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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于膨胀波效应的高超声速进气道肩部流动分离控制研究

为改善高超声速进气道唇口激波/附面层干扰诱导的肩部流动分离，从膨胀波及激波理论出发，推导出了膨胀波效应影响下的斜激波附面层干扰理论公式，获得了影响斜激波诱导分离的主要因素：膨胀角梯度、激波角及波前马赫数。在此基础上，开展了膨胀波效应影响下的流动分离控制研究，给出了膨胀波效应影响下斜激波诱导分离的判别及预测方法。结果表明：增大激波入射点处膨胀角梯度，可以显著减小甚至消除肩部流动分离；随着激波角增大，激波强度及逆压力梯度增加，分离区尺寸显著增大。而波前马赫数对分离区尺寸的影响不显著；在进口马赫数3.57～5.18，唇罩角度6°～10°范围内，当激波入射点处逆压比梯度小于250 m-1时，斜激波诱导的流动分离消失，可为改善超声速/高超声速进气道内流道流动分离提供技术支撑。     

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。     

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。     

引入压力梯度的针对角区分离流动的Spalart-Allmaras模型的改进

针对Spalart-Allmaras（S-A）模型在角区分离计算中的问题,将无量纲的压力梯度引入其涡黏性输运方程的生成项,得到了改进的S-A模型.通过对两套含角区分离的低速压气机叶栅进行验证计算发现:与实验结果相比,原始S-A模型所得的分离区偏大,分离区内壁面压力偏低;而改进模型得到了与实验一致的分离区尺寸以及吸力面、压力面压力系数分布等结果.针对S-A模型涡黏性生成项和耗散项的分析表明:引入的无量纲压力梯度有效的识别了角区分离,在分离区内改变了涡黏性的生成、耗散关系,增大了涡黏性,从而缩小了计算所得分离区,同时在主流区保留了原始S-A模型的计算结果,进而带来了良好的改进效果.      

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...     

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.      

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。     

基于RANS/LES混合方法的分离流动模拟

飞行器在大迎角、快速俯仰机动时,流场中含有大尺度、非定常的涡结构,传统雷诺平均Navier-Stokes （RANS）模型不能准确模拟流场结构,根据国际上相关研究的发展趋势,需要采用混合RANS/大涡模拟（LES）模型来对复杂分离流动进行准确模拟。本文对基于分区混合与湍流尺度混合的双重RANS/LES混合计算模型进行发展与应用。通过典型简化模型的静、动态湍流大分离流动,测试和验证所采用的脱体涡模拟（DES）类方法,重点研究改进的延迟DES （IDDES）模型在动态问题应用中的正确性和有效性,并对所采用的数值模拟方法和相应的计算软件的可靠性、鲁棒性以及精度进行了考核验证。典型算例包括超声速圆柱底部流动、跨声速方腔流动、NACA0015机翼深失速分离涡模拟等。计算表明：发展的IDDES类混合计算模型可有效解决对数层不匹配的问题;对于定态非定常分离流动,DES、DDES、IDDES等模型计算结果差别不大,随着流动的非定常特性增强,IDDES模型的优势逐渐显现;对于动态非定常分离流动,则需要采用IDDES类模型。     

受限流动中激波诱导分离的结构分析

为了探索内流道中激波/边界层干扰引起的流动分离结构,采用RANS方法对马赫6来流下不同宽度、高度的带有20°楔角的矩形内流道流动进行计算,对内流道中分离结构开展了研究,重点关注了内流道下壁面中心区域分离的结构特征,比较了不同几何参数下的流动结构,总结其变化规律并简单讨论了各参数的影响机制。结果表明：内流道中激波诱导的分离具有复杂的三维结构,下壁面中心分离区涡结构呈“Ω”形,并通过两侧的旋风涡与侧壁面附近的分离发生质量交换。在给定来流状态参数的条件下,下壁面分离结构主要受宽度W(主要影响旋风涡之间的距离)和高度H(主要影响侧端分离尺寸及旋风涡与侧壁间距离)的影响。旋风涡之间的相互干扰是中心分离呈现二维特征或三维特征的关键。     

SST湍流模型的激波与可压缩效应改进

由于缺乏对某些重要流动特征的考虑,针对不可压流发展的标准SST湍流模型在描述超声速流场时存在明显的局限性。为改善SST模型在吸气式高超声速推进系统内流等复杂超声速流场中的预测精度,基于流动特征结构定向开展了激波和可压缩效应改进。通过激波/湍流边界层判别函数和可压缩效应判别函数定位标准SST模型参数或建模假设失效的区域,针对性地改进湍流模型。采用超声速平板边界层流动、超声速压缩拐角分离流动、超声速隔离段复杂激波串流动以及HIFiRE-2超声速内流等算例进行了测试,结果表明改进模型具有与标准SST模型一致的边界层预测能力,但显著提高了对激波干扰流动及逆压分离流的预测精度。     

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。     

后掠翼身干扰区流动特性及改善措施研究

利用流动显示及表面压力测量方法研究了后掠翼身干扰区的流动特性,并研究了用小边条等措施改善干扰区的流动特性的效果。结果表明,随着不同机翼后掠角、不同迎角及不同Ｒｅ数对干扰区流动特性的影响,流成可以从一涡系变成多涡系由定常变成非定常,而且在一定的Ｒｅ数以后涡系会湍流化;翼身干扰区上游的的逆压梯度是导致边界层分离的物理原因,利用面积很小的边条可以降低干扰区局部的逆压梯度,可以导至干扰区的旋涡很弱,甚至不     

转捩模型在翼型气动性能预测 中的应用研究

边界层转捩位置的准确预测对于提高飞行器气动性能的预测精度具有重要意义.选取与k-ω SST湍流模型相耦合的γ-Reθt模型,以零压力梯度平板为研究对象,通过求解基于有限体积法的雷诺平均N-S方程验证该模型自动捕捉流动转捩的准确性;将该模型应用于传统有压力梯度的NACA 0012翼型的流场特性和气动性能的研究中,并与原始k-ω SST模型的计算结果及全湍流试验数据进行比较.结果表明:远场边界距离对翼型阻力系数有较大的影响;与无转捩模型相比,γ-Reθt转捩模型对翼型阻力系数的预测精度有一定程度的提高;对于二维模型,γ-Reθt转捩模型难以捕捉翼型表面的三维效应和非定常分离特性.