粗糙壁面诱导的流动转捩数值模拟方法

为预测粗糙壁面诱导的流动转捩,对Langtry提出的γ-Re_θ转捩模型增加粗糙壁面的比耗散率和涡黏性的边界条件,并对模型中的经验关联函数——转捩动量厚度雷诺数进行修正,引入等效沙粒表面粗糙度作为变量,使模型具有一定的预测粗糙壁面诱导的流动转捩的能力.对粗糙平板自然转捩算例和变压力梯度平板绕流算例进行数值模拟,计算结果与风洞实验数据符合的较好.主要结论如下:表面粗糙度一般会增加边界层内的传热系数和阻力系数,同时使层流到湍流的转捩位置提前;自然转捩的转捩位置受表面粗糙度影响较大,与光滑壁面相比,平板算例中0.15mm的表面粗糙度使转捩位置提前40%;分离诱导转捩的转捩位置受表面粗糙度影响较弱,随着表面粗糙度逐渐增加,转捩位置和分离泡位置略有后移,且分离泡强度逐渐减弱,分离泡之后的阻力系数增加.      

粗糙壁面表面传热数值计算比较

为了计算冰形模拟中的表面传热系数,给出了三种粗糙壁面表面传热系数计算方法,即传统的边界层积分法、基于k-ε湍流模型及标准壁面函数的计算方法(k-ε法)和基于Spalart-Allmaras湍流模型在粗糙壁面扩展的计算法(S-A扩展法).计算了直径为15cm、表面等效沙粒粗糙高度为1.35mm的圆柱,在Re分别为8.8×...     

NS方程中耦合转捩判断的风力机翼型气动力数值模拟

在Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程计算中耦合Michel经验判据和Chen-Thy-son转捩模型对风力机翼型S809进行计算。由RANS方程求得翼型表面压力分布作为层流边界层方程求解的输入参数,然后使用Michel经验判据分析判断层流边界层的解得到转捩点的位置,使用Chen-Thyson转捩模型得到从层流到湍流的转捩过渡区,这样随着流场的迭代求解,求解器自动更新判断出转捩点位置。对S809翼型进行全湍流和耦合转捩判断的RANS方程计算,可以看到考虑转捩判断后得到的升阻力系数与实验值吻合较好,验证了方法的可行性。     

污垢沉积影响叶片表面换热的研究

选用了两个实际透平叶片MARKⅡ静叶和某高压透平静叶,前者为光滑叶片,后者为表面覆盖有圆台的粗糙表面叶片.利用CFD数值模拟技术对叶栅流道特性和叶片表面换热分布进行数值模拟计算,数值计算结果与实验结果对比验证了数值方法的可靠性.研究表明,准确预测转捩位置和选取合适的y+值是计算叶片表面换热特性的关键,剪切应力输运(SST)转捩模型预测的结果最令人满意.在粗糙叶片表面数值计算中,对表面粗糙度模型进行验证,然后详细分析了污垢沉积对叶片表面换热的影响.结果表明:随着叶片表面粗糙度的增大,叶片近壁面湍流增强,叶片的表面传热系数增大.      

壁面温度控制对平板边界层影响的数值研究

通过对零压力梯度的平板边界层流动施加温度控制,展开壁面温度控制对平板层流边界层和湍流边界层影响的研究,探索温度控制对平板转捩雷诺数和壁面摩擦阻力的影响规律。采用带有转捩模式的三方程湍流模型对平板边界层流动进行数值模拟,重点考察了壁面摩阻系数、平板转捩雷诺数、湍流边界层流动随壁面温度变化的规律。计算结果表明在壁面温度从288 K 增大到432 K 时,边界层转捩雷诺数增大约36%,表面摩擦阻力减少约9.6%。研究分析表明：加热控制使层流区域温度边界层内粘性作用增强,雷诺切应力和湍动能减小,流动更加稳定;而湍流区域边界层内粘性底层中速度梯度和粘性切应力减小,导致壁面处摩擦切应力减小。因此壁面加热控制可以延迟边界层转捩,减小湍流区摩阻系数,并减小平板摩擦阻力。     

NS方程计算中耦合转捩自动判断的阻力精确计算方法初探

在Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程计算中耦合了流动转捩的自动判断以提高现有求解器预测翼型阻力的准确性.由RANS方程求得翼型表面压力分布作为层流边界层方程求解的输入参数,然后使用简化的eN-数据库转捩判断方法分析层流边界层的解得到转捩点的位置,这样随着流场的迭代求解求解器自动判断转捩点的位置.在对NLF0416翼型的气动性能计算中考虑流动转捩的因素后得到的翼型升阻力特性和实验吻合较好,验证了本文方法的正确性.     

