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。     

可压缩粘性流动笛卡尔网格虚拟单元方法研究

以二维高雷诺数可压缩粘性流动问题为背景,提出了一种全新的笛卡尔网格虚拟单元方法。基于壁面函数基本假设,构造了壁面函数-虚拟单元方法(WF-GCM),用于定义湍流壁面边界条件。引入参考点的概念计算虚拟单元上的基本变量与湍流变量值,定义了"非贴体"笛卡尔网格下的湍流壁面边界条件,并通过壁面函数模型修正近壁面单元与界面单元。基于自适应笛卡尔网格体系,采用发展的具有二阶精度的格心格式有限体积求解器,数值模拟了跨音速RAE2822翼型绕流问题与超音速圆柱绕流问题,计算结果与实验值吻合良好,显示了WF-GCM对高雷诺数可压缩粘性问题是有效的。     

用二维N—S方程计算汽车流场的地面效应

采用有限体积方法求解了Navier-Stokes方程,计算了绕二维类汽车物体的绕流并研究了地面效应。在非正交网格系统上以强守恒形式构造出有限体积方程,采用压力校正算法来求解所得到的方程。对于湍流情况,采用了双方程模型的κ_ε模型。 为了验证采用本程序计算移动壁面效应的正确性,本文给出了Couette流动的计算结果。 本文也给出了汽车绕流的计算结果,它包括层流情况,从汽车头部开始由层流转为湍流的混合流动情况及湍流情况。对于每一种情况都比较了移动壁面的计算结果和固定壁面的计算结果。     

不可压缩实际粘性流体绕流孤立翼型的数值研究

本文提出了基于微分-积分方程组求解N-S方程的有限差分法求解不可压缩实际粘性流体绕孤立翼型流动。计算中采用了K-ε湍流模型结合考虑逆压梯度的壁面函数法,并导出任意非正交曲线坐标系下的压力修正方法和适用于大流通量的混合格式。分别计算了层流和湍流情况下带分离翼型绕流,与流动显示及实验数据比较表明,在预测分离点位置,翼型表面压力、平均速度分布、雷诺切应力uv方面,两者吻合,结果是满意的。     

基于雷诺平均Navier-Stokes方程的表面传热系数计算

采用有限体积法数值求解控制二维绕流的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程组,计算了光滑和粗糙NACA0012翼型以及圆柱表面的局部表面传热系数.分析了近壁面网格间距、湍流模式和表面粗糙度模型对数值计算结果的影响.结果表明:切应力输运(SST)湍流模型能够区分层流和湍流边界层的对流传热特性,并能预测转捩的发生;采用Spalart-Allmaras(S-A) 扩展模型能够计算粗糙壁面的对流传热系数,但采用忽略转捩函数的S-A模型不能有效计算层流边界层的传热系数.当近壁面网格间距接近10-5量级的黏性子层时,在光滑和粗糙壁面都能得到准确的传热系数分布.结合合适的近壁面网格间距,湍流模式和表面粗糙度模型可以得到与实验数据十分接近的表面传热系数曲线.通过与求解不可压缩RANS方程得到的结果比较后发现,不可压缩RANS方程主要忽略了压缩和黏性耗散效应,这种效应可以通过绝热升温项的形式并入总体热分析.      

绕钝体分离流动的非定常数值模拟研究

利用非定常RNGk-ε模型对三种典型的钝体绕流问题进行了研究,这三种流动分别为:方柱绕流、圆柱绕流和绕立方柱流动。研究表明了采用非定常雷诺平均方法可以研究钝体绕流的非定常流动,但所获得的结果各不相同。对于分离角固定的方柱绕流和绕立方柱流动,数值模拟结果和实验以及大涡模拟结果吻合较好,对于分离角不固定的圆柱绕流,随着雷诺数的增加,数值模拟结果和实验结果相差越大,分析认为这是由于壁面模型无法准确预测流动中不固定的分离角所致。改进了绕立方柱流动的模拟方法,采用非定常模拟方法后获得的结果要比定常模拟方法得到的结果有了根本改善。     

