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%.      

双方程k-ωSST湍流模型的显式耦合求解及其在叶轮机械中的应用

双方程k-ω剪切应力输运(SST)湍流模型通常以隐式耦合方式或者显式半耦合/解耦的方式来求解。本文提出了该模型的一种显式耦合应用方法,即通过点隐的方式来处理湍流源项的刚性,并与混合Runge-Kutta时间推进以及当地时间步长、隐式残差光顺等加速收敛技术相结合,从而使得湍流方程可以与流动方程同时求解。为了增强计算的鲁棒性,进一步对湍流变量进行了限制。将所发展的方法用于DLR平面叶栅算例,确认了求解结果的正确性以及刚性的来源。通过对三维NASA Rotor 67的模拟,验证了SST模型的精度;进一步将其与Badwin-Lomax(BL)模型、Spalart-Allmaras(SA)模型对比,发现三者都能正确地捕捉出口参数分布,且SST与SA模型的模拟结果比较一致;对于该算例,SST模型在总温模拟上更具优势,而BL模型在总压分布上与试验值更加接近。     

双方程 k-ω SST 湍流模型的显式耦合求解及其在叶轮机械中的应用简

 双方程k-ω剪切应力输运（SST）湍流模型通常以隐式耦合方式或者显式半耦合/解耦的方式来求解。本文提出了该模型的一种显式耦合应用方法,即通过点隐的方式来处理湍流源项的刚性,并与混合Runge-Kutta时间推进以及当地时间步长、隐式残差光顺等加速收敛技术相结合,从而使得湍流方程可以与流动方程同时求解。为了增强计算的鲁棒性,进一步对湍流变量进行了限制。将所发展的方法用于DLR平面叶栅算例,确认了求解结果的正确性以及刚性的来源。通过对三维NASA Rotor 67的模拟,验证了SST模型的精度;进一步将其与Badwin-Lomax（BL）模型、Spalart-Allmaras（SA）模型对比,发现三者都能正确地捕捉出口参数分布,且SST与SA模型的模拟结果比较一致;对于该算例,SST模型在总温模拟上更具优势,而BL模型在总压分布上与试验值更加接近。     

用预处理方法数值模拟街区峡谷内的污染物扩散

通过耦合求解二维可压缩Navier-Stokes(NS)方程和k-ε湍流模型方程及平流扩散方程，数值模拟了街区谷（Canyon)内的低速湍流流场及大气污染物在其中的扩散。为了加快计算的收敛，对控制方程进行了预处理。预处理后的NS方程的求解采用LU－SGS隐式方法和JST中心差分格式，数据模拟结果表明预处理方法求解低速流场可加快敛，同时就街峡欲内的污染物扩散状况得出了有意义的结论。     

某四级风扇特性计算的三维数值模拟

利用自主开发的程序对某四级风扇进行了特性计算,一方面是为了发动机整机的匹配,另一方面是为了校核程序对多级压气机的数值模拟精度.程序采用标准k-ε湍流模型计算湍流黏性系数,为了避免计算过程中由湍流模型方程带来的数值刚性问题,对湍流模型方程中的源项作了隐式处理.转静子之间的数据传递采用了掺混界面法.通过对一个单级风扇进行计算,并与常用的几种商用软件计算结果以及实验结果进行对比,初步验证了程序计算结果的可靠性.进一步对某四级风扇进行了计算分析,发现程序计算精度较好,可用于工程设计中.      

混合解析/数值方法及其在湍流数值模拟上的应用

针对带小时间尺度的源项的方程描述的流动问题,提出了混合解析/数值方法。混合解析/数值方法的基本思想是:分裂原始方程组为对流-扩散部分的偏微分方程和源项的常微分方程。偏微分方程采用合适的数值方法求解,而常微分方程采用解析方式积分。模型方程的理论误差研究表明,混合方法提高了源项处理的精度,降低了混合方法的整体数值误差。分析同时表明,基于时间分裂的算法在求解含源项双曲系统的定常类型问题,会存在数值振荡。为此发展了非分裂方式的混合解析/数值方法,在湍流模型数值计算中提高了数值稳定性,而且加快了计算的收敛速度。     

两种湍流模型在跨声速绕流计算的应用研究

湍流模型在对复杂流场的数值计算中起着非常重要的作用.本文采用SA一方程湍流模型和SST k-ω二方程湍流模型,通过解耦求解雷诺平均N-S方程和湍流模型方程实现对亚跨超声速湍流流场的数值模拟.对NACA0012翼型和ONERA-M6机翼跨声速绕流流场进行了计算,对压力分布和激波位置与实验结果进行了细致的比较,并分析了不同离散格式、不同网格疏密及壁面函数对计算结果的影响,在计算过程中这两个模型体现出了较好的简捷性和健壮性.     

