湍流大涡数值模拟的现状与展望

近年来,随着计算机技术和计算流体力学(CFD)技术的发展,大涡数值模拟(LES)越来越多地应用于解决湍流流动问题.本文介绍了当前LES研究与应用的主要领域以及取得的成果,分析了LES的局限及实施的难点,并对LES未来的研究方向和重点进行了总结.     

关于约束大涡模拟方法的一些思考

高雷诺数壁湍流是工程设计和应用中非常重要的问题之一,其高效高精度的模拟方法一直是湍流研究的重要研究方向。约束大涡模拟方法(CLES)是近些年提出的新模拟方法之一,和传统的RANS/LES混合方法不同,CLES在全场做LES计算:在靠近壁面的内区,它采用带约束的亚网格模型,而在外区,它使用传统的亚网格模型。经过近10年的努力,CLES方法已经在不可压/可压缩附着流、不可压缩/可压缩分离流等经典算例中得到了验证,并成功应用于航空气动中复杂流动的模拟。本文在介绍CLES方法基本原理的基础上,对CLES方法应用中的一些问题进行了讨论,最后对CLES方法的未来研究方向也做了一些概括。     

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。     

两种亚网格燃烧模型的旋流扩散燃烧大涡模拟

用二阶矩亚网格（SOM—SGS）燃烧模型和文献中的涡旋破碎亚网格（EBU—SGS）燃烧模型，对甲烷一空气旋流扩散燃烧进行了大涡模拟，将二者得到的LES统计平均温度分布和实验结果以及用二阶矩燃烧模型的统观模拟（RANS—SOM）结果比较，表明LES—SOM和RANS—SOM的模拟结果都和实验符合较好，而LES—EBU的模拟结果和实验不符合，在不同区域内高估或者低估了燃烧温度。其原因是由于EBU模型不能有效地考虑有限反应动力学的作用。LES—SOM模拟的瞬态结果显示了旋流扩散火焰的湍流大涡结构不同于射流火焰的特点。     

洁净室流场大涡模拟

应用湍流大涡模拟方法对矢流洁净室和全顶棚送风下部两侧回风式洁净室进行了数值模拟。计算中使用了隐含流线抑风耗散作用的具有三阶部分展开的Taylor-Galerkin离散格式，导出了经Gauss滤波后的基本方程组的有限元列式，应用涡粘性亚格子模式的湍流大涡模拟方法进行数值模拟。数值计算结果与实验结果符合较好，表明湍流大涡模拟能够较准确地捕捉到洁净室流场中旋涡的位置和尺度，在洁净室的数值仿真方面，与标准的K－ε湍流模式相比，湍流大涡模拟结果具有较高的可靠性。     

固体火箭内流场的时均和大涡模拟技术对比研究

分别采用时均RNG湍流模拟和大涡模拟(LES)方法对某型固体火箭发动机内流场进行了瞬态数值模拟研究,建模过程中针对推进剂燃烧以及燃面边界采用了修正壁面通量的方法,并使用了动网格技术。结果表明:大涡模拟技术可以得到发动机内湍流流场中详细拟序结构,时均湍流模拟对于火箭发动机内流场时均量的模拟仍有较好的工程精度。     

复杂湍流流动的混合RANS/LES方法研究

混合RANS/LES方法是近年来复杂湍流模拟的重要方法。简要回顾了混合RANS/LES模拟方法的发展历程,着重总结和分析了分离涡混合模型、类Menter SST混合模型以及湍流能量谱一致混合方法三类混合模型的构造方法和发展历程,对这三种方法的应用以及优缺点进行了简要评述,最后指出了混合RANS/LES方法发展应该兼顾的问题,为下一步的混合RANS/LES模拟提供了参考。     

空间发展混合流的大涡模拟

采用大涡模拟方法数值模拟了空间发展混合流，通过在平均流中引入小扰动，研究了混合流大涡结构的产生和演化过程，捕捉了展向涡的卷起、配对、合并，以及二次流向涡的出现等大尺度的三维拟序结构。与实验及直接数值模拟的结果相比，吻合程度较好，表明本文所采用的LES方法对湍流的数值模拟是切实可行的。     

