平面压气机叶栅通道分离流动高精度直接数值模拟

采用高精度有限差分格式直接求解二维Navier-Stokes方程组,数值模拟V103平面压气机叶栅分离流动,数值结果表明:在瞬时流场中,吸力面后部发生流动分离,在分离区前端存在大尺度分离涡,分离涡下游是由二次涡和脱落涡交替形成的涡串,直至叶片尾缘,形成以脱落涡为主结构的尾迹;在时均流场中,吸力面后部存在短分离泡,分离区压力分布存在明显压力平台。与逆压力梯度下平板边界层分离流动相比,瞬时和时均流场结构相似;叶栅通道内无量纲涡脱落频率是前者的两倍。与文献计算结果对比表明:叶片表面压力分布除分离区外吻合很好;非定常计算所得分离区轴向长度比定常计算大41%。在分离区内三个二阶统计量均达到最大值,表明流场强非定常性集中在分离区。     

基于湍流输运特性对S-A模型在压气机角区流动模拟中的改进研究

在非设计工况下,压气机叶栅角区的三维分离加剧,流场内的湍流处于较强的非平衡状态,因此必须对于非平衡状态的湍流的输运过程给出准确的预估.基于不同工况下压气机内角区分离流动的湍流输运过程的分析,提出了一种修正Spalart-Allmaras(S-A)模型中模拟湍流黏性生成和耗散关系的改进方法,经过数值研究发现改进的S-A模型对于静子角区分离的模拟更接近物理实际,从而提高了对非设计工况的预估能力.      

脱体涡模拟方法研究及其应用

基于现有的非定常雷诺平均N-S方程的求解方法,研究与发展了脱体涡模拟方法（DES）。在紊流附面层内用RANS方法,湍流模型采用S-A模型,在其他区域结合S-A模型运用Smagorinski的LES模型,并将S-A模型中的物面耗散项进行适当的改进,使得改进的模型既充当了RANS中的S-A紊流模型,又充当了Smagorinski大涡模拟模型。为验证所发展方法的有效性,将研究的DES方法应用到一些典型流场计算中,并与已有结果或实验结果进行比较。     

跨声速压气机转子的二次流旋涡结构

为了明确跨声速轴流压气机内部流场结构,数值模拟了NASA Rotor37转子,结合λ2准则分析流场参数,探索流动的规律和旋涡结构。研究发现,压气机转子的旋涡模型主要由马蹄涡、壁角涡、径向涡、脱落涡、泄漏涡、诱导涡和分离涡等7个旋涡组成。马蹄涡吸力面分支耗散,压力面分支向相邻的吸力面发展。壁角涡与脱落涡位于叶根角区,引起流动损失和角区失速。径向涡位于激波后吸力面的分离区内,它扩大吸力面分离、引起低能流体向叶顶堆积。激波与叶尖泄漏在叶顶通道中形成3涡:泄漏涡、诱导涡和分离涡,而叶栅通道出口存在分离涡和由泄漏涡与诱导涡合成的叶顶通道涡。泄漏涡与诱导涡破碎在流道中间产生的堵塞区,分离涡造成吸力面尾缘的低速区,共同触发跨声速压气机的失稳。     

转捩对压缩拐角激波/边界层干扰分离泡的影响

为了研究转捩对压缩拐角内分离泡结构的影响,进行了来流马赫数2.9,24°压缩拐角激波/转捩边界层干扰的直接数值模拟（DNS）。通过在拐角上游平板的不同流向位置处添加周期性吹吸扰动激发流动转捩,使得转捩不同阶段进入拐角入口,从而在拐角内产生激波/转捩边界层的相互干扰。计算得到的平均速度剖面、壁面压力分布以及分离泡大小与风洞试验及以往直接数值模拟结果吻合较好,验证了计算结果的可靠性。研究了转捩过程对角部干扰区内分离泡结构的影响规律,分析比较了不同转捩阶段下角部分离区内湍动能的生成、耗散和分配机制。研究结果表明：转捩初期的拟序涡结构对分离泡尺度及形状影响最大,发卡涡包在角部拐点附近发生展向融合,并在角部区域形成湍流斑,此时分离泡尺度最小,形状呈现中间高两边低的山峰型。随着转捩的发展,分离区内湍动能生成和近壁区的耗散逐步降低,此时输运项起到了主要的平衡作用。     