一种强耦合Spalart-Allmaras湍流模型的RANS方程的高效数值计算方法

在工程实际中,一方程湍流模型或两方程湍流模型的求解通常和雷诺平均Navier-Stockes (RANS)方程的求解是解耦的,也称之为松耦合求解.在松耦合求解过程中,RANS方程和湍流模型方程通常采用不同的数值方法异步求解.这种求解方式很容易产生因两者计算精度不一致而引起的额外数值耗散.为了消除这种耗散,将RANS方程与Spalart-Allmaras模型方程耦合成一个系统方程——强耦合RANS方程,并发展了一种用于求解该系统方程的高效强耦合算法,其中对流项离散采用了Roe格式,时间项的离散采用了隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式,为了提高计算效率,采用了三层V循环多重网格方法.通过翼型/机翼和振荡翼型/机翼等算例验证了本文发展的强耦合算法不仅具有较好的收敛性,而且计算精度明显优于松耦合算法,特别对于阻力的预测,强耦合算法更加准确.     

带源项的守恒系统时间分裂算法定常解的收敛性研究

时间分裂算法很难获得带源项的守恒系统的定常解,本文中,考虑使用基本的隐式方法积分线性、二次和三次源项,研究了时间分裂算法不能收敛到数值定常态的原因.采用一个刚性参数的方式预测定常态的误差,刚性参数依赖于特定的源项.当源项是解的线性函数时,不存在定常态误差;当源项是解的非线形函数时,发现定常状态的误差是刚性参数的单调增加函数.定常态误差的分析将推广到标准k-epsilon双方程湍流模型计算的情况.     

绕翼型低雷诺数流动的数值分析研究

分离泡的产生是绕翼型低雷诺数流动的一个重要特征,分离泡通常都是非定常的,会对整个流场产生极大的影响,由于分离附面层的不稳定性,很快诱发转捩,并产生湍流再附。文中通过求解雷诺平均N-S方程,数值模拟了绕Eppler387翼型的低雷诺数非定常流动,并对两方程SSTk-ω湍流模型,代数B-L模型和层流的计算结果作了比较。N-S方程和两方程湍流模型的控制方程非耦合求解,时间推进均采用近似因子方法(AF);空间离散无粘项采用ROE格式,粘性项用中心差分方法计算;计算非定常流场时,采用伪时间子迭代(τt-s)方法保证二阶时间精度,湍流模型计算时都是在固定点转捩。最后分析了转捩对低雷诺数流动的影响、分离泡的存在引起的流动不稳定性和周期性的脱出涡,数值计算给出的时间平均升力系数、阻力系数和压力分布与实验结果比较吻合。     

反映流动曲率影响的非线性湍流模式

本文从一般曲线坐标系下的雷诺应力模式出发，在雷诺应力模式向代数应力模式简化过程中，保留工率项对雷诺应力输运的影响，得到了曲率修正的代数应力模式和非线性κ-ε模式。并且该模式对一典型曲率流动－－U型管道内的湍流流动进行了数值模拟与分析。计算结果显示,率修正的代数应力模式较好地模拟出了凸曲率地雷诺剪切应力的阻滞作用和凹曲率对剪切应力的增强作用，捕捉到了曲率流动的主要特征，是对雷诺应力模式的一个合理而有效的简化。     

壁面湍流模型对湍流分离流动数值模拟的影响

本文用三种近壁湍流模型计算了二个二维的湍流分离流动：单包流动和多包流动。结果表明：二层模型和低Reynolds数模型具有类似的特性。它们基本上给出合理的分离流动结构。壁函数的方法由于对数律的假定基本上不适合于计算湍流的分离流动。     

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.      