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。      

三维槽道湍流的大涡模拟

利用大涡模拟方法模拟了雷诺数为13000的充分发展槽道湍流流动。为了比较网格和亚格子模型对计算结果的影响,采用了三种不同的网格数目,以及Smagorinsky模型和动力模型等两种亚格子模型,并与直接数值模拟结果进行了比较。结果表明,大涡模拟可以比较准确地给出速度分布、脉动速度均方根分布等湍流统计参数。在此基础上,对近壁区小尺度湍流结构进行了研究。     

轴向三级旋流燃烧室流场结构大涡模拟

为深入了解真实航空发动机燃烧室内部复杂流场结构，在自有CFD平台上采用动态亚网格模型对一种轴向3级旋流燃烧室的单个头部矩形试验模型0.5MPa下冷态流场结构进行了LES(大涡模拟).为避免试验模型简化误差，对包括火焰筒上约2000个气膜孔在内的燃烧室所有精细结构进行了完全仿真.计算模拟了燃烧室内复杂流场从静止启动到统计定常状态的完整非定常发展过程，成功捕捉到主旋流与横向对冲射流相互影响作用及涡旋破碎等细观结构，获得的测点湍动能谱与湍流经典理论中惯性子区-5/3规律一致，LES时间平均流场结构与已有PIV（particle image velocimetry）试验结果吻合，表明所建立的高仿真网格与LES方法可进一步用于真实航空发动机环形燃烧室流场数值模拟.      

带自由表面水流的分离涡模拟

目前水动力学问题的数值求解仍然广泛采用RANS模型,特别对于大尺度的地表水流的数值模拟,该类模型计算效率较高,但其难以给出湍流场的小尺度涡结构.深入研究复杂地形条件下的水流运动,需要发展诸如LES等的高级数值模型.天然地表水流,地形、边界复杂,雷诺数通常较高,高级数值模拟受限于计算能力的限制,还难以工程应用.RANS和LES混合模型是目前具有工程应用的一种混合数值模型,其已经在CFD领域获得了长足发展.然而对于地表水流运动的数值模拟,相关工作还较少.本文将分离涡模型(DES),即一种RANS和LES的混合模型,应用于带自由表面的地表水流运动,建立了一套数值仿真模型.模型基于有限体积法,水平面内采用非结构计算网格,垂向为结构化网格,对流项离散格式采用二阶TVD格式,并行基于OpenMP语言库.算例表明DES模型有助于揭示复杂地形条件下带自由表面水流的大涡拟序结构.     

纵向涡系与湍流边界层的相互干扰

本文从沿主流方向抛物化的雷诺方程出发，应用ｋ－ε湍流模式和差分方法对反向旋转纵向涡偶、同向旋转纵向涡列以及类Ｔａｙｌｏｒ－Ｇｏｒｔｌｅｒ涡系与平板滴流边界层的相干流动作了数值模拟，定性地讨论了这几种流劝的平均流场特性。反向旋转涡偶与边界层相干流场的数值模拟与文献２给出的测量结果作了比较。     

DNS/LES方法在剪切湍流模拟中的应用

提出采用DNS/LES混合方法进行自由剪切类混合流动湍流研究,该方法兼顾了直接数值模拟(DNS)方法在转捩线性范围内的高精确度模拟和大涡模拟(LES)方法在转捩非线性及全湍流区的高效模拟两方面优点,通过对低对流Mach数流场计算表明该方法可以较好地模拟流场的转捩过程.同时,文中还对比实验分析了湍流场对光学传输效应的影响,给出了与实验一致的结论.     

