大涡模拟中亚格子模型的改进及其在槽道湍流中的应用

在用大涡模拟的方法计算具有强剪切的槽道湍流时, 常用的亚格子应力模型, 包括考虑壁面修正的模型, 都会出现平均流剖面偏高的现象.这表明在壁面附近亚格子应力模型还不能描述实际情况.针对这一问题, 修正了亚格子雷诺应力模型的壁面函数, 得到了较好的计算结果.用修正后的模型计算出的平均速度分布、均方根速度的分布以及雷诺应力的分布, 均与直接数值模拟(DNS)的结果吻合较好.      

壁面粗糙度湍流扩展模型及流动数值模拟

采用有限体积法数值求解雷诺平均Navier-Stokes流动控制方程,数值模拟表面粗糙度对气动特性和热力学特性的影响。通过修正Knopp的基于切应力输运k-ω湍流模型的粗糙度湍流扩展模型中边界条件ω的值,提高了壁面附近的涡黏度,增加了总壁面切应力,从而引入壁面粗糙度的影响。通过对不同粗糙度的平板流动和NACA 65_2215翼型绕流进行数值模拟,分析粗糙度对表面摩阻系数、斯坦顿数和升力系数的影响。计算结果表明:粗糙度使得平板表面摩阻系数和斯坦顿数增大,翼型流动分离提前,升力系数减小。流经粗糙壁面的流动处于过渡状态时,改进的粗糙度湍流扩展模型改善了原模型速度偏移量与经验公式相比偏小的缺点,同时,表面摩阻系数、斯坦顿数和升力系数与实验结果吻合得更好。该改进模型不需要对壁面附近网格进行加密,能够快速、准确地模拟流经粗糙壁面的流动。     

厚覆冰导线升力突变机理及数值模拟研究

针对新月形厚覆冰导线的升力系数在风攻角15°附近存在突变的问题,分别采用基于k-ωSST湍流模型的雷诺时均法和大涡模拟(LES)的数值方法对新月形厚覆冰导线在风攻角10°~20°范围进行了模拟。通过对比两种数值方法计算得到的覆冰导线气动力系数、流场结构和表面风压,发现LES方法能够更好地捕捉新月形覆冰导线表面的小尺度涡结构,得到的覆冰导线气动力参数计算结果与风洞试验数据高度吻合;而k-ωSST湍流模型难以模拟壁面上小尺度涡,捕捉不到升力系数的突变。根据覆冰导线不同壁面区域的压力分布,发现上侧壁面处的涡结构影响整体流场,并在下侧壁面曲率、来流夹角和壁面切线方向共同作用下导致升力系数突变。LES的气动力参数模拟结果可为覆冰导线防舞提供参考。     

使用RANS/LES混合方法对钝前缘三角翼进行数值模拟(英文)

阐述了建立在一方程湍流模型基础上的分离涡模型(DES)和延迟脱体涡模型(DDES),它们很好地模拟了壁面附近的小尺度流动。该方法在大攻角分离流区域,使用了亚格子应力的Smagorinsky大涡数值模拟,模拟亚音速旋涡流动。使用大攻角下的钝前缘65°大后掠三角翼模型,研究了CFD对涡的发展、破裂以及复杂涡的发展和演变的模拟能力。研究结果说明了方法对模拟分离流动是可行的。     

超声速弱欠膨胀冲击射流流场结构

为了对超声速弱欠膨胀冲击射流的流场结构细节进行研究,使用大涡模拟方法对其进行了数值模拟。利用三阶迎风和四阶对称紧致格式对无量纲化轴对称可压缩滤波N-S方程进行空间离散,时间上推进采用的是三阶精度的TVD型Rugge-kutta法。亚格子尺度模型采用的是修正Sm agorinsky涡粘性模型。通过与经典的冲击射流实验比较,证明了程序的可靠性。数值模拟得到了剪切层以及壁面射流中的涡结构和主射流中的激波结构,并且在此基础上对涡合并和板前激波和涡干扰现象进行了深入研究。发现涡合并现象主要出现在流场的上游,越往下游出现的几率越小;涡和板前激波的相互作用会引起激波位置和强度以及冲击平板上冲击区的压强的显著变化,同时也会导致涡的变形。     

