典型航空分离流动的雷诺应力模型数值模拟

先进飞行器设计对CFD方法的边界层分离模拟能力提出了更高要求,传统雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)涡黏性模型因建模和构造层面的理论缺陷导致其分离流动预测可信度较低。雷诺应力模型由于未对雷诺应力及其分量关系进行建模,对湍流非平衡、旋转以及雷诺应力各向异性等流动现象具有天然的理论优势。为验证与确认雷诺应力模型对典型航空分离流动的预测能力,基于SSG/LRR-g模型,以NACA4412翼型大攻角分离、M6机翼跨声速分离以及F6翼身结合区分离流动为例,探讨了雷诺应力模型对逆压梯度、激波诱导分离、二次流动分离等典型航空分离流动预测的适应性。通过与k-ω剪应力输运(SST)模型模拟结果对比发现,雷诺应力模型对分离泡大小、速度型分布、雷诺应力分布和激波位置等关键特征的模拟精度较涡黏性模型显著提升,基本验证了雷诺应力模型可在翼身接合区角区流动和三维强激波诱导分离等问题中得到正确的流动特征,而SST模型在此类流动中基本失效,显示了雷诺应力模型在典型航空分离流动中较涡黏模型的优势。同时,发现k-ω SST模型所包含的Bradshaw假设在三维激波诱导分离较强时严重影响了模型预测的准确性,是预测结果偏离试...     

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.     

微分雷诺应力模型在激波分离流中的应用

由于Boussinesq涡粘性假设的湍流模型在一些流动中如激波分离流中预测失真,本文介绍一种基于完全雷诺应力方程的微分雷诺应力模型(DRSM),应用压缩性修正和改进耗散率方程构造出应用于可压流体的可实现DRSM,SSG压应力模型测试了两组参数。将其应用于ONERA M6机翼在跨声速大攻角的计算,结果表明DRSM能更好地模拟激波位置和流动分离。     

流线正交坐标下湍流分离再附流的实验研究

本文采用二维激光多普勒测速仪测量了二维非对称曲壁扩压器内的湍流分离再附流动。湍流边界层在强逆压梯度下于曲壁上分离,而后于后续的平直通道上再附。扩压器进口处的雷诺数为1.2×10~5,速度为25.2米/秒。在新定义的局部斜流线坐标下,给出了实验结果,并做了分析。实验结果表明:在瞬时分离点后的近壁反流中,雷诺剪应力为负值。采用最大雷诺剪应力为尺度,从分离至再附的流动过程,存在着雷诺剪应力的相似分布,同时Schofield-Perry速度分布在正向流动区成立。由雷诺剪应力相似分布及Schofield-Perry速度分布可假设一新的涡粘性湍流模型,其长度尺度来源于Schofield-Perry速度分布,其速度尺度由最大雷诺剪应力、自由流速度和Schofield-Perry速度尺度形成。     

用于预测轴流压气机内角区分离的RANS和SBES方法评估

为了提高压气机内角区分离的RANS建模精度，基于剪应力输运模型（SST模型），本文评估了湍流非平衡和各向异性修正对压气机角区分离预测的影响。结果表明，角区分离区上游端壁二次流以及角区分离流均呈现出很强的湍流非平衡和各向异性行为，结合非平衡和各向异性修正而提出的NSST-Helicity-QCR模型能够在各类工况下给出最为准确的角区分离预测结果。为了进一步验证提出的NSST-Helicity-QCR模型能够合理捕捉压气机端区流动物理，基于一种新型混合RANS-LES方法——应力融合涡模拟（SBES）构建的高保真时间精确湍流数据库，本文对NSST-Helicity-QCR模型进行评估反馈。结果表明，NSST-Helicity-QCR模型合理捕捉了端壁二次流以及角区分离流的湍流非平衡行为，但仍低估了角区分离区内的湍流各向异性行为。     

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。     

SSG模型在压缩拐角激波/湍流边界层干扰模拟中的应用

采用非线性方案模化雷诺应力再分配项的二阶矩雷诺应力输运模型——SSG模型和两方程线性涡粘模型SST模型,对24°高雷诺数二维压缩拐角激波/湍流边界层相互干扰流动进行数值模拟。通过在壁面压力分布、壁面摩擦阻力系数分布、截面速度分布及分离区大小等方面与实验数据比较,综合评估了上述两种模型模拟该问题的能力。结果表明:两种湍流模型在上述各方面都取得了与实验较为一致的结果,但相比较而言,除SST模型在流动再附后对壁面摩擦阻力系数分布的模拟更接近实验值外,SSG模型结果在上述其他方面均更接近实验值。本文工作为压缩拐角激波/湍流边界层干扰这类流动数值模拟的湍流模型选择提供了参考。     

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...     

