SSG模型在压缩拐角激波/湍流边界层干扰模拟中的应用

采用非线性方案模化雷诺应力再分配项的二阶矩雷诺应力输运模型——SSG模型和两方程线性涡粘模型SST模型,对24°高雷诺数二维压缩拐角激波/湍流边界层相互干扰流动进行数值模拟。通过在壁面压力分布、壁面摩擦阻力系数分布、截面速度分布及分离区大小等方面与实验数据比较,综合评估了上述两种模型模拟该问题的能力。结果表明:两种湍流模型在上述各方面都取得了与实验较为一致的结果,但相比较而言,除SST模型在流动再附后对壁面摩擦阻力系数分布的模拟更接近实验值外,SSG模型结果在上述其他方面均更接近实验值。本文工作为压缩拐角激波/湍流边界层干扰这类流动数值模拟的湍流模型选择提供了参考。     

SST湍流模型在高超声速绕流中的改进

为模拟高超声速湍流问题,对剪切应力输运(SST)湍流模型系数进行了修正。数值格式采用改进的总变差递减(TVD)格式,并对湍流模型的负值强制项进行了隐式处理。在此基础上计算了绕平板以及具有分离、再附、激波/边界层干扰等复杂流动结构的压缩拐角的高超声速流动。计算结果与试验数据及半经验公式的对比表明:SST湍流模型引入的雷诺剪切应力与湍动能之比为常数(Bradshaw数)在高超声速绕流中并不成立。Bradshaw数修正后的SST湍流模型与原模型相比,所计算的壁面压力、摩擦阻力和壁面热流分布更接近试验结果。     

Sajben跨声速扩压器分离流动中湍流模式数值研究

为研究湍流模式对激波/湍流边界层干扰内流流动的影响,提高数值计算准确度,使用SA,SST k-ω,非线性EASM k-ω,Gao-Yong四个湍流模式对Sajben扩压器内激波/湍流边界层干扰流动进行了数值计算。对流项采用Roe格式离散,扩散项采用二阶中心格式离散,离散后的控制方程用多步Runge-Kutta显示时间推进法求解。文中展示了四个湍流模式计算得到的壁面压力、速度剖面、摩阻系数等分布。计算值与实验值符合很好,四个湍流模式总体上能够较好地模拟扩压器内激波/湍流边界层干扰复杂分离流动。Gao-Yong湍流模式对分离区内的压力、速度型的模拟更加准确,而非线性EASM k-ω模式对分离再附点位置计算最理想。     

超燃进气道激波/湍流边界层干扰

针对超燃进气道湍流边界层/激波干扰引起的分离问题,采用基于5阶WENO数值格式的大涡模拟(LES)方法开展流场湍流非定常预测,旨在分析进气道湍流化技术实现进气道起动的可行性。研究表明,平板激波/湍流边界层干扰(STBLI)问题,LES方法能够清晰、可靠预测反射、分离激波形成过程及激波与充分发展湍流边界层的相互干扰,定量结果与试验一致;进气道研究方面,层流状态下,激波干扰产生强分离,导致进气道堵塞,而采用湍流化控制后试验和计算均表明流场分离明显减小,流场稳定且无明显堵塞现象,进气道可以起动,总压恢复系数达到要求,该结果表明,利用强湍流化减弱分离,实现进气道起动思想是可行的。      

几种常用格式和湍流模型在高速流动中的适用性研究

针对高超声速飞行器中存在的强激波、激波/边界层干扰、分离、湍流等复杂流动现象,对比分析了当前计算流体力学中的主要空间离散格式及湍流模型,发现不同格式对强激波的分辨率基本相同,Roe和LDE(low diffusion E-CUSP(convective upwind split pressure))格式对摩擦因数和传热系数的模拟优于其他格式;S-A(Spalart-Allmaras)一方程湍流模型计算的摩擦因数比k-ωSST(shear stress transport)两方程湍流模型高10%左右,而后者预测的分离区约为前者的2倍,且分离点靠前.     

进气道内激波/边界层干扰及控制研究进展

进气道作为高速航空航天飞行器的重要气动部件,对飞行器的气动力特性、结构重量、隐身性能等有显著影响。激波/边界层干扰现象是高速进气道内普遍存在的一类流动现象,对进气道的性能有突出的影响。发生于进气道内的激波/边界层干扰现象主要可分为正激波/边界层干扰、斜激波/边界层干扰以及三维激波/边界层干扰几类,由于受到侧壁壁面和进气道内背景波系的影响,这些干扰现象偏离了传统基于简化模型的研究结果,具有显著的耦合干扰特征,干扰区间内三维特征明显。概述了发生于进气道内的激波/边界层干扰特性及相关研究进展,并对目前进气道内激波/边界层干扰现象的控制方法进行了总结。     

