高超声速湍流高效模拟算法

采用了直接过滤的Navier-Stokes(N-S)方程组对高速可压缩湍流进行研究。针对高超声速湍流的非线性流动特性,对N-S方程直接过滤推导了大尺度湍流流场的控制方程,更精确地反映高速湍流的可压缩性,建立了可压缩湍流的大涡模拟TDM模型。使用传统的Smagorinsky模型的非线性推广,采用基于非Favre过滤的超声速可压缩湍流的大涡模拟模型,应用Caylay-Hamilton定理,建立可压缩湍流大涡模拟的非线性亚格子模型,并发展为动力学模式,模型中的两个常数通过当地流场动态的确定,消除了可调经验常数的影响。针对构造的高超声速湍流大涡模型开发相应的高效并行算法。     

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。     

压缩性修正对γ-Re_θ转捩模型的影响研究北大核心CSCD

将基于流场当地变量的γ-Reθ转捩模型加入可压缩RANS方程计算程序,对平均流场控制方程、湍流和转捩控制方程进行基于LU-SGS的隐式紧耦合求解。结合三种压缩性修正方法对高超声速平板、双楔和圆锥流动进行了数值模拟,给出了壁面斯坦顿数、热流值和实验值的比较,以及湍动能和间歇因子分布云图。数值计算结果表明,相同来流湍流度下不同压缩性修正方法得到的转捩位置差别较大。相比于未修正的模型,基于当地马赫数压缩性修正后的转捩位置最靠后,其对带有分离的双楔流动预测较为准确;基于来流马赫数的压缩性修正仅使得转捩位置稍有延迟;对湍动能源项的压缩性修正可提高模型在转捩后湍流段的热流预测精度。     

压缩性修正对γ-Re_θ转捩模型的影响研究

将基于流场当地变量的γ-Reθ转捩模型加入可压缩RANS方程计算程序,对平均流场控制方程、湍流和转捩控制方程进行基于LU-SGS的隐式紧耦合求解。结合三种压缩性修正方法对高超声速平板、双楔和圆锥流动进行了数值模拟,给出了壁面斯坦顿数、热流值和实验值的比较,以及湍动能和间歇因子分布云图。数值计算结果表明,相同来流湍流度下不同压缩性修正方法得到的转捩位置差别较大。相比于未修正的模型,基于当地马赫数压缩性修正后的转捩位置最靠后,其对带有分离的双楔流动预测较为准确;基于来流马赫数的压缩性修正仅使得转捩位置稍有延迟;对湍动能源项的压缩性修正可提高模型在转捩后湍流段的热流预测精度。     

一个新的可压缩性修正的k-ε模型

考虑结构可压缩性修正的影响,发展了一个同时考虑结构可压缩性修正和膨胀可压缩性修正的k-ε湍流模型,新模型包括Chang可实现性、Heinz湍流动能产生项以及Sarkar可压缩性三部分修正.新模型扩宽了以往发展的可压缩性修正模型的适用范围,适用于高超声速(M>5)复杂湍流流动中.通过对多个复杂超声速横侧射流工况的计算,验证了新模型的预测效果.与实验结果相比表明,几个工况下新模型的预测精度都显著高于标准k-ε模型.流体分离强度越大,新模型的修正效果越显著.与标准k-ε模型相比,新模型计算结果与实验更加接近.     

湍动能在激波/边界层干扰流动中的影响

高超声速湍流中的激波/边界层干扰现象,因其会引起气动力/热等关键参数的剧烈变化,在相关飞行器的设计与优化中受到了广泛关注。在涉及真实飞行器的湍流模拟中,采用基于涡黏性假设的湍流模型与雷诺平均的RANS方法仍然是目前工业设计中最为常用的手段。为了获得更好的预测结果,很多研究都集中在对湍流模型的修正与改进上,但是对求解的RANS方程本身关注却不多,特别是湍动能(TKE)在平均方程中所起作用的相关研究就更少。本文以马赫数为7.05的柱裙干扰流动为例,采用k-ω SST湍流模型,针对RANS方程中常被忽略的湍动能项在高超声速激波/边界层干扰中的影响规律开展了研究,并对每一个湍动能项的作用机理进行了定性和定量分析。研究结果表明,湍动能项对激波/边界层干扰区(SWBLI)流动预测结果有很显著的影响,特别是流动分离区的范围。忽略其中部分湍动能项可以使分离区缩小至原来的40%左右,而忽略另外部分湍动能项反而会使得分离范围增大近30%。通过对平均动量方程和平均能量方程的分析发现,造成这种剧烈影响的主要原因是湍动能项被忽略后有效平均压力场的显著改变,进而改变了分离点附近的逆压梯度,从而造成了流动分离区范围...     

