用GAO-YONG湍流模式对翼型跨音粘流的数值模拟

应用GAO-YONG可压缩湍流模式,数值模拟了NACA0012,RAE2822翼型的定常跨音速粘流算例.对流项采用三阶ROE格式,扩散项采用二阶中心格式,用多步Runge-Kutta显式时间推进法求解空间离散后的控制方程.计算结果很好地预测了翼型表面的压力系数的分布、激波的位置、马赫数等值线的分布等情况,并且对翼型表面激波与边界层相互干扰以及层流向湍流的转捩问题进行了分析计算.计算结果与实验值符合很好,表明GAO-YONG可压缩湍流模式应用合适的计算方法能够高精度模拟翼型跨音粘性流动问题,并且基于GAO-YONG可压缩湍流模式各向异性湍流粘性的机理,提供了一种预测转捩起始位置的判别方法.      

使用GAO-YONG湍流方程组对扩压器流动的计算

采用基于同位网格的SIMPLE方法求解GAO-YONG不可压湍流方程组,对二维扩压器流动进行了数值模拟.通过界面速度动量插值法解决了压力锯齿波问题,并且采用了正交贴体网格和二阶QUICK格式离散对流项以提高计算精度.与实验结果以及BL(Baldw-Lomax)模型计算结果的比较表明,不需要任何经验系数及壁面函数的GAO-YONG不可压湍流模型方程组能够对有压力梯度的湍流流动做出很好的预测.计算发现,在机械能方程中引入平均流压力梯度的作用,对GAO-YONG湍流方程组正确模拟逆压力梯度流动起到了关键作用.      

使用GAO-YONG湍流方程组 对顶盖驱动方腔流的计算

运用SIMPLER方法、QUICK格式及交错网格技术求解GAO-YONG湍流方程组,对二维顶盖驱动方腔流进行数值模拟,得到方腔内的涡量分布和方腔中心水平剖线上的速度变化曲线,并与DNS(Directly Numerical Simulation)结果进行定性对比,有较好的一致性.结果表明,GAO-YONG湍流方程组中与湍流多尺度现象相对应的机械能方程对此湍流方程组能够合理地模拟出顶盖驱动方腔流中复杂的湍流粘性分布以及湍流能量逆转现象起到了关键作用.研究进一步证明了GAO-YONG湍流方程组能够得到复杂流动的真实粘性场.     

高超声速二方程湍流模型的数值模拟对比

对基于Reynolds和Favré(密度加权)混合平均的二方程湍流模型进行了修正,同时根据数值模拟高超声速流动时必须具有高分辨率捕捉间断面与在边界层内抑制数值粘性的能力的要求,提出了新的总变差减小(TVD)格式熵修正函数.在此基础上,通过对压缩拐角的高超声速湍流的数值模拟,对基于Reynolds和Favré混合平均的二方程湍流模型,以及其它不可压缩模型及可压缩性修正模型进行了对比,显示了不同湍流模型及可压缩性修正在计算壁面压力分布和热流分布上的特点,说明了对高超声速压缩拐角型流动,湍流模型可压缩修正的必要性,得到了基于Reynolds和Favré混合平均的二方程湍流模型的计算结果最接近实验结果.      

用GAO-YONG湍流模式对分离流动的数值模拟

采用GAO-YONG湍流模式对二维管道内三角形钝体绕流问题以及槽道内后台阶分离流动进行了数值模拟.求解程序基于开源数值计算平台OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation),数值模拟结果很好地预测了钝体绕流问题中漩涡脱落的尾流的流动趋势以及后台阶流动中分离再附的流动结构,同时分析了速度分布以及摩擦系数等参数并与实验值进行了对比,结果符合很好.这表明GAO-YONG湍流模式对大分离流动有较好的预测能力,对工程实践具有指导性作用.     

用GAO-YONG湍流模式对分离流动的数值模拟

采用GAO-YONG湍流模式对二维管道内三角形钝体绕流问题以及槽道内后台阶分离流动进行了数值模拟.求解程序基于开源数值计算平台OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation),数值模拟结果很好地预测了钝体绕流问题中漩涡脱落的尾流的流动趋势以及后台阶流动中分离再附的流动结构,同时分析了速度分布以及摩擦系数等参数并与实验值进行了对比,结果符合很好.这表明GAO-YONG湍流模式对大分离流动有较好的预测能力,对工程实践具有指导性作用.     

尖楔和半锥引起的激波／边界层干扰中相关特性研究

本文对于由尖楔和半锥等引起的后掠激波/边界层干扰中相关特性进行了实验研究。实验雷诺数Re=2.4×10~7/m,自由流马赫数Ma_∞=1.79,2.04和2.50。相关性研究的结果表明:在锥形干扰区域内,上游影响线和主分离线的斜率仅仅依赖于无粘激波强度,而无粘激波形状及湍流边界层特性对其影响不大。即在锥形干扰区域内,激波上游的流动特性主要依赖于无粘激波强度。     

超声速复杂流动中湍流模型的性能评估

对8°,16°,20°,24°超声速二维压缩拐角进行了数值模拟,系统评估了SA(Spalart-Allmaras), k-ω, SST(Shear Stress Transport)3种工程常用湍流模型对激波/边界层干扰复杂流动的模拟适用能力.对于"弱"干扰、小分离,工程常用湍流模型能够较准确地预测其压力、摩擦力、热流分布,而对于"强"干扰、大分离则会造成较大的偏差.同时,随着分离区的增大,各湍流模型的适用性能差别更加明显,数值方法也有一定的影响.      