超声速大迎角分离流中三种湍流模型的比较研究

通过对雷诺平均N-S方程的数值求解,模拟了细长旋成体在超声速大迎角下的流场,比较了S-A,SST和EASM三种湍流模型。不同轴向位置的物面周向压力分布和实验结果的对比结果表明:湍流模型对物面压力分布影响较大。横截面流态分析表明,空间主体涡结构受湍流模型影响不大,靠近壁面的二次分离涡的模拟精度和湍流模型密切相关。弹体积分气动力受湍流模型影响不大,和实验结果相当吻合。     

S弯扩压器中四种湍流模型的比较

采用Realizableκ-ε,S-A(Spalart-Allmaras),SST(Shear stress transport剪切应力输运),RSM(Reynolds stress equation model雷诺应力模型)四种湍流模型对S弯扩压器内的分离流动进行了模拟,分析了不同湍流模型对计算结果的影响.将不同轴向位置的表面压力系数、分离区的大小、马赫数等三个量的实验值与计算值进行了比较,结果表明:分离区湍流模型对表面压力分布影响较大,未分离区不同湍流模型模拟精度相当;S-A模型对分离区的模拟较保守,RSM模型对分离的模拟精度较高,SST与RSM模拟结果很接近;各湍流模型计算的高速区域均比实验值大.扩压器的平均总压恢复系数受湍流模型影响不大,和实验结果吻合较好.      

雷诺应力与涡黏性模型的分离流预测对比分析

现代飞行器设计对流动分离的准确预测需求愈发迫切，但使用广泛的涡黏性模型预测结果却不尽如人意。雷诺应力模型凭借其扎实的理论基础有可能获得可信度更高的结果，但其性能优势仍需进一步评估与发掘。选取了SST模型、Stress-BSL(Baseline)模型分别作为涡黏性和雷诺应力模型的代表，对二维驼峰、二维跨声速凸块、跨声速三维ONERA M6机翼等算例进行了数值仿真。结果表明，相较于实验值，2种模型的预测结果均出现流动分离点提前，再附点滞后的现象，但Stress-BSL模型的预测误差更小，表现出了强逆压梯度下预测分离流动的优势。通过分析发现，2种模型对雷诺应力的低估导致了分离区较大。具体表现为SST模型引入的Bradshaw假设限制了湍动能的生成，使得模型计算的涡黏性系数偏小，强逆压梯度下低估边界层雷诺应力，导致流动分离提前。而分离区上缘处的雷诺应力预测偏小则被认为是流动再附滞后的主要原因。对于雷诺应力模型，误差主要来源于雷诺应力输运方程再分配项的模化不准。最后，针对上述原因，对SST模型关键封闭参数进行了重新标定，并进行了初步验证，结果表明修改后的模型预测表现好于原模型结果。     

叶根开槽叶栅对角区分离的控制

吸力面/端壁角区的分离是轴流压气机流场中固有的现象。本文采取在叶根处开槽的方法,利用压力梯度从叶片压力面向叶片吸力面引入一股射流增加分离区的能量,从而减缓分离。通过数值模拟的方法分析了在不同攻角下槽的位置、大小和形状对扩压叶栅性能的影响,计算结果初步表明,在非设计工况下适当位置、大小和形状的槽可以有效地减小角区分离。     

