Sajben扩压器复杂流动中湍流模型的性能评估

用8个常用的湍流模型对Sajben扩压器中跨声速流动进行了数值模拟,评估了Spalart-Allmaras, 标准k-ε, RNG (re-normalization group) k-ε,realizable k-ε,标准k-ω,SST(shear stress transport) k-ω,v2-f,Reynolds stress共8个湍流模型对激波/湍流边界层相互作用的模拟预测能力.通过与实验数据比较发现:SST k-ω模型和v2-f模型比其他模型模拟的更准确,其中SST k-ω模型比v2-f更能准确地预测壁面压力,然而对于分离点、再附点以及分离区长度v2-f比SST k-ω预测得更准确.      

运用GAO-YONG湍流模型对扩压器内跨声速流动的数值模拟

运用GAO-YONG可压缩湍流方程组,采用同位网格SIMPLE算法,对扩压器跨声速流动中的二维激波/湍流边界层干扰现象进行了数值模拟。将计算得到的流场的时均参数与实验值进行比较,数值模拟结果在激波强度、壁面压力分布以及分离点和再附点位置等方面,与实验值吻合较好,表明GAO-YONG可压缩湍流方程组能够比较准确的模拟较强激波/湍流边界层干扰流动,从而进一步为GAO-YONG湍流模型的正确性及其在可压缩流场模拟方面的适用性提供了佐证。     

两种湍流模型在跨声速绕流计算的应用研究

湍流模型在对复杂流场的数值计算中起着非常重要的作用.本文采用SA一方程湍流模型和SST k-ω二方程湍流模型,通过解耦求解雷诺平均N-S方程和湍流模型方程实现对亚跨超声速湍流流场的数值模拟.对NACA0012翼型和ONERA-M6机翼跨声速绕流流场进行了计算,对压力分布和激波位置与实验结果进行了细致的比较,并分析了不同离散格式、不同网格疏密及壁面函数对计算结果的影响,在计算过程中这两个模型体现出了较好的简捷性和健壮性.     

超声速分离流非线性湍流模式的研究

本文在低雷诺数k-ε两方程框架下,应用八个常见的非线性湍流模式,对两个激波/边界层相互作用诱导分离的超声速流动进行了研究。采用的非线性模式有:二阶模式(Wilcox＆Rubesin(1980),Shih,Zhu＆Lumley(1993),Shih,Zhu＆Lumley(1995),Gatski＆Speziale(1993))和三阶模式(Craft,Launder＆Suga(1996),Lien＆Leschziner(1996),Apsley＆Leschziner(1998),Shih(1997))。两个超声速流动为:20°可压缩拐角绕流和轴对称尖顶拱-柱-裙组合体绕流。计算结果表明,对于激波边界层相互作用,在不做任何可压缩性修正的情况下,非线性模式并没有给出明显优于线性模式的结果。     

二维喷管分离流线性/非线性湍流模式的研究

采用三个线性和七个非线性涡粘性湍流模式，对二维非对称喷管中的不可压缩分离流进行了研究。通过将数值计算结果和实验结果进行比较，对有关的湍流模式进行了评估和分析。计算结果表明，非线性模式的模化系数与平均流动应变不变量以及旋转不变量有关，反映了湍流的各向异性，比线性模式优越得多。另外，所有线性／非线性涡粘性湍流模式不能够捕捉流动的非定常分离过程。     

应用于翼型绕流的线性/非线性湍流模式的研究

本文选取了四个线性湍流模式、四个非线性涡粘性湍流模式和一个显式代数应力模式对绕翼型的不可压缩分离流动进行了数值模拟.因计算鲁棒性的需要,其中部分模式在壁面附近耦合了一方程模式.通过与实验结果的比较,对翼型在大攻角情况下流动产生分离的气动特性进行了评估.计算结果表明,非线性模式能够较好地反映湍流的各向异性和曲率影响.     

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。     

Assessment of advanced RANS turbulence models for prediction of complex flows in compressors

Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) Computational Fluid Dynamics(CFD) has been widely used in compressor design and analysis. However, reasonable prediction of compressor flow and its impact on compressor performance remains challenging. In this study, Menter’s Shear Stress Transport(SST) model and its variants, as well as the ω-based Reynolds stress model(Stress-BSL) are assessed. For a single rotor(Rotor 67), under the peak efficiency operating condition, all studied turbulence models predic...     