"X"布局高超声速倒置进气道激波与附面层干扰

采用标准k-ω SST湍流模型数值计算方法,针对二元高超声速倒置进气道激波与附面层严重的干扰现象,采用分流楔抑制激波与附面层干扰方法,对有无分流楔的进气道性能及流动机理特征进行了详细的研究。结果表明:采用分流楔的流动控制方法,有效抑制了激波/附面层产生的分离包对进气道内流动的干扰;提高倒置进气道的气动性能,进气道的总压恢复系数和流量捕获系数均有提高,计算模型的壁面总阻力系数得到一定程度的减小。数值计算结果表明,在分流楔尾迹中强剪切流动在一定程度上缓解了激波与附面层干扰的强度;在分流楔后缘存在稳定的横向涡,由于气流进入尾迹驻涡是来自附面层外的总压较高的高能流体,提高了附面层的抗逆压能力;由于尾迹驻涡的存在使得分离涡没有向弹体周向扩散,减小了阻力。该方法实现了对高超声速倒置进气道激波/附面层干扰的抑制,揭示了其抑制的机理。     

激波/平板湍流边界层干扰的数值模拟

采用理性GAO-YONG可压缩湍流模型,模拟了激波/平板湍流边界层干扰现象,结果表明:计算所得到的壁面压力分布、摩阻系数分布和速度型分布均与实验值吻合很好,并且比较准确地预报出了入射斜激波与平板湍流边界层干扰所引起的边界层分离点和再附点等流动特性.由此表明GAO-YONG可压缩湍流模型能够准确地用来模拟激波/平板湍流边界层的干扰流动.      

"X"布局高超声速倒置进气道激波与附面层干扰抑制研究

采用标准k-ωSST湍流模型数值计算方法,针对二元高超声速倒置进气道激波与附面层严重的干扰现象,采用分流楔抑制激波与附面层干扰方法,对有无分流楔的进气道性能及流动机理特征进行了详细的研究。结果表明:采用分流楔的流动控制方法,有效抑制了激波/附面层产生的分离包对进气道内流动的干扰;提高倒置进气道的气动性能,进气道的总压恢复系数和流量捕获系数均有提高,计算模型的壁面总阻力系数得到一定程度的减小。数值计算结果表明,在分流楔尾迹中强剪切流动在一定程度上缓解了激波与附面层干扰的强度;在分流楔后缘存在稳定的横向涡,由于气流进入尾迹驻涡是来自附面层外的总压较高的高能流体,提高了附面层的抗逆压能力;由于尾迹驻涡的存在使得分离涡没有向弹体周向扩散,减小了阻力。该方法实现了对高超声速倒置进气道激波/附面层干扰的抑制,揭示了其抑制的机理。     

隐式紧耦合SST和TNT湍流模型的高速流动数值模拟

将SST(shear stress transport)和TNT(turbulent/non-turbulent)湍流模型输运方程与平均流场控制方程进行隐式紧耦合求解,结合当地时间步长方法和湍流源项隐式处理确保求解过程的快速和稳定.采用AUSMPW+(AUSM by pressure-based weight functions)格式和LU-SGS(lower-upper symmetric Gauss-Seidel)隐式紧耦合方法对高超声速压缩拐角流动、锥柱裙流动和超声速非对称激波/边界层干扰问题进行了数值模拟.计算结果与实验值的对比表明:SST模型和TNT湍流模型可以很好地预测15°压缩拐角流动的壁面压力和热流密度;随着压缩拐角的增大,计算结果与实验值偏差增大;可压缩性修正对压缩拐角流动的压力和热流密度分布有很大影响,对超声速非对称激波/边界层干扰流动影响很小;隐式紧耦合方法比显式紧耦合方法具有更好的收敛特性.      

壁面函数在激波诱导分离流动中的应用

以数值模拟激波-附面层干扰引起的流动分离问题为研究背景,发展了基于有限体积方法的雷诺平均Navier—Stokes（RANS）方程的流场数值模拟方法。利用壁面函数模型得到壁面剪切应力,通过修正壁面粘性通量,构造了一种新的湍流边界处理方法,并将其耦合到RANS方程和SSTk-ω湍流模型的数值求解中;同时,针对激波诱导引起的附面层流动分离问题,提出一种附面层网格加密技术,能够自适应加密分离区内附面层网格,使得在流动分离区域也能够使用壁面函数模型。数值算例表明,壁面函数模型能够降低数值模拟结果对网格的依赖性;同时也验证了壁面函数耦合附面层网格自适应方法,在处理激波诱导引起的附面层流动分离问题时的有效性和准确性。     

关于两方程湍流模型的考虑

通过对两方程湍流模型的分析,提出了在主流区或远壁区用两方程模型,近壁区用代数湍流模型的思路,即所谓的“双层”模型概念。通过对平板湍流附面层的计算表明,这种分层计算措施获得的速度分布、壁面剪切力较单纯应用低雷诺数两方程湍流模型时的结果准确。对非均匀来流条件下90°弯管内高湍流度流场的计算表明,双层模型可获得更加准确的速度分布。从而表明本文提出的分层计算措施是有效的,可满足工程计算要求。      