显式代数雷诺应力模型在超声速/高超声速流场计算中的应用

为了提高显式代数雷诺应力模型在高超声速流场中的计算精度,以修正后的CG k-ε模型作为湍流时间尺度决定方程,将Wallin和Johansson显式代数雷诺应力模型(WJ2000模型)应用于超声速/高超声速流场数值计算,并与线性湍流模型的计算结果进行了对比分析。结果表明WJ2000模型对高超声速压缩拐角附近壁面压力和热流分布的预测要优于线性湍流模型,同时网格依赖性明显低于后者;对CG k-ε湍流时间尺度决定方程所做修正不影响WJ2000模型对超声速流场的预测结果,但使其对高超声速流场的预测精度明显提高。     

基于改进SST模型的分离流动数值模拟

对SST湍流模型进行了改进,并通过对典型分离流动进行数值模拟,来检验和提高模型预测分离流动的能力.基于亚声速分离流动,提出了提高雷诺应力的模拟精度和分离流修正的改进方法,并进行了对比研究得出结论;在亚声速分离流动分析结论基础上,采用了可压缩性修正方法,开展了跨声速、超声速和高超声速激波/边界层干扰分离流动的数值模拟研究.结果表明:提高雷诺应力的模拟精度和采用分离流修正明显地提高了SST湍流模型对分离流动的模拟能力;适当地可压缩性修正对超声速和高超声速分离流动的计算精度有改善作用.     

基于非Favre过滤的动力学非线性亚格子模型

采用直接过滤的Navier-Stocks（NS）方程组作为可压缩湍流大涡模拟控制方程组。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,并仅保留级数的一阶导数项。因为截断级数产生的误差相当于丢失了模型的部分耗散作用,采用一种动力学非线性亚格子模型来补偿丢失的耗散影响。用模型模拟了超音速湍流平板边界层及绕双椭球高超声速湍流,并将所得结果与经验公式和计算结果进行了对比。对比表明模型可以有效的模拟可压缩湍流流场。     

新型单方程湍流模型构造及其应用

为了提高雷诺应力本构关系式对于非平衡湍流的预测精度并且兼顾求解效率,发展了一种基于湍动能k的单方程(KDO)湍流模型。其主要思路为:采用平板直接数值模拟(DNS)数据对原始Bradshaw假设进行重新标定,使得当地湍动能和雷诺主应力之比能够根据当地流动条件进行自适应调节;同时,对标准k-ε模型中的湍流耗散率输运方程采用代数形式进行模化,进而形成一种一方程湍流模型。算例结果表明:KDO湍流模型对于对数率能够准确反馈,而在带有激波或部件干扰等流动现象的RAE-2822、ONERA-M6和DLR-F6算例中,KDO湍流模型能够准确控制湍动能的增长和衰减,相比于Spalart-Allmaras和Menter k-ω剪切应力输运(SST)模型,KDO湍流模型的计算结果有了较为明显的改善。     

高超声复杂流动中湍流模式应用的评估

本文选择几个高超声速基准流动：二维可压缩拐角、锥柱裙组合体绕流、斜激波与湍流边界层干扰，采用几个常见的湍流模式，BL模式，CHκ-ε模式，κ-ε模式，SST模式，CMOTTκ-ε模式，SHIHκ-ε模式，通过将数值计算结果和实验结果进行比较，对有关的湍流模式地 评估，得到一些有意义的结论。     

壁面湍流模型对湍流分离流动数值模拟的影响

本文用三种近壁湍流模型计算了二个二维的湍流分离流动：单包流动和多包流动。结果表明：二层模型和低Reynolds数模型具有类似的特性。它们基本上给出合理的分离流动结构。壁函数的方法由于对数律的假定基本上不适合于计算湍流的分离流动。     