一种近壁理论湍流模型初探

在传统的k-ε湍流模型基础上,在近壁区放弃求解ε方程而代之以根据共振三波理论模型在近壁区系统计算的ε值构成封闭,通过对NACA0012二维翼形流场的计算,初步验证并适当修正了新的理论模型,由于注意到了理论模型计算结果的无量纲性,从而改善了该流场的计算结果,得到了与实验更为相符的C_p分布。本文的分析还表明,逆压力梯度对ε的影响非常显著,验证了理论分析和计算得到的结论。      

湍流模型及施密特数对点火位置的影响研究

准确预测燃料和空气湍流混合水平对精确模拟发动机性能至关重要.通过对Burrows&Kurkov氢气顺喷经典算例的数值模拟,研究了湍流模型和湍流关键参数(施密特数)对氢气和空气的混合程度以及点火位置的影响.数值结果表明:湍流模型对点火的位置具有一定的影响,其中Menter SST k-w湍流模型计算结果与实验值总体吻合最好;湍流施密特数严重影响着氢气和空气的混合程度以及燃烧流场的点火位置,其中Sct=0.5能满足大部分超燃冲压发动机燃烧算例的数值模拟.     

二维紊流场对飞艇水平面内运动影响研究

大气紊流是影响高空飞艇水平面内巡航的重要原因,传统Dryden模型采用谱分解定理,只能生成一维大气紊流模型,对于高空飞艇复杂的飞行运动来说,生成二维紊流风场模型是必要的.基于紊流场的空间相关特性,采用离散自递归方法构建风场模型,然后结合风速矢量三角形关系式,建立扰动下的飞艇动力学模型,再对该模型进行水平竖直解耦.仿真结果表明,大气紊流作用在飞艇上的力会使飞艇较大程度地偏离其运动航迹,呈不稳定的随机波动状态.因此,构建高空飞艇动力学模型时,要充分考虑大气紊流的影响.     

两相湍流的非线性k-ε-kp模型

由两相湍流的代数应力模型，提出一种两相湍流的非线性k-ε-kp模型，可以合理地模拟各向异性较强的旋流，浮力流等两相流动，具备二阶矩模型的优点，又比二阶矩模型简单。文中推导出气相、颗粒相的雷诺应力和两相脉动速度关联的非线性应力应变关系式。这些代数式和两相各自的湍动能k，kp以及两相脉动关联湍动能kpg的方程联立，就构成非线性k-ε-kp模型。本文将该模型用于模拟突扩湍流两相流动，给出两相时均速度场及雷诺应力各分量，并且将模拟结果和PDPA实验数据以及二阶矩模型的模拟结果对照。结果表明，该模型预报各向异性两相湍流的能力和二阶矩模型的能力接近，但是计算量比二阶矩模型的小得多。     

两相湍流的非线性k-ε-kp模型

由两相湍流的代数应力模型，提出一种两相湍流的非线性k-ε-kp模型，可以合理地模拟各向异性较强的旋流，浮力流等两相流动，具备二阶矩模型的优点，又比二阶矩模型简单。文中推导出气相、颗粒相的雷诺应力和两相脉动速度关联的非线性应力应变关系式。这些代数式和两相各自的湍动能k，kp以及两相脉动关联湍动能kpg的方程联立，就构成非线性k-ε-kp模型。本文将该模型用于模拟突扩湍流两相流动，给出两相时均速度场及雷诺应力各分量，并且将模拟结果和PDPA实验数据以及二阶矩模型的模拟结果对照。结果表明，该模型预报各向异性两相湍流的能力和二阶矩模型的能力接近，但是计算量比二阶矩模型的小得多。     

面向精准工程湍流模型的理论研究

长期以来,工程湍流模型建立在量纲分析和经验修正的基础上,绝对预测能力不足而且模型参数的意义不明确。关于湍流边界层的理论研究一直平行地在两条路线上前行,或是经验性地构造有关平均速度或动能的分布,或是利用数值模拟等技术对于湍流脉动结构进行精细刻画。二者之间的分割导致对湍流边界层物理图像的不完整,从而限制了对一系列相似性关系的揭示。新近发展的结构系综理论,立足于探索由于固壁对于流场的雷诺应力各个分量所表现的拉伸对称性约束,完成了一个对于平均速度和动能剖面的统一描述,从而形成了一个构建工程湍流模型的新思路:一方面,理论指导如何开展湍流DNS(Direct Numerical Simulation)和LES(Large Eddy Simulation)的大数据分析,提炼对定量描述复杂流动有物理意义的多层结构参数;另一方面,指导开发物理图像清晰、定量描述精确的新型湍流(代数)模型。结构系综理论揭示了壁湍流所共有的普适多层结构,完整地刻画了边界层湍流的雷诺数、马赫数相似性,有望推动理论空气动力学研究进入一个定量化、精确化的新阶段。     

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。