基于能量耗散率的低速扩压叶栅损失研究

针对无化学反应和热流输入的叶栅有黏不可压流模型,推导出能量耗散率的组分分解式,根据叶栅流场仿真结果进行分析简化,得到由轴向涡量、轴向阻力和剪切力组成的能量耗散率分解式。结合总压损失,分析了耗散各组分在前缘损失、叶表损失和通道损失中的主导因素:轴向涡量项反映旋涡结构,在通道损失中占主要部分,集中在通道涡和分离面附近;轴向阻力项反映扩压和叶表边界层转折造成的流动损失,在前缘损失和叶表损失中占主要部分,集中在叶栅前部的叶表边界层和主流区;剪切力项反映轴向截面速度不均匀性,在叶栅后部的叶表损失和通道损失中占主要部分,集中在叶表、端壁边界层和分离面附近。旋涡结构和耗散各组分分布特征揭示了叶栅通道中旋涡结构与能量耗散之间的分布关系,分离区并不是主要能量耗散区,高能量耗散区主要分布在叶表边界层(叶栅前部由轴向阻力项主导,后部由剪切力项中的υ(∂V_x/∂y)²项主导)、分离面附近(受剪切力项中的υ(∂V_x/∂y)²项和轴向涡量项影响)。大攻角情况下,叶栅通道损失显著增加,正攻角促使轴向涡量项的增长点提前,负攻角则使得叶表边界层的速度剪切加剧。     

A study on turbulence transportation and modification of Spalart–Allmaras model for shock-wave/turbulent boundary layer interaction flow

It is of great significance to improve the accuracy of turbulence models in shock-wave/ boundary layer interaction flow. The relationship between the pressure gradient, as well as the shear layer, and the development of turbulent kinetic energy in impinging shock-wave/turbulent boundary layer interaction flow at Mach 2.25 is analyzed based on the data of direct numerical simulation(DNS). It is found that the turbulent kinetic energy is amplified by strong shear in the separation zone and the adverse pressure gradient near the separation point. The pressure gradient was non-dimensionalised with local density, velocity, and viscosity. Spalart–Allmaras(S–A) model is modified by introducing the non-dimensional pressure gradient into the production term of the eddy viscosity transportation equation. Simulation results show that the production and dissipation of eddy viscosity are strongly enhanced by the modification of S–A model. Compared with DNS and experimental data, the wall pressure and the wall skin friction coefficient as well as the velocity profile of the modified S–A model are obviously improved. Thus it can be concluded that the modification of S–A model with the pressure gradient can improve the predictive accuracy for simulating the shock-wave/turbulent boundary layer interaction.     

改进S-A湍流模型对横向射流的CFD模拟

通过在Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型中加入应变率张量,来改善模型对横向射流(JICF)的计算精度。模拟了速度比分别为0.5和1.5工况下的横向射流。经实验值验证,结果表明:改进后的S-A模型预测精度有所提升;并对湍流模型改进部分对横向射流的作用机制做出了分析。将改进后S-A模型的计算结果与k-ε模型,雷诺应力模型(RSM)和大涡模拟(LES)的结果进行比较,发现S-A模型在速度比为0.5时精度最高,而在速度比为1.5工况下没有明显优势;并对这一现象做出了合理分析。      

S-A模型在分离流动模拟中的改进

基于湍流不平衡性的分析,通过修正雷诺应力以及模型系数的计算,提高了S-A模型在二维边界层以及三维叶栅的分离流动上的预估能力。修正后的S-A模型给出了与实验吻合较好的结果,在对于分离流动的预估能力上优于原始模型。     

一种改进的类DES湍流模拟方法

构造了一种基于一方程S-A(Spalart-Allmaras)模型和一方程Yoshizawa亚格子模型的混合RANS/LES(Reynolds-averaged Navier-Stokes/large eddy simulation)湍流模拟方法.在涡黏假设的基础上,将Yoshizawa亚格子湍动能方程转化为等效的亚格子湍流涡黏性输运方程,并采用混合函数将其与S-A模型方程进行混合,从而改进了DES(detached eddy simulation)模型的亚格子行为,同时克服了其依靠网格控制模型转换的缺点.模拟了超声速的带斜坡凹腔流动,并与相同网格下的LES及DES结果进行了比较,结果表明该混合RANS/LES方法在远离壁面的自由剪切流区域与LES行为一致,而在附着边界层区域表现优于LES和DES方法.      