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。      

耦合Navier-Stokes方程的可压缩边界层数值求解

为了在Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS)方程计算中耦合eN方法进行转捩判断,在RANS方程求解过程中耦合求解了可压缩层流边界层方程为判断转捩提供了精确、可靠的边界层信息.利用等熵关系由RANS方程求出的物面压力分布确定边界层外边界的速度分布,进一步确定出边界层外边界.边界层方程的求解使用Keller提出的二阶BOX方法.为了验证方法求解边界层方程的正确性,在低速流动状态下将计算结果和XFOIL的计算得到的边界层解进行了比较,二者吻合较好.     

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.      

Gamma-Theta转捩模型在绕翼型流动问题中的应用

在非结构RANS求解器上实现了完全基于流场当地变量和转捩经验关系式的γ-Reθ转捩模型,并利用该模型对S809和NLF0416两种翼型在中等迎角以及大迎角下的低湍流度绕流问题进行了计算.计算结果表明该模型可以准确地预测自然转捩、分离泡转捩和再层流化等各种转捩现象,中等迎角下预测的转捩发生位置和升阻力系数与实验吻合较好,大迎角下该模型也捕捉到了前缘分离泡.同时计算结果也表明该模型预测结果受物面流向网格密度和对流项数值离散格式影响较大,计算时须加以注意.     

粗糙壁热交换实验研究

 本文介绍了来流马赫数5的条件下,典型球锥模型的粗糙壁热交换实验结果。模型头部半径R为27.4毫米,底部直径D为60毫米,对五个不同粗糙度的模型进行了实验。模型表面粗糙颗粒直径d分别为0、0.3、0.5、0.7、0.9毫米。风洞前室总压P_t为10～45公斤/厘米。,相应的来流雷诺数R_eD为（O.8～3.6）×10⁶。 实验结果表明:光滑壁模型表面是层流加热,驻点热流与层流理论计算值较一致。粗糙度的影响,在低总压条件下（10公斤/厘米）主要在于促使边界层的转捩和发展。随着风洞总压的提高,物面静压和局部雷诺数的相应增大,粗糙度对热流的影响才明显增强,而严重的区域在端头。在实验最大粗糙度和最大总压条件下（d=O.9毫米、p_t=45公斤/厘米。）,除驻点值外,热流与光滑壁层流驻点值相比(q_i/q_so)的峰值在音点区域且接近4,而在驻点,此模型有别于其它模型,较为特殊,比热流最大值接近6,看来这可能与驻点局部外形变化有关。     

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。     

矩形横截面螺旋管湍流流动与传热特性的数值研究

 采用了剪切应力输运(SST)k-ω两方程湍流模型并考虑近壁低雷诺数的修正对矩形横截面螺旋管内冷却水流动和传热特性进行了数值研究。数值分析了在不同入口雷诺数、曲率半径以及扭距条件下,螺旋管内的温度、速度场以及流线的变化,讨论了螺旋管内、外壁面对流传热系数的差异及产生机理,同时与直通管道传热性能进行了比较。研究发现由于离心力的作用,螺旋管内存在显著的二次流动,管内、外侧壁面对流传热存在差异。旋转一周后,螺旋管即进入了流动稳定状态,入口雷诺数可以显著提升螺旋管整体的对流换热效率,扭矩和曲率对内外壁面传热效果的影响不大,而窄高型的横截面构型可以显著改善螺旋管的传热效果。研究结果对应用矩形横截面螺旋管的冷却设计提供参考。     

沟槽面湍流减阻数值评估方法

为解决雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法模拟沟槽面减阻的实际应用问题,受Wilcox对粗糙度模化方法的启发,通过深入分析k-ω剪切应力输运(SST)湍流模型近壁区ω值的作用效果,发现在黏性底层内增加壁面ω值可使对应近壁区的湍动能、湍流黏度、雷诺应力均减小,这种对近壁区流动特性的作用效果与真实沟槽面一致。以经典的对称V型沟槽面(高度=间距)减阻实验数据为基础,通过引入减阻效果影响因子——压力梯度与偏航角,建立复杂流动条件下沟槽面几何尺寸到壁面ω值的模化函数方程,将数值模拟结果与实验结果对比,验证了模化沟槽面可以达到与真实沟槽面相同的减阻效果,并依此给出沟槽面减阻在工程实践中的应用方法,以C919翼身组合体巡航构型为例,完成其沟槽面减阻的总体设计与评估。     