基于人工神经网络的可压缩湍流大涡模拟模型

在国家数值风洞（NNW）工程项目的指导下，空间人工神经网络（SANN）模型被用于强可压缩湍流大涡模拟（LES）研究，其中流场的湍流马赫数分别为0.6、0.8、1.0。基于湍流的多尺度空间结构特性和人工神经网络方法发展的高精度空间神经网络（SANN）模型适用于不可压缩湍流和弱可压缩湍流。对于强可压缩湍流，流场中会出现激波结构，给大涡模拟带来了挑战。本文的研究结果表明：SANN模型适用于强可压缩湍流的大涡模拟。在先验分析中，SANN模型预测的亚格子应力和亚格子热流的相关系数超过0.995，远远高于梯度模型和近似反卷积模型等传统模型；传统模型的相对误差大于30%，而SANN模型在这方面有很大的改进，相对误差低于11%。在后验分析中，与隐式大涡模拟（ILES）、动态Smagorinsky模型（DSM）、动态混合模型（DMM）相比，SANN模型能更精确地预测能谱、各类湍流统计特性以及瞬态流动结构。因此，基于湍流多尺度空间结构特性的人工神经网络模型加深了人们对强可压缩湍流亚格子建模的认识，同时可以服务于NNW工程的流体力学模型构造。     

平直槽道内湍流运动的大涡模拟

为在中型机上实现对湍流运动的大涡模拟,采用Moin的基本模型,在数值计算中采用了诸如高斯滤波函数、速度压力交错网格、谱方法以及一种简单的压力计算的修正等方法和技巧,计算结果与Moin结果比较,表明在我国现有条件下也有可能进行大涡模拟方面的工作。     

湍流模型对三维翼梢涡流场数值模拟的影响

 梢涡流场数值模拟对减少梢涡的不良影响意义深远。应用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法建立了三维翼梢涡流场数值模型,选用的湍流模型包括两种经典两方程模型和一种代数雷诺应力模型。计算内容包括翼梢涡流场速度分布、压力分布及涡核位置,为了准确模拟梢涡涡核内系统旋转和流线曲率影响,将旋转和曲率修正方法应用于选用的湍流模型中。计算时对翼梢涡涡核处网格进行了加密处理。将计算结果与实验结果对比后发现,修正后的湍流模型较标准湍流模型明显提高了预报精度,与实验结果吻合较好,具有工程应用价值。     

基于湍动能谱的自适应大涡模拟方法

为了在计算量有限的前提下实现对不同尺度上湍流燃烧结构的直接求解,提出了新的基于湍动能谱的自适应大涡模拟的概念。在这一概念下,利用湍动能谱和自适应网格技术建立了跨尺度算法,从而实现DNS和LES两种方法的耦合。在湍流非预混氢气射流火焰的模拟中,该方法既能捕捉大尺度湍流结构,又能分辨小尺度燃烧结构,计算出的物理量的瞬态和时均分布和DNS结果吻合得较好。计算偏差主要体现在DNS和LES区域的过渡处,这与亚格子湍动能在过渡处的变化不够平滑有关,表明跨尺度算法需要优化,以完善对不同尺度间湍动能传输的模拟。      

湍流大涡数值模拟进展

本文简要陈述湍流大涡数值模拟的原理、优点,着重讨论湍流大涡数值模拟方法的关键问题及其可能解决的途径,包括脉动的过滤、亚格子模型、近壁模型和标量湍流的大涡数值模拟中的特殊问题.文章强调大涡数值模拟中亚格子应力的本质是可解尺度湍流和不可解尺度湍流动量间的输运,并以作者最近提出的新型亚格子模型说明发展亚格子模型的正确途径.文章最后提出湍流大涡数值模拟近期需要迫切解决的问题和其他具有挑战性的方向.     

基于LES方法的平板非定常激波/湍流边界层干扰研究

以高超声速发动机进气道湍流分离控制为应用背景,采用大涡模拟(LES)方法进行马赫数为3.0(唇口附近马赫数约为3.0)的激波/湍流边界层干扰(SWTBLI)流场机理研究.利用扰动循环引入的方法,先得到充分发展湍流场,然后根据斜激波关系式引入激波的方法进行激波/湍流干扰模拟.研究结果显示:充分发展湍流场在激波作用下产生逆...