运用该模式模拟了超声速后向台阶流动,结果再现了二维后向台阶剪切层的拟序结构,计算得到了统计平均的压力分布,回流区长度与实验结果符合较好。与定系数的一般混合RNAS/LES模拟结果的对比表明,动力混合RANS/LES模式在对流场拟序结构的捕捉、流动时均压力分布方面表现较优。     

室内气流分布的大涡模拟

准确地模拟室内气流分布对优化室内通风设计及预测舒适和健康的室内环境有着重要的意义，传统的空内气流分布的数值模拟大都采用к-ε两方程湍流模型，该方法求解出的是流动变量的平均值，无法给出流场结构的详细信息，体现不出湍流流动的瞬时性的特点。本文采用大涡模拟（LES）法求解室内气流分布，使HSMAS法保证计算的稳定性和收敛性。通过对室内等温贴附射流和非等温受限射流两种类型的射流作用下的室内气流分布计算，以及导入к-ε两方程湍流模型对计算结果进行比较与分析表明，大涡模拟求解室内气流分布是一种确定可行和有效的方法。     

基于RANS/LES方法的超声速底部流场数值模拟

分别采用基于两方程k-ω剪切应力输运(SST)湍流模型的延迟DES(DDES)、更改的DDES(MDDES)和改进的DDES(IDDES)方法,并引入可压缩修正,结合三阶MUSCL-Roe和五阶WENO-Roe两种空间离散格式,针对超声速底部的复杂流动现象,开展了数值模拟研究。计算结果表明本文方法能够捕捉到超声速底部流动中丰富的湍流结构,通过分析计算结果对超声速底部的流动机理有了进一步的认识,为下一步的超声速底部流动减阻改进和雷诺平均NavierStokes/大涡模拟(RANS/LES)方法在非定常高可压缩性流动中的应用提供了参考。通过对比分析不同空间离散格式的计算结果研究了数值耗散对计算的影响,五阶WENO-Roe格式的计算结果与实验结果吻合良好;对不同RANS/LES混合方法的计算结果进行了对比分析,结果表明IDDES方法在近壁区的表现优于DDES和MDDES方法。     

用DES数值模拟具有横向喷流的紊流流场

DES(DettachedEddySimulation)是把RANS(雷诺平均Navier Stokes方程)方法及LES(大涡模拟)方法结合起来的模拟有脱体涡的紊流流场的数值模拟方法。其主要思想是在物面附近解雷诺平均Navier Stokes方程、在其他区域采用Smagorinski大涡模拟方法。本文用DES及混合非结构网格数值模拟复杂紊流流场,算法采用Osher逆风格式,对超音速钝头体、三角翼、某型飞机及带喷流的导弹绕流用该程序进行了数值模拟。结果表明用DES模拟有分离的紊流流场是高效的。     

Computation of unsteady turbomachinery flows: Part 2—LES and hybrids

The choice of turbulence model can have a strong impact on results for many turbomachinery zones. Palliative corrections to them and also transition modeling can have a further profound solution impact. The spectral gaps necessary for theoretically valid URANS solutions are also lacking in certain turbomachinery zones. Large Eddy Simulation (LES) alleviates the serious area of turbulence modeling uncertainty but with an extreme increase in computational cost. However, there seems a lack of validation data to explore in depth the performance of LES and thus strategies to refine it. LES best practices are needed. Although LES is, obviously, much less model dependent than RANS, grids currently used for more practical simulations are clearly insufficiently fine for the LES model and numerical schemes not to be playing an excessively strong role. Very few turbomachinery simulations make use of properly constructed, correlated turbulence inflow. Even if this is attempted, most measurement sets are incomplete and lack an adequate basis for modeling this inflow. Gas turbines are highly complex coupled systems and hence inflow and outflow boundary condition specification needs to go beyond just synthesizing turbulent structures and preventing their reflection.Despite the strong limitations of the dissipative Smagorinsky model, it still sees the most wide spread use, generally, in excessively dissipative flow solvers. Monotone Integrated LES (MILES) related approaches, hybrid LES–RANS and more advanced LES models seem to have an equal but subservient frequency of use in turbomachinery applications. Clearly the introduction of a RANS layer can have a substantial accuracy penalty. However, it does allow LES to be rationally used, albeit in a diluted sense for industrial applications. The Reynolds numbers found in turbomachinery are substantial. However, in certain areas evidence suggests they will not be enough to ensure a long inertial subrange and hence the use of standard LES modeling practices.Despite the excessively coarse grids used in much of the LES work reviewed, with essentially RANS based codes, meaningful results are often gained. This can perhaps be attributed to the choice of cases, these being ones for which RANS modeling gives extremely poor performance. It is a concern that for practical turbomachinery LES studies grid densities used tend to have an Reynolds number scaling to a strong negative power.     

基于大涡模拟分析气膜冷却的湍流场

用大涡模拟考察了单孔平板气膜冷却的湍流场,气膜孔沿流向倾斜30°,气膜出流的雷诺数为2600,吹风比为0.5.计算结果表明:①气膜孔内的流动分离增加了湍流动能,导致气膜冷却效率的降低,在设计中要尽量避免或减少流动分离;②与射流侧向扩展有关的涡黏性系数在气膜孔两侧存在峰值,而采用各向同性的湍流模型预测气膜冷却时,涡黏性系数的峰值出现在射流与主流的剪切区,因此会高估射流的垂直穿透而低估射流的侧向扩展;③可以用大涡模拟辅助建立各向异性的湍流模型,以便提高湍流模型的预测精度.      

多喷管射流气动声学特性的数值研究

采用大涡模拟结合动力Smagorinsky亚格子模型对四喷管超声速高温射流进行了三维非稳态数值模拟。基于非稳态计算的结果,利用FW-H面积分方法对四喷管射流远场的声学特性进行计算,并将结果与单喷管得到的结果进行对比。结果表明,多喷管射流形成了复杂的流场,其产生的气动声场并不仅仅是单喷管简单的叠加,由于四股射流之间的相互影响使得声场也产生了新的特点,不但表现在总声压级数值上,还对改变了射流噪声辐射的指向性,最大声压级的位置由原来的50°左右变化到30°。