高升力翼型复杂流动模拟中湍流模型性能评估

采用软件Fluent中工程常用的7个涡黏湍流模型对某种高升力3段翼的降落阶段绕流进行了数值模拟.通过和试验及经过试验校验过的延迟脱体模拟（delayed detached eddy simulation,DDES）结果进行详细的对比分析,包括翼型压力系数、马赫数、涡量场和湍动能分布等,系统地研究了常用涡黏湍流模型对该高升力翼型的模拟性能.结果表明：对于平均流场,standard k-ω模型的模拟性能最好,能较好预测翼型压力系数、襟翼分离区位置和大小等;SST （shear stress transport）k-ω模型性能也较好,一方程SA （Spalart-Allmaras）模型和四方程v²-f模型具有相近的性能,而k-ε系列模型性能相对较差.对于湍流场的模拟性能,和上述平均流场对比所得结论相一致,但所有湍流模型均未预测出襟翼分离区附近湍动能“最大”的分布特征.     

一种改进的类DES湍流模拟方法

构造了一种基于一方程S-A(Spalart-Allmaras)模型和一方程Yoshizawa亚格子模型的混合RANS/LES(Reynolds-averaged Navier-Stokes/large eddy simulation)湍流模拟方法.在涡黏假设的基础上,将Yoshizawa亚格子湍动能方程转化为等效的亚格子湍流涡黏性输运方程,并采用混合函数将其与S-A模型方程进行混合,从而改进了DES(detached eddy simulation)模型的亚格子行为,同时克服了其依靠网格控制模型转换的缺点.模拟了超声速的带斜坡凹腔流动,并与相同网格下的LES及DES结果进行了比较,结果表明该混合RANS/LES方法在远离壁面的自由剪切流区域与LES行为一致,而在附着边界层区域表现优于LES和DES方法.      

单个压电风扇传热特性

基于压电风扇运动规律的激光多普勒测振仪测试结果,利用动网格技术对单个垂直壁面压电风扇的三维非定常流动和传热特性进行了数值模拟,同时应用红外热像仪对表面局部对流换热系数分布进行了测量。研究结果表明:时均对流换热系数的数值模拟与实验结果具有良好的一致性;加热表面的存在,导致压电风扇激励的涡系结构与其在自由空间振动时诱导的流场存在一定的差异,脱落涡相比于自由空间时更易于破碎;压电风扇振动诱导的涡冲击加热表面所形成的近壁流动呈现出明显的平行于风扇的侧向流动,而在压电风扇两侧边则出现卷吸的特点,叶尖包络区对应的壁面局部对流换热有显著的强化作用,表面对流换热系数分布在包络区外围呈现出明显的哑铃状特征。     

涡轮机匣壁面换热特性的数值计算

为了研究涡轮机匣的换热特性,采用分段计算技术,各段连接为耦合连接,对某型涡轮机匣模型进行数值模拟,减小了计算复杂结构的难度,详细分析了机匣流动区域的流动特性和壁面的换热特性。结果表明:孔出流对壁面有很强的冲击作用,导致冲击区壁面换热系数很大;腔内气流流动情况复杂,具有复杂的漩涡结构;气流涡作用于壁面,增强壁面局部换热,换热系数增大;计算结果与实验结果吻合很好,定性地反映了机匣的流动和换热特性。     

基于SST k-ω的超声速气膜冷却湍流模型温度修正

针对现有湍流模型无法准确预测非等温超声速气膜冷却行为的问题,在现有SST k-ω可压缩修正模型基础上,以总温梯度为变量,完成了湍流模型的温度修正,并首先通过非等温可压缩自由剪切流动实验数据初步验证了其修正效果,在此基础上对温度修正模型预测超声速气膜冷却传热的准确性进行了验证。结果表明,基于剪切层总温变化的湍流模型修正效果显著,可准确预测大温度梯度下的自由剪切流动轴向速度分布;修正模型计算得到超声速气膜冷却壁面热流分布与对应的实验结果吻合;当用于剪切层温度大梯度变化的超声速气膜冷却数值模拟时,温度修正后的SST k-ω模型与可压缩修正的k-ω模型、SST k-ω模型相比,具有显著优越性。     

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.      