粗糙度对涡轮叶片流动转捩及传热特性的影响

为研究表面粗糙度对涡轮叶片流动转捩以及传热特性的影响,在自行开发的CFD程序平台上提出了对γ-Re_θ转捩模型的粗糙度修正方法,并参考平板绕流和涡轮叶栅的实验数据对该方法进行验证。考虑粗糙度效应的影响,对Mark Ⅱ涡轮导叶5411工况进行数值模拟,得到如下结论:表面粗糙度对层流边界层换热系数影响不大,而对湍流边界层则有较大影响,进而显著改变壁面温度分布;与光滑壁面相比,5μm的等效沙粒粗糙度使吸力面湍流区域壁面温度升高约5.7K,100μm粗糙度使壁面温度升高28.4 K,增幅达5%左右;当壁面粗糙度较低时,激波干涉对吸力面边界层的转捩起主导作用,而当粗糙度大于某临界值时,其作用会使转捩位置突然变化,本算例中该临界值近似为150μm。      

高精度激波捕捉格式的性能分析

在数值模拟激波-湍流干扰问题时,为了精确模拟湍流脉动的小尺度结构,数值格式应尽量减小自身的数值耗散.但是为了稳定、无震荡地捕捉激波,数值格式又必须具有一定程度的数值耗散.基于上述这2种相互矛盾的要求,采用无黏泰勒格林涡、可压缩湍流等经典算例对目前广受好评的几种高精度格式进行了系统地对比.一系列的计算分析表明,当前工程中广泛应用的高精度格式虽然都能一定程度地满足上述2种要求,但与理想目标仍有较大的差距.     

气流掺混的数值模拟

采用显式的TVD MacCormack格式的时间分裂形式求解了平板上横流流场的二维N-S方程和组分输运方程,得到了流场中气体超音速流动和混合的结构图谱.为了获得对近壁附面层分离较好的模拟效果,采用了Lam和Bremhorst的低雷诺数ｋ-ε模型来模拟流动中的湍流粘性.计算结果表明,该方法可以用来求解横流流场中的气流掺混问题.     

微射流作用下的超声速流场控制机理研究

以24°压缩拐角为流场模型,针对不同注入总压微射流作用下来流马赫数为2.9的超声速压缩拐角流场进行了数值研究,喷射方向与来流垂直。研究表明,微射流阻挡作用下,其下游速度被减小,而减弱了分离激波强度。此外,微射流与来流耦合会产生正反向旋转流向涡对,在其下洗作用下,高能量流体被带入到边界层底部近壁面处,使此处低能流体被激活,进而增强了边界层的抗逆压能力不易发生分离,且这种激活能力会随注入总压的增加而增强。权衡控制效果和注入能量认为,注入压比(注入总压/来流总压)为0.60的微射流为最优方案,在其作用下,拐角区分离面积被减小了近70%、激波交汇点与壁面的距离被降低了近37%、分离激波强度被削弱近12%。     

使用Gao-Yong湍流方程计算翼体角偶流动

Gao-Yong湍流方程基于侧偏统计平均方法保留了湍流脉动量的一阶统计信息,并引入加权漂移速度对称性及正交各向异性,导出漂移流连续方程、动量方程和机械能方程,最后依据湍流物理的唯象论,使用动量传输链概念模化封闭了整个方程组.大量算例验证了此方程对广泛范围的复杂湍流问题的适定性.为了进一步的工程应用,将其加入开源计算流体力学软件OpenFOAM(Open Field Operation and Manipulation)中,并就翼体角偶流动进行了数值模拟.翼体角偶流动具有三维分离、马蹄涡等十分复杂的流动特征,通过与实验测量结果的对比研究表明,Gao-Yong湍流方程不论在定性还是定量上,都成功捕捉到这类复杂流动现象的主要特征,得到了令人满意的结果.     

近壁区理论耗散率模型的改进

提出了在边界层的近壁区,采用共振三波的理论模型描述湍流边界层相干结构,由此解决了对称三维波理论模型不能处理三阶相关量的问题,根据新的理论模型对ε方程逐项进行计算和分析.与原理论模型计算结果相比,本文理论结果与直接数值模拟(DNS)符合更好.     

SST-DES在小分离流动数值模拟中的改进

在基于剪切应力运输（SST,Shear Stress Transport）分离涡模拟（DES,Detached Eddy Simulation）应对小分离流动的数值模拟中,上游雷诺平均方法（RANS,Reynolds Averaged Navier Stokes）区域内较大的涡黏性通过对流扩散方程传递到下游大涡模拟方法（LES,Large Eddy Simulation）区域,导致自由剪切层解析湍流解迟迟得不到发展,剪切层失稳延后,出现强烈的灰区效应。为此将SST-DES中体现LES求解的类亚格子模式重新构造成标准k方程亚格子模式,防止多变量在RANS和LES交界面处对湍流黏性系数的混合影响,最终得到了一种改进的SST-DES方法。采用该方法对AS239翼型小分离数值模拟并与DES和延迟分离涡模拟（DDES,Delayed Detached Eddy Simulation）结果进行对比,可以看出该方法在壁面边界层保留了SST-DDES特性的同时,在尾迹区大大提高了LES的可解能力,显著降低了灰区的影响。