对流传热场协同原理在高速可压缩边界层流动中的推广

应用理论分析方法对适用于不可压缩层流与湍流流动的对流传热场协同原理进行了可压缩层流与湍流流动上的推广。分析结果表明,与不可压缩流动的对流传热场协同原理不同,可压缩层流与湍流的对流传热取决于流动当地单位体积的动量与总焓梯度的协同。用当地单位体积的动量与总焓梯度的协同研究可压缩流动的壁面传热问题,对层流热流,不但计及了高速流动的密度变化对热流的作用,而且包括了静焓梯度、压力梯度、壁面分子黏性剪切效应对热流的影响;对湍流问题,除了高速流动的密度变化、压力梯度、壁面分子黏性剪切效应对热流的影响外,还计及了雷诺剪切应力对热流的作用。另外,对黏性影响不能忽略的不可压缩流动的对流传热问题,用速度向量与总温（总焓）梯度协同更精确。     

两种湍流模型及其可压缩修正在高超压缩拐角中的评估(英文)

采用在高阶精度差分格式对SA湍流模型和SST湍流模型及相应的可压缩修正模型在高超拐角流中进行了评估。可压缩修正方式考虑了密度梯度、压力膨胀和湍流马赫数等方法。为了减小数值误差与模型误差之间的混淆,控制方程的对流项采用了5阶精度的加权紧致非线性格式(WCNS-E-5),粘性项采用了一种半结点/结点交错的4阶中心格式。通过对马赫数为9.22的15度拐角和34度拐角湍流的模拟,考察了原始湍流模型及其修正模型的效果。计算表明:原始SST模型对高超拐角湍流的预测比原始SA模型准确,这种准确主要体现在对分离区预测、再附点附近压力和热流峰值预测上。通过混合采用Catris和Shur等的方法对 SA模型进行可压缩修正可以大大改进模拟效果。在SST模型的可压缩修正方法中,Catris的修正方法最好;考虑压力膨胀修正后得到的分离区远远偏大,比本原始SST模型更差;考虑湍流马赫数的修正方法得到的分离区偏小。本文还给了部分低阶格式的计算结果,高阶格式与低阶格式相比,对分离区大小、再附点附近的压力和热流峰值等的预测准度有所改进。     

Slip boundary conditions for rough surfaces

The velocity slip and temperature jump for a two-dimensional rough plate under hypersonic conditions were analyzed using the Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) method. Surface roughness was explicitly modeled by introducing various structures on the flat plate. The influences of relative roughness height, which involves the roughness height, roughness spacing, incoming velocity, and the degree of rarefaction, were analyzed and discussed. It is found that with the increase of the relative roughness height, the jump temperature increases, while the slip velocity decreases gradually. The effects of surface roughness on the slip coefficients can be attributed to the change of accommodation coefficients. A new slip model for rough surfaces was established in this paper, which accounts for the coupling effects of gas rarefaction and surface roughness, without the effort to model the surface roughness explicitly. The nitrogen flows in the microchannel, and flows over a blunt cone and an axisymmetric bi-conic body, were simulated under the modified and conventional slip boundary conditions, respectively. The numerical solutions were validated with experimental data. It can be safely concluded that compared with the traditional first-order slip boundary conditions, the modified slip model improves the accuracy of macroscopic properties, especially the heat transfer coefficient.     

二维沟槽粗糙槽道内的湍流特性研究

采用激光多普勒测速技术对光滑和粗糙槽道湍流特性进行了实验研究。粗糙元为二维横向V型沟槽,沟槽深度为0.8mm,沟槽间距为6.4mm,对应的槽道半高度与沟槽深度比为12.5。基于中线时均速度和槽道半高度的流动雷诺数范围为2740～17400。实验测量了包括时均速度、湍流强度、雷诺切应力和速度脉动偏斜因子和平坦因子在内的湍流统计量,结果表明沟槽型粗糙度对湍流的影响不仅局限于边界层内区,而是延伸到整个边界层范围。粗糙壁面上的粗糙度函数随雷诺数的增大而增大,时均亏损速度也较光滑壁面高。沟槽抑制了内区的流向湍流强度,同时增大了外区的湍流强度。粗糙壁面上的雷诺切应力高于光滑壁面,且与湍流强度一样表现出对雷诺数的依赖性。尽管沟槽型粗糙度对流向平坦因子影响不大,但对流向偏斜因子有显著影响。