风雷软件LES开发设计与验证

基于国家数值风洞风雷软件开源框架，设计开发了LES(Large Eddy Simulation)湍流模型，主要包括Fourier谱/有限差分方法 LES求解器和有限体积/有限差分方法 LES求解器。简要介绍了采用的不可压缩流动求解的投影法、Fourier谱/有限差分混合方法、亚格子模型等理论方法，给出设计的软件框架和计算流程，尤其说明采用的松/紧2种耦合模式。通过数值模拟不可压缩槽道湍流、亚临界雷诺数圆柱绕流、NACA0012临界攻角的低频振荡算例，验证求解器的计算精度和复杂湍流模拟能力。基于风雷开源框架设计的开源LES模型，具备高精度数值格式、亚格子模型、湍流统计等通用模块，可为国内学者提供一个LES湍流模拟研究的开放平台。     

扩散界面浸入边界法结合壁面模型在湍流模拟中的应用

提出了一种模拟高雷诺数湍流的扩散界面浸入边界法（IBM）。该方法采用壁面模型来减少壁面附近的网格量。为了实施壁面模型和边界条件，在物面外部设置了2个辅助层（一系列拉格朗日点）：外侧的参考层用于实施壁面模型来得到壁面剪应力，内侧的强制层用于实施离壁的边界条件。在实施壁面模型时，将动量方程沿物面法向积分，从而把物面切向的速度修正量与由壁面模型得到的壁面剪应力联系起来，而速度的法向分量则按二次曲线分布来近似重构。在实施边界条件时，为了严格满足无穿透条件，应用了基于隐式速度修正的IBM。最后，利用绕平板湍流和绕NACA0012翼型湍流来对方法的可行性进行了验证。     

基于神经网络的减阻沟槽壁面形状优化

针对沟槽外形减阻问题，采用基于神经网络的方法对沟槽壁面形状进行外形优化。模型采用槽道流动模型，控制方程为黏性不可压缩Navier-Stokes(NS)方程，流动求解采用直接数值模拟（DNS）方法，对于对流项的离散采用紧致4阶中心格式，对黏性项的离散采用4阶中心格式，时间推进采用3阶Runge-Kutta格式。在神经网络优化过程中，约束方程为不可压NS方程，采用基于在线学习的自适应控制器，使用基于抑制展向切应力的控制律，控制量的产生由壁面变形提供。优化结果表明，壁面最大减阻效果可达17.41%。对于优化后的壁面，湍流强度降低了19.68%，同时壁面的涡量与雷诺切应力亦有所降低。由于湍流流动非定常，因此优化得到的壁面形状亦是时变的，但变化的过程中整体上仍呈现流向沟槽的形状。     

基于混合RANS/LES方法与FW-H方程的气动声学计算研究

在气动噪声的数值计算过程中,非定常流动的求解精度对声学计算结果有着重要的影响.以机体噪声计算的标准算例双圆柱绕流气动噪声问题为研究对象,采用基于非线性k-ε湍流模型的限制数值尺度(LNS)方法对双圆柱绕流进行了数值模拟,将计算得到的气动特性和流动特征与相应的试验结果进行了对比分析.为了求解远场观测点处的气动噪声,在精确求解双圆柱绕流流动的基础上结合基于FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的声类比方法进行数值计算,并通过圆柱体的展向相关性对计算结果进行了修正,将得到的最终结果与相应的声学试验结果进行了对比,两者吻合良好,表明该数值方法是准确、可靠的.     

