DES与DDES在湍流分离中的原理与性能研究

随着工程上流动结构的日益复杂，兼具雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法高效率与大涡模拟（LES）高精度的分离涡模拟（DES）类混合方法成为现阶段工程中最有效的湍流模拟方法之一。围绕DES类混合方法中的DES与延迟分离涡模拟（DDES）方法开展工作，分析二者开关函数构造上的不同，研究延迟因子作用机理，并考察DES与DDES方法的求解能力。研究表明：DES与DDES方法在模拟表现上存在一定差异，DDES方法通过引入延迟因子，保护RANS求解区域，改善模化应力不足，降低了DDES方法对交界面系数CDES敏感程度；DDES方法在计算过程中容易出现过度保护，导致求解瞬时涡结构能力不如DES方法，分析与延迟因子引入比重及开关函数构造形式有关。     

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。     

后台阶流动的Hybrid RANS/LES模拟

采用雷诺平均的Navier-Stokes和大涡模拟混合的方法对后台阶流动进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比;分区尺度采用IDDES(Improved Delayed Detached Eddy Simulation)模式:来流包含背景湍流度时,混合方法转化为WMLES(Wall Modeling in LES)模拟,除了近壁区外的大部分区域都是直接求解;不包含来流湍流度时,转化为DDES(Delayed Detached Eddy Simulation)模式,附面层采用纯RANS模拟,大分离流动区用类脱体涡模拟方法模拟;对流通量的离散采用迎风型低耗散通量分裂格式和中心型四阶偏斜对称格式组合的模式;湍流模型采用Spalart-Allmaras(S-A)模型;亚格子长度尺度取决于网格分布和到壁面的距离.      

类X-51A飞行器非定常湍流精细模拟

针对类X-51A飞行器在超声速大迎角状态下存在的大范围非定常分离流动,开展了精细化湍流数值模拟研究。计算基于高阶格式下的延迟分离涡模拟方法（DDES）,来流马赫数为2.5,迎角为10°。分析了该复杂流场中存在的分离流动现象、分离流动诱导的气动特性变化规律以及压力脉动特点;其中重点研究了壁面压力脉动强度分布情况和监测点压力脉动频谱特性。分析结果表明:飞行器大迎角飞行时从侧缘诱导出明显的分离涡,并对尾部舵面产生干扰;受干扰尾舵表现出明显的非线性及非定常气动特性;分离涡的存在导致飞行器尾舵前缘等位置的壁面压力脉动显著增强,200~300 Hz的低频高幅值脉动可能会导致结构破坏。      

基于SA湍流模型的DES方法应用

使用基于SA(Spalart-Allmaras)湍流模型的分离涡模拟(DES,Detached-Eddy Simulation)方法,对圆柱绕流和超声速圆柱底部流动等高雷诺数大分离流动进行了数值模拟.无粘通量的计算采用二阶迎风格式,时间推进使用二阶隐式双时间步法.计算表明相对于雷诺平均N-S方程(RANS,Reynolds-Averaged Navier-Stokes)模拟,时空均为二阶精度的DES模拟能够分辨更为精细的分离区三维旋涡结构,对分离区主要湍流结构的捕捉和平均压力分布的预测取得了满意的结果.     

XY-SAS模型对于分离流动的性能分析

XY-SAS(Xu-Yan-Scale Adaptive Simulation)模型是一种新的基于平均涡量的一方程SAS类模型,不但解决了分离涡模拟DES(Detached Eddy Simulation)的雷诺平均N-S方程RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)-大涡模拟LES(Large Eddy Simulation)交界面问题,而且计算量远小于早期SAS.通过对XY-SAS模型的机理分析,认为该模型克服了早期SAS模型预测的湍流能谱在高波数衰减不足的缺陷,并在分析的基础上对该模型进行了改进,取消了其限制器.选用平板边界层和方柱绕流作为算例,进一步研究了该模型对于稳态流动和大分离流动的性能,数值模拟结果同实验值符合良好,证明XY-SAS模型自身完备,是预测稳态流动和大尺度分离流动的有效方法,实现了涡粘性系数根据当地流动状态动态地自适应调整和光滑过渡.     

基于湍流尺度的混合RANS/LES模型

比较BL(Baldwin-Lomax)湍流模型的内层模型与Smagorinsky亚格子模型,两者的主要差别在于湍流尺度的计算方法不同,而RANS(Reynolds Average Numerical Simulation)方程组与LES(Large Eddy Simulation)方程组在形式上又是相同的.基于这两点,发展了RANS/LES混合模型.该模型是在网格滤波尺度与到壁面的距离相等处将流场分区,在近壁区直接求解RANS方程组,在远离壁面区域,求解LES方程组.为了保证湍流粘性系数在内外层分界处的光滑过渡,内外层湍流粘性系数通过混合函数连接.混合方法减轻了对壁面附近网格分辨率的要求和时间步长的限制,因此比LES所需的计算成本少.用该混合模型模拟了绕双椭球的高超音复杂流场,结果表明采用混合模型可以准确地模拟可压缩湍流流场.      