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.      

高阶精度格式WCNS在三角翼大攻角模拟中的应用研究

采用5阶精度的加权紧致非线性格式(WCNS-E-5)数值模拟了65°三角翼的大攻角绕流流场,主要目的是考核高阶精度格式WCNS在大攻角旋涡流动方面以及跨声速流场的激波附面层干扰、涡破裂位置的模拟能力,重点研究不同网格规模和湍流模型对尖前缘三角翼涡系之间的相互作用的影响。通过求解任意坐标系下的雷诺平均N-S方程,采用5阶精度的加权紧致非线性格式(WCNS-E-5)和多块对接结构网格技术,两种湍流模型分别是一方程SA和两方程SST湍流模型,在与相应试验结果对比的基础上,详细研究了WCNS-E-5格式在跨声速大攻角旋涡流动中的表现,以及不同网格规模、两种湍流模型对主涡二次涡相互作用、涡破裂位置和表面压力分布的影响。本文的研究结果表明,高阶精度格式WCNS-E-5能成功应用于三角翼的跨声速大攻角流动,网格规模的增加进一步提高流场分辨率,SST湍流模型相对SA湍流模型在三角翼大攻角流动中具有更好的适用性。     

用非线性涡粘性模式计算三维湍流边界层

针对非线性涡粘性模式在求解三维湍流边界层流动时的不足，本文从压力－变形率关联项中的快速项出发，考虑流动非均匀影响，在显式代数应力模式的雷诺应力表达式中引入了反映雷诺应力“松驰”效应的速度二阶导数项，构造了一个新的非线性涡粘性模式。通过对典型算例－翼体角隔流动的计算结果表明，新模式能较好地再现出三维湍流边界层内雷诺切应力方向的发展滞后于速度梯度方向发展这一流动特性。     

两种k-ω型湍流模型在无网格方法中的应用研究

基于在高度各向异性点云结构中取得良好结果的点云重构技术,采用移动最小二乘无网格法解耦计算了k-ω型湍流模型方程和雷诺平均N-S方程(RANS),实现了对湍流流动的数值模拟。通过对NACA0012翼型、RAE2822翼型的绕流以及后向台阶大分离流动的数值模拟,比较分析了k-ωSST(Shear Stress Transport)和k-ωTNT(Turbulent/Non-Turbulent)两种模型的湍流预测能力。结果表明:对弱逆压梯度情况下的湍流,两者具有相当的预测能力;而k-ωSST较k-ωTNT具有更好的激波捕捉能力。对于大分离流动,两种模型较实验数据均存在一定差异,但总体趋势吻合良好。     

基于大涡模拟分析气膜冷却的湍流场

用大涡模拟考察了单孔平板气膜冷却的湍流场,气膜孔沿流向倾斜30°,气膜出流的雷诺数为2600,吹风比为0.5.计算结果表明:①气膜孔内的流动分离增加了湍流动能,导致气膜冷却效率的降低,在设计中要尽量避免或减少流动分离;②与射流侧向扩展有关的涡黏性系数在气膜孔两侧存在峰值,而采用各向同性的湍流模型预测气膜冷却时,涡黏性系数的峰值出现在射流与主流的剪切区,因此会高估射流的垂直穿透而低估射流的侧向扩展;③可以用大涡模拟辅助建立各向异性的湍流模型,以便提高湍流模型的预测精度.      