提高Spalart-Allmaras湍流模型对分离模拟能力的研究

为了提高Spalart-Allmaras湍流模型对分离的模拟能力,提出了两种改进方法.第一种是根据模型特点而提出的提高对雷诺正应力的模拟精度,第二种是基于湍流特性的理论分析而提出的对模型生成与耗散的关系进行修正.研究结果表明:第一种方法,由于没有明显提高对雷诺正应力的模拟精度,从而并没有提高模型对分离流动的模拟能力;第二种方法,由于改进了模型对强非平衡湍流的模拟能力,从而明显地提高了模型对分离流动的模拟精度.      

两种湍流模型及其可压缩修正在高超压缩拐角中的评估(英文)

采用在高阶精度差分格式对SA湍流模型和SST湍流模型及相应的可压缩修正模型在高超拐角流中进行了评估。可压缩修正方式考虑了密度梯度、压力膨胀和湍流马赫数等方法。为了减小数值误差与模型误差之间的混淆,控制方程的对流项采用了5阶精度的加权紧致非线性格式(WCNS-E-5),粘性项采用了一种半结点/结点交错的4阶中心格式。通过对马赫数为9.22的15度拐角和34度拐角湍流的模拟,考察了原始湍流模型及其修正模型的效果。计算表明:原始SST模型对高超拐角湍流的预测比原始SA模型准确,这种准确主要体现在对分离区预测、再附点附近压力和热流峰值预测上。通过混合采用Catris和Shur等的方法对 SA模型进行可压缩修正可以大大改进模拟效果。在SST模型的可压缩修正方法中,Catris的修正方法最好;考虑压力膨胀修正后得到的分离区远远偏大,比本原始SST模型更差;考虑湍流马赫数的修正方法得到的分离区偏小。本文还给了部分低阶格式的计算结果,高阶格式与低阶格式相比,对分离区大小、再附点附近的压力和热流峰值等的预测准度有所改进。     

ALGEBRAIC TURBULENCE MODEL WITH MEMORY FOR COMPUTATION OF 3-D TURBULENT BOUNDARY LAYERS WITH VALIDATION

Additional equations were found based on experiments for an algebraic turbulence model to improve the prediction of the behavior of three dimensional turbulent boundary layers by taking account of the effects of pressure gradient and the historical variation of eddy viscosity, so the model is with memory. Numerical calculation by solving boundary layer equations was carried.out for the five pressure driven three dimensional turbulent boundary layers developed on flat plates, swept-wing, and prolate spheroid in symmetrical plane. Comparing the computational results with the experimental data, it is obvious that the prediction will be more accurate if the proposed closure equations are used, especially for the turbulent shear stresses.     

不可压缩湍流的色散模型

分析了广泛存在于湍流运动中的能量逆转现象,揭示了其产生的原因,提出了湍流的色散性质.在此基础上,修改了Boussinesq假设,建立了包含色散效应的新的雷诺应力封闭式和湍流色散系数,给出与不同模型相结合时,湍流色散系数所具有的不同形式,并阐述了湍流运动中能量的传递方向及条件.采用不可压缩平板边界层流动和平面后台阶流动验证了其可信性和优越性.平板摩擦阻力系数及边界层速度型与实验结果吻合良好,平面后台阶流动的流向再附长度、台阶边压力系数及湍流强度等参数均比标准k-ε模型更接近实验结果.结果表明:色散项的加入可以在不显著增加计算量的同时显著改善预测精度,模型具有一定的工程应用价值.      

New constitutive relation for eddy viscosity models

A new turbulent constitutive relation was directly derived from Boussinesq's hypothesis and mixing length theory, and then implemented in the standard k-ε model. The performance of this constitutive relation was validated in zero pressure gradient flat-plate boundary layer flow, fully-developed turbulent channel flow and separated flow in a plane asymmetric diffuser. The investigation demonstrated that, this new constitutive relation gave very accurate results in the former two basic cases and provided significant improvement in prediction of separated and reattachment points in the plane asymmetric diffuser. Separation and reattachment points at x/H=7.5 and 29 were calculated accurately in comparison to experimental results, and the static pressure coefficient of 0.82 was very close to large eddy simulation calculation. These results are very encouraging but further verification and extensive application of the new constitutive relation to other two-equation eddy viscosity model are needed.