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。     

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。     

基于当地流动结构的RANS/LES混合模型

针对传统雷诺平均Navier-Stokes/大涡模拟(RANS/LES)混合模型固有的RANS和LES区域衔接难题,借鉴Vreman提出的亚格子(SGS)模型,提取其中描述流动状态的判断函数,利用不可压缩槽道湍流标定模型系数,构造了一个新的RANS/LES混合模型。评估算例包括不可压缩槽道湍流、稳态超声速平板边界层、NACA4412翼型绕流和亚临界雷诺数圆柱绕流。该模型作为壁面模化LES,解决了传统RANS/LES方法中速度型偏离对数律(LLM)的缺陷,且拓宽了原Vreman模型在粗糙网格上的适用性,具有较高精度。该模型同时解决了模化应力折损问题,且对大尺度分离流动的模拟精度相较传统的RANS/LES混合模型如脱体涡模拟(DES)有进一步提升。     

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。     

使用GAO-YONG湍流方程组计算翼型分离流

采用SIMPLE方法求解GAO-YONG不可压湍流方程组, 对不同来流迎角下的NACA0012翼型绕流结构进行了数值模拟, 给出了翼型绕流分离流结构随迎角的变化特征和翼型在分离绕流中的气动力参数.与实验数据以及大涡模拟结果的比较表明, GAO-YONG不可压湍流方程组能够对翼型绕流的分离点、分离涡形态、表面压力分布、升阻特性做出较好的预测, 能够模拟翼型大攻角分离流动, 计算结果优于FLU-ENT软件中的k-ε、k-ω、k-ωsst模型的计算结果.      

NACA4412翼型低速绕流数值计算中湍流模型对比

使用Spalart-Allmaras(S-A)、SSTk-ω、Gao-Yong 3种湍流模型对NACA4412翼型低速绕流进行了数值计算,研究了尾迹流动松弛效应。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。计算中对翼型尾缘流松弛效应进行了分析,比较了翼型表面压力系数、速度剖面、雷诺应力等的分布,3种湍流模型总体上能够较好地模拟NACA4412翼型低速绕流。SSTk-ω模型对流动细节及升力系数计算最好,Gao-Yong模型对翼型平均速度剖面及雷诺剪切应力分布计算最准确。     

超音速绕凹角湍流分离流动的计算

本文用统一的Levy-Lees变换以及正算法与逆算法相结合,求解了超音速绕凹角湍流分离流动。 对附着流区用边界层正算法,压强分布用流过尖劈统一的高超音速与超音速公式,湍流模型取代数涡粘性模型;对凹角分离区用边界层逆算法,给定位移厚度δ~*分布,湍流模型取代数松弛模型;边界层计算采用Cebeci-Keller Box方法;计算成功地算得分离流场,较好地预估了分离点与重附点位置以及壁面压强分布与表面摩擦应力分布。     

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。     

基于低矮建筑物实测数据的改进湍流物理模型

要准确模拟低矮建筑物壁面上分离涡位置的平均风压比较困难,这些区域在绕钝体流动中也是很关键的部位.本文在Spalart-Allamaras湍流物理模型的基础上,根据钝体绕流流场特性,结合低矮建筑物上的实测数据,调试并选取合适的参数,提高涡粘预测的准确性,提出了改进的S-A湍流物理模型.通过对6m立方体和Silsoe低矮建筑模型进行稳态数值模拟,由改进S-A湍流模型得到的屋面、背风和侧风面上平均风压结果,比目前公认的模拟钝体绕流效果较好的SST湍流模型有较大改善,比风洞实验更接近实测结果.由此可以看出,本文改进湍流模型的方法,将是一条提高预测建筑物表面平均风压精度很有效的途径.     

收敛-扩张喷管中运用激波矢量控制法的计算研究

采用二阶TVD格式的有限体积法耦合RNG k-ε湍流模型和非平衡壁面函数求解二维守恒型雷诺平均N-S方程，数值模拟了运用激波矢量控制法的二维收敛一扩张喷管中的流动现象，很好的模拟出了由于次流喷射所产生的激波及上下壁面的压力分布，并将计算结果与国外的实验结果进行了对比。