高升力翼型复杂流动模拟中湍流模型性能评估

采用软件Fluent中工程常用的7个涡黏湍流模型对某种高升力3段翼的降落阶段绕流进行了数值模拟.通过和试验及经过试验校验过的延迟脱体模拟（delayed detached eddy simulation,DDES）结果进行详细的对比分析,包括翼型压力系数、马赫数、涡量场和湍动能分布等,系统地研究了常用涡黏湍流模型对该高升力翼型的模拟性能.结果表明：对于平均流场,standard k-ω模型的模拟性能最好,能较好预测翼型压力系数、襟翼分离区位置和大小等;SST （shear stress transport）k-ω模型性能也较好,一方程SA （Spalart-Allmaras）模型和四方程v²-f模型具有相近的性能,而k-ε系列模型性能相对较差.对于湍流场的模拟性能,和上述平均流场对比所得结论相一致,但所有湍流模型均未预测出襟翼分离区附近湍动能“最大”的分布特征.     

隐式紧耦合SST和TNT湍流模型的高速流动数值模拟

将SST(shear stress transport)和TNT(turbulent/non-turbulent)湍流模型输运方程与平均流场控制方程进行隐式紧耦合求解,结合当地时间步长方法和湍流源项隐式处理确保求解过程的快速和稳定.采用AUSMPW+(AUSM by pressure-based weight functions)格式和LU-SGS(lower-upper symmetric Gauss-Seidel)隐式紧耦合方法对高超声速压缩拐角流动、锥柱裙流动和超声速非对称激波/边界层干扰问题进行了数值模拟.计算结果与实验值的对比表明:SST模型和TNT湍流模型可以很好地预测15°压缩拐角流动的壁面压力和热流密度;随着压缩拐角的增大,计算结果与实验值偏差增大;可压缩性修正对压缩拐角流动的压力和热流密度分布有很大影响,对超声速非对称激波/边界层干扰流动影响很小;隐式紧耦合方法比显式紧耦合方法具有更好的收敛特性.      

槽流的亚临界转捩与局地湍流

在中低雷诺数时,处于线性稳定的槽道流若受到强扰动可发生亚临界转捩变为湍流。近年人们对该类转捩机理的研究取得重要进展。对于平板泊肃叶流,亚临界转捩之初是稀疏湍流态,其特征结构是远间隔的包含小尺度涡和高低速条带的大尺度的湍流带,可倾斜伸长。该阶段的湍流占比有上限但并非雷诺数的单值函数。随着雷诺数的增加转捩进入平衡局地湍流态,即存在统计定常态,其湍流占比是雷诺数单值函数,可由定向逾渗模型描述。进一步增加雷诺数,湍流带的分裂愈发频繁,最终流场会布满湍流带,在更高的雷诺数时变为均匀湍流。论文概述了为比拟亚临界转捩过程所提出的动力学模型,以及为定量表征管流、平板库艾特流和平板泊肃叶流转捩过程的相似性所提出的局地稳定性参数,并在最后对槽道流亚临界转捩研究的发展做了简要展望。     

Improvement of Baldwin-Lomax turbulence model for supersonic complex flows

Entropy represents the dissipation rate of energy. Through direct numerical simulation (DNS) of supersonic compression ramp flow, we find the value of entropy is monotonously decreasing along the wall-normal direction no matter in the attached or the separated region. Based on this feature, a new version of Baldwin-Lomax turbulence model (BL-entropy) is proposed in this paper. The supersonic compression ramp and cavity-ramp flows in which the original Baldwin-Lomax model fails to get convergent solutions are chosen to evaluate the performance of this model. Results from one-equation Spalart-Allmaras model (SA) and two-equation Wilcox k-x model are also included to compare with available experimental and DNS data. It is shown that BLentropy could conquer the essential deficiency of the original version by providing a more physically meaningful length scale in the complex flows. Moreover, this method is simple, computationally efficient and general, making it applicable to other models related with the supersonic boundary layer.     

多面体网格在静气动弹性计算中的应用

介绍了多面体网格技术在静气动弹性问题中的应用.基于M6算例和径向基函数插值法,探究了多面体网格的CFD计算效率和变形能力,使用AGARD445.6机翼进行了静气动弹性数值计算.结果表明,多面体网格具有计算效率高、变形能力强、计算结果准确等优点,可适用于静气动弹性问题的数值计算.     