分层Reynolds应力模式

本文根据切变湍流结构的特征提出一种分层Reynolds应力模式。在切变湍流中存在湍能生成项达到狭峰的极大值层次(本文称它为活跃层),根据这一特征,在活跃层中保留微分Reynolds应力模式,但它可以简化为常微分方程。在两层活跃层之间以及活跃层和壁面之间的Reynolds应力分布,用满足衔接相容条件的多项式近似。时均湍流场将由以上得到的Reynolds应力代入Reynolds方程求出。用本方法计算了两个比较复杂的湍流例子,结果表明,本方法较常用的k-ε模式有明显的优越性,它的计算时间并不比k-ε模式多,而计算结果与实测结果的吻合则较k-ε模式好得多。另一方面本方法较之完全的微分Reynolds应力模式可大大节省计算时间。     

平板边界层转捩的数值模拟

对于自由湍流引起的压力梯度为零的平板边界层转捩过程的数值模拟,本文提出了一个单方程湍流模型 (VL M模型),对湍流粘性系数和湍流长度尺度都进行了修正以正确引入低雷诺数效应。数值计算表明,该模型在自由来流湍流度为 0.03～8%的大范围内能正确模拟边界层转捩全过程,包括转捩区起点位置和转捩区长度、边界层内的平均及脉动参数分布等。本文还提出了上述转捩过程的时均化五阶段模型。      

Evaluation of Turbulence Models in Predicting Hypersonic and Subsonic Base Flows Using Grid Adaptation Techniques

The flows behind the base of a generic rocket, at both hypersonic and subsonic flow conditions, are numerically studied. The main concerns are addressed to the evaluation of turbulence models and the using of grid adaptation techniques. The investiga- tion focuses on two configurations, related to hypersonic and subsonic experiments. The applicability tests of different turbulence models are conducted on the level of two-equation models calculating the steady state solution of the Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) equations. All used models, the original Wilcox k-ω, the Menter shear-stress transport (SST) and the explicit algebraic Reynolds stress model(EARSM) formulation, predict an asymmetric base flow in both cases caused by the support of the models. A comparison with preliminary experimental results indicates a preference for the SST and EARSM results over the results from the older k-ω model. Sensitivity studies show no significant influence of the grid topology or the location of the laminar to turbulent transition on the base flow field, but a strong influence of even small angles of attack is reported from the related experiments.     

关于两方程湍流模型的考虑

通过对两方程湍流模型的分析,提出了在主流区或远壁区用两方程模型,近壁区用代数湍流模型的思路,即所谓的“双层”模型概念。通过对平板湍流附面层的计算表明,这种分层计算措施获得的速度分布、壁面剪切力较单纯应用低雷诺数两方程湍流模型时的结果准确。对非均匀来流条件下90°弯管内高湍流度流场的计算表明,双层模型可获得更加准确的速度分布。从而表明本文提出的分层计算措施是有效的,可满足工程计算要求。      

NPLS技术及其在高速飞行器气动研究中的应用

近年来,与高速飞行器相关的超声速/高超声速流动受到了极大关注。这类流动所具有的非定常性、强梯度和可压缩性对试验研究提出了挑战。纳米示踪的平面激光散射技术（NPLS）是2005年由作者所在的研究团队研发的非接触光学测试技术。它能够获得超声速三维流场的某个剖面的瞬态流动结构,并且具有较高的时空分辨率。目前,许多研究结果表明NPLS是研究超声速湍流的一项非常有效的技术。近年来,作者应用 NPLS 技术在超声速湍流研究中取得了较大的进展,并且基于NPLS开发了其它几种技术,比如基于 NPLS 的密度场测量技术（NPLS-DT）,能够获得超声速流动的密度场信息并还能进一步得到雷诺应力分布。本文介绍了NPLS技术并回顾了其在超声速边界层、激波/边界层相互作用等流动中的应用。由于能够获得雷诺压力和湍动能等统计量, NPLS技术有望在发展可压缩湍流模型的研究中发挥作用。     

k-kL两方程湍流模型的改进及验证研究

提高湍流数值模拟的准确性,从而明确湍流模型对数值模拟结果的影响具有重要的意义,应用K.S.Abdol-Hamid给出的尺度自适应k-kL两方程模型封闭RANS方程,并修改von Karman长度尺度的限制方法,通过平板、翼型、后台阶等流动的模拟,考察k-kL模型在湍流模拟中的准确性,及其反映主要流动特征的能力和网格收敛性,并对影响流动模拟准确性的因素进行讨论.结果表明:改进长度尺度限制之后的k-kL两方程模型无论是对附着流动还是分离流动都可以给出比较准确的结果.