Accurately predicting hypersonic transitional flow on cone via a symmetry approach

A new algebraic transition model is proposed based on a Structural Ensemble Dynamics (SED) theory of wall turbulence, for accurately predicting the hypersonic flow heat transfer on cone. The model defines the eddy viscosity in terms of a two-dimensional multi-regime distribution of a Stress Length (SL) function, and hence is named as SED-SL. This paper presents clear evidence of precise predictions of transition onset location and peak heat flux of a wide range of hypersonic Transitional Boundary Layers (TrBL) around straight cone at zero incidence, to an unprecedented accuracy as validated by over 70 measurements for varying five crucial influential factors (Mach number, temperature ratio, cone half angle, nose Reynolds number and noise level). The results demonstrate the universality of the postulated multi-regime similarity structure, in characterizing not only the spatial non-uniform distribution of the eddy viscosity in hypersonic TrBL on cone, but also the dependence of the transition onset location on the five influential factors. The latter yields a novel correlation formula for transition center Reynolds number which takes similar functional form as the SL function within the symmetry approach. It is concluded that the SED-SL model simulates TrBL around cone with uniformly high accuracy, and then points out to an optimistic alternative way to construct hypersonic transition model.     

高雷诺数槽道湍流的壁面模化大涡模拟研究

选取基准壁湍流的槽道流动,研究了多种模型的壁面模化大涡模拟.模型包括经典的大涡模拟、Spalart-Allmaras、分离涡模拟和一种动态混合模型.基于摩擦速度的雷诺数范围为395~12000,采用3组粗糙网格,流向和展向维数分别同取37,49和65,法向维数保证y+(1)~1.主要研究平均速度、雷诺切应力分布、详细分析了各模型的特性差异并展示了相应的湍流结构.研究表明:在高雷诺数粗糙网格下,大涡模拟失去求解精度,分离涡模拟出现对数律不匹配,动态混合模型的计算接近直接数值模拟,其对数率区可解应力约占雷诺切应力的93%,边界层外层可解应力约占99%.这说明合适的混合模型可以在经济成本下保证计算精度,具有解决实际问题的潜力.      

湍流边界层各向异性张量模式的实验研究

使用高时间分辨率粒子图像测速技术在水槽内精细测量平板湍流边界层内不同流向、法向位置的瞬时速度矢量空间场的时间序列信号。利用实验数据对湍流各向异性的涡黏张量模式进行了实验研究,给出了湍流边界层不可压缩槽道湍流中各向异性的涡黏张量各分量的空间分布规律。各向异性的涡黏张量分量的空间分布揭示了流向平均速度的法向梯度对雷诺应力三个分量的不同贡献。涡黏张量三个分量空间上的不同规律说明对涡黏张量的各向异性的考虑是合理的,而各向同性的涡黏模型不适宜描述剪切湍流雷诺应力的物理本质。     

湍流涡黏性模型方程中相位差的测量

基于理论上湍流相干结构复涡黏性模型对涡黏性系数的分析,应用热线测速技术测量了平板湍流边界层多尺度相干结构动力学方程中非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力分量与相干结构流向速度流向变形率之间的相位差。分析了湍流边界层相干结构猝发过程中,非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力分量与相干结构流向速度流向变形率之间的相位差沿湍流边界层法向的变化规律,为建立更加符合实际的湍流模型提供了实验依据。     