PANS方法在双圆柱绕流数值模拟中的性能分析

PANS方法以传统的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程为模板,引入控制参数对原方程进行修改,是一类能够有效模拟分离湍流流动的混合方法.采用基于Menter 剪切应力输运(SST)湍流模型的PANS方法,选取双圆柱绕流作为研究对象, 分析双圆柱流动结构,验证方法的准确性与可靠性,考察PANS方法中模型参数选取对于计算结果的影响,评估不同类型PANS方法的性能.研究表明:模化湍动能比例这一模型参数对计算结果有显著影响,且计算域内统一的模型参数取值难以处理复杂流动问题.在此基础上使方法中模化湍动能比例取值随流场物理信息和网格尺度变化,所得结果与SST DES计算结果及实验结果吻合较好,表明该方法适用于复杂湍流数值模拟.      

LES／RANS混合方法对超声速底部流动的应用

为克服大涡模拟(LES,Large Eddy Simulation)对近壁区域使用的局限,近年来LES/RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)混合方法成为研究热点,利用LES与RANS两者自身的优点克服对方的不足,有效实现计算精度和效率的统一.基于LES/RANS混和方法,采用Smagorinsky-BL(Baldwin-Lomax)模型和新型Vreman-BL模型,对超音速底部流动这一难题进行了模拟,分析了其流场结构.计算结果表明:得到的速度型、底面压力分布与实验值吻合,优于雷诺平均方法的结果.     

XY-SAS模型中不同网格尺度限制器的影响分析

XY-SAS(Xu & Yan Scale Adaptive Simulation)模型通过在SA(Spalart-Allmaras)模型耗散项的湍流尺度中引入基于平均涡量的冯卡门长度尺度,在不稳定流动区域具有类似LES(Large Eddy Simulation)的计算性能,且不存在DES(Detached Eddy Simulation)方法中RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)与LES的交界面问题.由于SAS类模型预测的湍流能谱存在高波数衰减不足的缺陷,需要进一步在湍流尺度中引入网格尺度作为限制器.采用不同形式的网格尺度限制器构造了3种XY-SAS模型,对Re=3 900的圆柱绕流进行数值模拟,并与DES及实验数据进行比较.结果表明网格尺度限制器对XY-SAS模型的计算性能有较大影响,以最小网格间距作为高波数衰减限制器是较为合理的选择,此时模型对于大分离流动能够达到DES的模拟能力.     

高超声速流动湍流模式评估

选取了超声速二维膨胀-压缩拐角和高超声速双椭球绕流作为基准流动,考察了几种当前CFD(Computational Fluid Dynamics)工程应用较流行的湍流模式:BL(Baldwin-Lomax)模式、SA(Spalart-Allmaras)模式、k-ω模式以及SST(Shear-Stress Transport)模式,通过数值计算结果和实验结果的对比及分析,对有关的湍流模式进行了评估,得到一些有意义的结论,并指出受流动可压缩效应的影响,计算高超声速湍流壁面热流时要对现有的湍流模式进行相应的可压缩修正.      

超音速流动中侧向喷流干扰特性的数值模拟

通过与实验结果的比较验证Fluent软件可以用于超音速流动中侧向喷流干扰特性数值研究.使用Fluent软件对超音速流动中不同喷流压力和攻角下侧向喷流干扰特性进行的数值研究表明,超音速流动中,随喷流压力和负攻角增大,喷流前的高压区明显增大,喷流的控制效果更好.喷流包裹作用的影响范围在90°弹面内.喷流压力增大,喷流包裹作用加强,影响范围增大.     

超声速进气道可压及不可压流动数值模拟

采用Chio-Merkle预处理矩阵对可压NS(Navier-Stokes)方程组进行时间预处理,分析了预处理方法的物理和数学背景.用有限体积方法,结合LU-SGS(Lower-Upper-Symmetric-Gauss-Seidel)隐式时间积分和AUSM+(P)(Precondition Advection Upstream Splitting Method)格式、中心差分2种空间离散格式,求解该预处理NS方程组.通过圆弧凸包流动和二维方腔顶盖驱动流动的数值试验表明,该方法克服了传统时间迭代方法模拟低速流动时的刚性问题,加速了收敛过程,可以同时有效地模拟可压及不可压流动.用此方法与块结构化网格技术相结合,进行了在不同飞行马赫数、攻角和出口反压条件下,混压式轴对称超声速进气道三维流场数值模拟.计算结果表明:该方法能准确地捕获复杂激波系,清楚地揭示进气道三维流动现象;进气道性能随工作条件的变化规律,与理论分析一致.      

高阶熵条件格式下Euler方程与 N-S方程的混合算法

针对在工程问题中使用N-S方程计算量大的问题,提出只在粘性作用显著的局部区域求解N-S方程,在流场的其余部分采用Euler方程计算的办法来模拟具有复杂外形的流动问题,并提出了一种基于高阶熵条件格式的算子分裂算法.应用所构造的算法对绕迫击炮弹的亚、跨超声速流动进行了模拟计算.计算结果与试验数据的对比表明,所提出的方法是切实可行的.