不可压缩湍流的色散模型

分析了广泛存在于湍流运动中的能量逆转现象,揭示了其产生的原因,提出了湍流的色散性质.在此基础上,修改了Boussinesq假设,建立了包含色散效应的新的雷诺应力封闭式和湍流色散系数,给出与不同模型相结合时,湍流色散系数所具有的不同形式,并阐述了湍流运动中能量的传递方向及条件.采用不可压缩平板边界层流动和平面后台阶流动验证了其可信性和优越性.平板摩擦阻力系数及边界层速度型与实验结果吻合良好,平面后台阶流动的流向再附长度、台阶边压力系数及湍流强度等参数均比标准k-ε模型更接近实验结果.结果表明:色散项的加入可以在不显著增加计算量的同时显著改善预测精度,模型具有一定的工程应用价值.      

两种紊流模型在通流计算中的应用研究

为验证紊流模型在基于周向平均Navier-Stokes方程的通流计算中的适用性，本文给出了周向平均形式的Spalart-Allmaras紊流模型，并选择Baldwin-Lomax模型作为对比。通过两个经典简单算例以及两个典型叶轮机械算例对采用了上述两种紊流模型的通流模型进行验证与对比。两个经典简单算例结果表明，上述两种紊流模型在无叶片的通流模型中均能够准确预测附面层发展，捕获激波，预测分离流动。两个典型叶轮机械算例结果表明两种紊流模型对轴流式叶轮机械的子午流面气动布局以及总体气动性能具备一定的的预测能力。在单转子算例中，S-A模型的计算结果略优于B-L模型的计算结果；在双级高压涡轮算例中两种紊流模型对总体性能参数以及气流角的计算结果相差不大，且S-A模型计算的马赫数比B-L模型的偏小。     

二维超声速横侧喷流湍流数值模拟

采用AUSM -up格式模拟了二维超声速横侧喷流干扰流场.比较了SA、SST和EASM湍流模型对分离流动的模拟精度.通过调节喷流出口压力,研究了喷流参数对分离区大小、物面压力分布以及喷流喷射高度的影响.同实验对比发现:SST和EASM湍流模型在低压力比下能够比较准确模拟分离区,但是在高压力比下,湍流模型对分离区的模拟精度较差.     

使用GAO-YONG方程组对可压湍流边界层的数值模拟

应用SIMPLE/SIMPLER方法及QUICK格式求解GAO-YONG可压湍流方程组,对二维零压力梯度可压平板湍流边界层进行了数值模拟。结果表明,不需要任何经验系数及壁面函数的GAO-YONG可压湍流控制方程组对较广马赫数范围(Ma=0.2～2.4)平板边界层各项参数(表面摩擦系数C_f,对数律,亏损律等)能做出良好的预测。      

S-A模型在分离流动模拟中的改进

基于湍流不平衡性的分析,通过修正雷诺应力以及模型系数的计算,提高了S-A模型在二维边界层以及三维叶栅的分离流动上的预估能力。修正后的S-A模型给出了与实验吻合较好的结果,在对于分离流动的预估能力上优于原始模型。     

对称交叉激波和湍流边界层相互作用的数值研究

针对两种双尖鳍外形的对称交叉激波与湍流边界层相互作用,采用N-S方程和两种湍流模型进行了计算。研究了网格收敛性、鳍的角度和湍流模型对壁面压强、Stanton数和壁面摩擦力线的影响。弱相互作用的计算结果较好,强相互作用的壁面压强和摩擦力线的计算结果与试验吻合较好,而Stanton数的计算结果较差,峰值高达试验的2.5倍左右。随着鳍的角度的增加,壁面压强和Stanton数的分布从单调分布发展为M型分布,两者的峰值不在相同的位置。湍流模型对壁面压强和壁面摩擦力线影响很小,对Stanton数计算的影响很大,SST模型比BSL模型表现好一些。     

使用GAO-YONG方程组对不可压转捩/湍流平板边界层的计算

与以往的湍流模型不同的是GAO-YONG不可压湍流控制方程组不需要任何经验系数及壁面函数。本文运用SIMPLE方法QUICK格式求解GAO-YONG方程组,对二维零压力梯度下平板转捩/湍流边界层进行了数值模拟。结果表明,方程不仅对于边界层流动的各项细节(如表面摩擦系数C_f,对数律,亏损律等)能作出良好的预测,成功地解决了以往一般模型不能同时计算近壁区和远壁区的难题,而且能够预报层流-湍流转捩过程。本文还对机械能方程如何影响边界层近壁区特性进行了数值研究。