基于共振三波的大涡模拟壁面模型

大涡模拟的一个重要发展方向是处理工程流动问题,但高雷诺数下近壁湍流边界层对计算网格的过高要求成为制约其应用的主要瓶颈;要减少计算量,构建合理且能够正确反映近壁湍流动力学特性的壁面模型是一条有效途径.在此背景下,构造了一种计算中便于实现的基于共振三波的壁面模型.通过对充分发展槽道湍流算例的研究,完成了对该模型构造方法、方案的论证和验证计算.结果表明使用壁面模型后,在减少计算量的同时,定性和定量的结果均较为合理,能够得到重要的瞬态特征结构和正确的一阶、二阶统计量,从而部分验证了该方法的有效性.     

近壁区流向涡生成的数值模拟

对于在湍流边界层近壁区,作为相干结构的主要特征的流向涡的产生及发展的全过程进行了研究.采用准二维的共振三波作为湍流边界层近壁区相干结构初值,用直接数值模拟方法模拟了准二维波发展到明显的三维扰动以及其中流向涡生成的整个过程,经分析发现,在该过程中,由于非线性作用,相干结构出现了明显的三维性,并产生了马蹄涡,与实验结果相一致,而且也研究了压力梯度对于流向涡生成以及发展的影响, 在逆压梯度下,流向涡的生成得更早、更快,相干结构幅值增长较快,结构变得更加复杂.这些都说明了逆压梯度对相干结构具有激励作用.     

近壁区Reynolds应力输运方程的理论模型

在湍流边界层的近壁区,采用对称共振三波的理论模型描述相干结构,根据理论模型对Reynolds应力输运方程逐项进行计算和分析,结果与直接数值模拟符合很好.这不仅在理论上有益于对湍流物理机制的了解,而且展现了一种可能性,即根据相干结构的理论知识来改造湍流模型,使之具有更清晰的物理内涵以提高近壁区的预估精度.     

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.     

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.      

V形尾缘喷管流场与红外特性的数值模拟

采用有限体积QUICK格式和重整化群(RNG) k-ε 湍流模型,并结合壁面函数,同时利用离散坐标法DOM(Discrete Ordinates Method)计算热辐射,以灰气体加权模型WSGGM(Weighted-Sum-of-Gray-Gases Model)确定气体介质的辐射性质,求解N-S方程、固壁中的热传导方程、考虑吸收-发射性气体介质的辐射传输方程.采用此耦合计算模型对V形尾缘的收敛喷管进行了数值模拟,计算所得数据与试验吻合良好.在此基础上,对有/无V形尾缘收-扩喷管的内外流场与红外特性开展了数值模拟.结果表明:V形尾缘在尾喷流的剪切层中产生了强烈的流向涡,促进了内外流的强化混合,明显缩减了喷管出口附近喷流的红外辐射.      

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.      

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.     

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。      

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.     

定常压力梯度边界层相干结构的直接数值模拟

根据流动稳定性理论,将不稳定波的一个周期作为相干结构的初值,采用直接数值模拟方法对有压力梯度湍流边界层中相干结构的演化进行了研究,得出其各种特性的变化与实验观测到的结果一致.     

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。     

基于非Favre过滤的大涡模拟

将直接过滤的可压缩Navier-Stokes(NS)方程组作为可压缩湍流大涡模拟方程组.方程组中因过滤产生的高阶相关项用Taylor级数展开近似表达,得到可压缩张量扩散模型.与传统的采用质量加权过滤(Favre过滤)的可压缩大涡模拟方程组相比,由于这种方法没有密度信息的损失,所以能反映真实的密度脉动信息;方程所求量为流场物理量的过滤值,物理意义明确,使大涡模拟结果与直接数值模拟或实验结果更具有可比性.用这种大涡模拟方程组对绕双椭球高超声速湍流进行了模拟,并将所得结果与实验、Baldwin-Lomax(BL)模型及Smagorinsky亚格子模型的结果进行了对比.