Uncertainty analysis of turbulence model in capturing flows involving laminarization and retransition

Flows experiencing laminarization and retransition are universal and crucial in many engineering applications. The objective of this study is to conduct an uncertainty quantification and sensitivity analysis of turbulence model closure coefficients in capturing laminarization and retransition for a rapidly contracting channel flow. Specifically, two commonly used turbulence models are considered: the Spalart-Allmaras (SA) one-equation model and the Menter Shear Stress Transport (SST) two-equation model. Thereby, a series of steady Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) predictions of aero-engine intake acceleration scenarios are carried out with the purposely designed turbulence model closure coefficients. As a result, both SA and SST models fail to capture the retransition phenomenon though they achieve pretty good performance in laminarization. Using the non-intrusive polynomial chaos method, solution uncertainties in velocity, pressure, and surface friction are quantified and analyzed, which reveals that the SST model possesses much great uncertainty in the non-laminar regime, especially for the logarithmic law prediction. Besides, a sensitivity analysis is performed to identify the critical contributors to the solution uncertainty, and then the correlations between the closure coefficients and the deviations of the outputs of interest are obtained via the linear regression method. The results indicate that the diffusion-related constants are the dominant uncertainty contributors for both SA and SST models. Furthermore, the remarkably strong correlation between the critical closure coefficients and the outputs might be a good guide to recalibrate and even optimize the commonly used turbulence models.     

高湍流度格栅的数值模拟及设计方法研究

为探讨高湍流度格栅的几何设计方法,采用基于非结构网格的大涡模拟方法,以单平面格栅为研究对象,计算分析了不同格栅稠度、几何形状、来流雷诺数及表面粗糙度下,格栅后湍流度、各向同性特征沿流向的变化。结果表明,格栅稠度对各向同性湍流度基本无影响,稠度增加能增加格栅初始湍流度;存在优化的格栅形状、与格栅尺寸变化相关的来流雷诺数及格栅表面粗糙度,能改善湍流各向同性特征,进而提高格栅湍流度。     

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.      

SA和SST湍流模型对高超声速边界层强制转捩的适应性

凸起物是高超声速流动中常用的一种人工转捩装置。采用高阶精度算法模拟了高超声速进气道压缩面上的强制转捩流动,转捩装置为一排高度为1mm的钻石型凸起物和斜坡型凸起物。考察了Spalart-Allmaras(SA)模型和剪切应力输运(SST)湍流模型对该问题的适应性。在考察过程中通过丰富的算例分析了网格规模、可压缩修正和空间离散格式等对计算结果的影响。在层流区,计算能与试验取得非常一致的结果。但在湍流区,计算得到的热流通常高出试验数据。经分析发现其原因是强制转捩的湍流边界层与自然转捩的湍流边界层在涡结构上存在较大差别,使得湍流模型的效果较差。针对高超强制转捩湍流涡结构丰富的特点,对SST湍流模型进行了修改。计算结果表明,该修改方法对提高热流精度具有一定效果。     

叶轮机转静干涉计算建模方法比较

通过对尾迹-叶片干涉和激波-叶片干涉这两类典型转静干涉流动的模拟,对3种基于傅里叶分析的时域非定常计算建模方法,即形修正相延迟法、空间-时间梯度法和谐波平衡法进行对比分析;详细考察它们的区别与联系,不同方法的计算准确度和计算速度.计算表明:3种建模方法都可以很好地捕捉到非定常流动细节;与传统的时间推进法相比,计算速度提高了几倍到几十倍,可用于工程设计之中.      

液体煤油超声速燃烧数值分析的湍流模型

利用计算流体力学软件对煤油在所设计的双模态燃烧室内的喷雾燃烧进行了数值模拟。采用k-ε三种形式、k-ω两种形式和雷诺应力湍流模型,计算了在飞行马赫数为5,煤油与空气的当量比为0.551时的情况。通过将数值模拟结果与实验数据进行对比,证明这些湍流模型都可用于煤油超声速燃烧的数值计算。并且,k-εRNG模型和k-ωSST模型的计算结果与实验数据最为接近,可以认为这两个模型在模拟煤油超声速燃烧流场中是非常有效的;而雷诺应力模型效果较差。