湍流涡黏性模型方程中相位差的测量

基于理论上湍流相干结构复涡黏性模型对涡黏性系数的分析,应用热线测速技术测量了平板湍流边界层多尺度相干结构动力学方程中非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力分量与相干结构流向速度流向变形率之间的相位差。分析了湍流边界层相干结构猝发过程中,非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力分量与相干结构流向速度流向变形率之间的相位差沿湍流边界层法向的变化规律,为建立更加符合实际的湍流模型提供了实验依据。     

弯曲壁面流动分离及再附的尺度解析模拟

为准确预测弯曲壁面发生的流动分离及再附现象,基于模拟应力混合思想构建了新的RANS/LES混合框架,涡黏系数和湍动能耗散项中的长度尺度同步切换、涡解析区动态确定亚过滤尺度模型系数、采用混合过滤尺度匹配动态模型,并据此构造了k-ω基动态应力混合模型。首先利用槽道湍流检验了基准的亚过滤尺度模型和近壁RANS模型,前者解析获得了正确的湍流脉动近壁行为和相干结构,后者以很小代价捕捉到了雷诺应力分量的各向异性和松弛效应。随后利用周期性山算例考核了动态应力混合模型对分离再附湍流的预测精度,并与DDES,IDDES及SAS模型进行了对比。结果表明,三项改进使得动态应力混合模型具有近壁模拟能力且不存在对数律不匹配问题,涡解析能力优于DES类隐含的准代数模型,能够更好地捕捉压力梯度诱导的流动分离和再附,获得更为准确的壁面剪切应力、摩擦系数、压力系数、回流区,分离剪切层相干结构的分辨率更高。     

高压涡轮转子间隙泄漏流动的非定常特征研究

利用数值方法求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程模拟某跨声速高压涡轮流场,研究了某跨声速高压涡轮流场的非定常特征,通过详细分析动静干涉对间隙泄漏流动的影响,进一步明确了泄漏流周期性变化的规律和成因.研究发现:静子尾缘燕尾波的外侧分支外尾波是间隙内部流动结构变化的主要原因,间隙泄漏涡的周期性变化则受外尾波和尾迹的共同影响.外尾波深入转子通道内部周期性经过间隙,在间隙前缘附近产生很强的逆压梯度,使间隙前部流动方向明显改变而产生大范围分离.外尾波导致间隙泄漏流量明显增加并周期性震荡.在静子尾迹和外尾波共同作用下,泄漏涡强度出现波动且涡的位置前后移动,使泄漏涡呈现明显的非定常性.      

基于流迹显示技术的前弯跨声速压气机叶栅通道三维流动测量

为了研究前弯跨声速压气机叶栅通道的三维流动状况,利用流迹显示技术,对不同攻角下的流动图谱进行了测量,并针对负攻角以及零攻角、正攻角工况提出了两种流动模型。研究表明,叶片表面层流的转捩形式与攻角无关,压力面均在前缘以旁路转捩形式完成转换,吸力面以层流分离泡形式完成分离转捩。在三维流动结构上,负攻角时流动较为简单,为前缘马蹄涡对、通道涡、吸力面尾缘处壁角涡构成的涡系结构;零攻角与正攻角时,还存在压力面前缘诱导角涡、压力面侧的通道诱导涡的涡系结构。此外,受吸力面尾缘集中脱落涡的影响,压力面尾缘出现了向前缘的回流,导致出现了鞍点三维分离特征线;且在压力面前缘诱导涡轴向流动的黏性与轴向逆压梯度作用下,压力面还出现了附着螺旋点与分离螺旋点的三维分离流动特征。     

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。     

一种新的非线性K-ε两方程湍流模型

本文基于理论分析和对标准Ｋ－ε两方程湍流模型数值模拟结果的分析,在标准Ｋ－ε两方程模型的雷诺应力表达式中加入６高阶非线性项;并在模型的涡粘性系数μ１中考虑流动各向异性的影响,将涡粘性系数中参数Ｃμ取为表征流动各向异性的参数Ａ的一个线性函数,从而得到了一个新的非线性Ｋ－ε两方程湍流模型。     

不同湍流模型在三维后台阶数值模拟中的对比

数值模拟是飞行器设计的重要工具,如何精确模拟分离流动,其关键在于选择合适的湍流模型。针对分离流动中典型的后台阶流动,采用不同的湍流模型进行三维数值模拟分析,其中包括Spalart-Allmaras(简称SA)湍流模型、两方程k-Omega SST(简称SST)湍流模型和显式代数雷诺应力模型(EARSM),并与实验结果进行比较。研究结果表明:EARSM对于后台阶分离涡回流区的模拟结果最好,优于SA与SST湍流模型,SA模型对于剪切层模拟稍好一点。综合来说,EARSM模型对于回流区分离涡的模拟较好,在剪切层位置其模拟结果也和实验较为接近,能较好地反映后台阶的分离流动。