壁湍流调制雷诺应力和拟序结构应变率空间形态的层析PIV实验研究

采用高时间分辨率的层析PIV技术,测量了水洞壁湍流三维速度分量空间分布的时间序列,应用局部平均速度结构函数概念对流向速度信号进行多尺度分解,以流向速度分量的局部平均速度结构函数过零点作为特征量检测壁湍流中拟序结构猝发的喷射和扫掠过程,应用空间相位平均技术提取拟序结构猝发的喷射和扫掠过程各速度分量、涡量分量、拟序结构速度应变率分量以及调制雷诺应力分量的空间相位平均拓扑形态。为了引入平衡态涡粘模型假设模拟调制雷诺应力,研究了拟序结构猝发过程中调制雷诺应力分量和速度变形率分量的空间分布形态,发现两者之间的空间相位分布不一致。由于存在时空相位不同步性,说明需要考虑大尺度拟序涡结构引起动量传递的时空弛豫效应。应用经典的线性平衡态下的Boussinesq涡粘模型不能准确地描述壁湍流拟序结构动量传递非平衡现象的物理机理。对于壁湍流拟序结构动力学方程中调制雷诺应力的模拟,应采用包含时空相位信息的复涡粘张量模型。由于雷诺应力与速度变形率的时空不同步性,对非平衡非局部湍流场的数值模拟提出了一个挑战性的问题,建议采用包含相位信息的复涡粘张量模型来模拟雷诺应力张量,从而更加符合雷诺应力演化的物理机理,这一模型有可能成为一个很有发展前景的封闭模型,从而更加准确地预测工业领域中广泛存在的非平衡湍流。     

Numerical study of transonic separation flow using an anisotropic turbulence model

A transonic turbulent separation flow in a converging-diverging transonic diffuser was studied, when there existed a separation bubble on the top wall of the diffuser triggered by strong shock-wave-boundary-layer-interaction (SWBLI). To capture the essential behavior of this complex flow, the current study utilized an anisotropic turbulence model developed on the basis of a statistical partial average scheme. The first order moment of turbulent fluctuations, retained by a novel average scheme, and the turbulent length scale, can be determined from the momentum equations and mechanical energy equation of the fluctuation flow, respectively. The two physical quantities were readily used to construct the nonlinear anisotropic eddy viscosity tensor and to significantly improve the computational results. Comparisons between the computational results and experimental data were carried out for velocity profiles, pressure distribution, skin friction coefficient, Reynolds stress as well as streamline vectors distribution. Without using any empirical coefficients and wall functions, the numerical results were in good agreement with the available experimental data, further confirming that the nonlinear anisotropic eddy viscosity tensor is the decisive factor for the success of the computational results.     

轴承腔内壁与油膜换热的数值模拟与试验

航空发动机后轴承腔内壁与滑油的换热分析是轴承腔热防护结构设计的基础。对航空发动机轴承腔内壁换热模拟试验件开展试验与数值模拟研究,得到了滑油油膜对轴承腔内壁的换热影响。通过测量试验件外壁面、内壁面以及滑油油膜的温度得到了试验件内壁面换热热流密度与换热系数的分布;结合CLSVOF(Coupled Level Set and Volume Of Fluid)油/气两相流以及热-流-固耦合计算方法对试验件进行了换热分析,并将内壁对滑油的局部热流量的计算结果与试验结果进行了对比,结果显示两者在各个工况下均吻合较好。通过将局部换热系数计算值与当地的滑油流动雷诺数Rel进行对比分析,结果显示内壁局部努赛尔数Nuw与Rel的0.7次方成正比关系。另外,对转速对换热的影响进行分析得到Nuw与旋转雷诺数Re_(rot)的0.345次方呈正比关系。     

A new two-scale model for large eddy simulation of wall-bounded flows

A new hybrid approach to model high Reynolds number wall-bounded turbulent flows is developed based on coupling a two-level simulation (TLS) approach (Kemenov and Menon, 2006 [1], 2007 [2] in the inner region with conventional large eddy simulation (LES) away from the wall. This new approach is significantly different from previous near-wall approaches for LES. In this hybrid TLS–LES approach, a very fine small-scale (SS) mesh is embedded inside the coarse LES mesh. The SS equations capture fine-scale temporal and spatial variations in all three Cartesian directions for all three velocity components near the wall. The TLS–LES equations are derived using a new scale separation operator that allows a smooth transition between the two regions, with the equations in the transition region obtained by blending the TLS large-scale and LES equations. New terms in the hybrid region are identified. The TLS–LES approach is used to study the near-wall features in canonical turbulent channel flows for a range of Reynolds number using relatively coarse large-scale (LS) grids. Results show that the TLS–LES approach is able to capture the effect of both the LS and SS features in the wall region consistently for the range of simulated Reynolds number.