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。     

应用改进的低雷诺数湍流模型预测转捩流动

基于Launder-Sharma(LS)低雷诺数k-ε两方程湍流模型发展了一种改进的具有转捩敏感性的低雷诺数湍流模型.针对LS模型的可实现性(realizability)问题和前缘滞止点湍动能预测过大的不足,模型进行了改进.改进模型只使用当地物理量,不需要求解壁面距离、y+和边界层积分参数.改进模型能够适用于广泛的流动,且容易应用到通用的计算流体动力学(CFD)程序中.对具有详细数据的零压力梯度平板转捩边界层T3A实验的模拟结果显示,改进模型能够预测转捩流动,并能对自由湍流变化给出合理的响应.      

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.      

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.     

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SA和SSTγ-■模型对边界层转捩预测的比较

利用作者共同研发的In-house代码TRANS3D平台,在SA和SST两种常用湍流模型框架下构建了γ-■转捩模型,并以二维低速S809层流翼型和三维小后掠跨音速F5层流机翼为对象,比较了两种不同湍流模型构架下γ-■转捩模型预测的气动力特性和流场分布。结果表明:两种转捩模型均能预测航空转捩计算中常见的分离流转捩和自然转捩类型,明显改善了中低雷诺数流场下的预测精度,但由于选取基准湍流模型的不同,基于SA和SST的γ-■转捩模型在流动细节上依然存在着一些差异。     

翼型几何模型对边界层转捩预测精度的影响

对飞行器表面的边界层转捩现象进行准确地预测,是设计高性能层流翼型的关键。基于边界层数值模拟和现代CFD技术的特点,选取与SSTk-ω湍流模型相耦合的γ-Reθt转捩模型,对不同类型的翼型边界层转捩进行预测。结果表明:在转捩计算过程中出现的摩阻曲线震荡,是由翼型表面计算网格不光顺所引起的;提高翼型几何模型光顺程度能够在不同程度上提高翼型气动特性的计算精度,并能得到更加准确的转捩预测结果。     

带有压力梯度的平板边界层转捩数值模拟

对零压力梯度和带有压力梯度的平板边界层转捩实验T3A,T3C1和T3C2进行了数值模拟,计算结果与实验值吻合的较好,并得出以下的结论:压力梯度的存在对转捩起始的位置有较大的影响;M-L转捩模型能比较准确地预测转捩的发生和发展过程,但M-L一方程转捩模型因为要根据经验选取转捩起始动量厚度雷诺数,所以在通用性上相对M-L二方程转捩模型要弱;使用M-L转捩模型计算过程中,根据湍流的性质选取进口粘性比有助于正确地预测转捩的发展过程.      

Conjugate heat transfer investigations of turbine vane based on transition models

The accurate simulation of boundary layer transition process plays a very important role in the prediction of turbine blade temperature field. Based on the Abu-Ghannam and Shaw (AGS) and c-Re h transition models, a 3D conjugate heat transfer solver is developed, where the fluid domain is discretized by multi-block structured grids, and the solid domain is discretized by unstructured grids. At the unmatched fluid/solid interface, the shape function interpolation method is adopted to ensure the conservation of the interfacial heat flux. Then the shear stress transport (SST) model, SST & AGS model and SST & c-Re h model are used to investigate the flow and heat transfer characteristics of Mark II turbine vane. The results indicate that compared with the full turbulence model (SST model), the transition models could improve the prediction accuracy of temperature and heat transfer coefficient at the laminar zone near the blade leading edge. Compared with the AGS transition model, the c-Re h model could predict the transition onset location induced by shock/boundary layer interaction more accurately, and the prediction accuracy of temperature field could be greatly improved.     

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。     

Recent experience with different turbulence models applied to the calculation of flow over aircraft components

An evaluation of ten turbulence models is made for compressible flows encountered in current aircraft applications. The Baldwin–Lomax and P.D. Thomas algebraic models, the Baldwin–Barth and Spalart–Allmaras one-equation models, five low-Reynolds-number k– models and the Menter SST blended k–/k–ω model are examined. A zonal, upwind, implicit, factored algorithm is used to solve both the mean flow equations and the turbulence model equations for three-dimensional, compressible turbulent flow. Calculations are presented for both internal and external flowfields including a two-stream mixing layer, a supersonic flat-plate boundary layer, a transonic supercritical airfoil, a shock wave/turbulent boundary layer interaction, an ejector nozzle, a highly offset diffuser, and a twin impinging jet flowfield. The influence of two modifications to the production of turbulent kinetic energy for the low-Reynolds-number k– models is evaluated, a vorticity-based strain rate and a production limiter. A compressibility correction for high speed shear layers is also examined. Comparisons of the results of the various turbulence models are made with experimental measurements. Significant differences are observed in the model predictions when applied to the same problem using the same computational mesh and mean flow solver. The algebraic models are unable to capture the physics of these complex flowfields, particularly for the internal flow calculations. The performance of each model is dependent on the application. No universal model is found for all flowfields examined. Each one-equation and two-equation model has specific strengths and weaknesses and the performance of each model is assessed.     

壁面函数在激波诱导分离流动中的应用

以数值模拟激波-附面层干扰引起的流动分离问题为研究背景,发展了基于有限体积方法的雷诺平均Navier—Stokes（RANS）方程的流场数值模拟方法。利用壁面函数模型得到壁面剪切应力,通过修正壁面粘性通量,构造了一种新的湍流边界处理方法,并将其耦合到RANS方程和SSTk-ω湍流模型的数值求解中;同时,针对激波诱导引起的附面层流动分离问题,提出一种附面层网格加密技术,能够自适应加密分离区内附面层网格,使得在流动分离区域也能够使用壁面函数模型。数值算例表明,壁面函数模型能够降低数值模拟结果对网格的依赖性;同时也验证了壁面函数耦合附面层网格自适应方法,在处理激波诱导引起的附面层流动分离问题时的有效性和准确性。     

温度梯度对平板边界层转捩影响的数值模拟

为了研究温度梯度对边界层转捩的影响,在对有/无压力梯度的T3系列平板转捩实验进行数值模拟获得满意结果的基础上,对原型实验进行重新设计,以在平板边界层内形成不同温度梯度并进行数值模拟。计算结果表明随着温度梯度的增大,转捩位置向下游推延发生,平板相同位置边界层的形状参数和壁面切应力系数也相应大幅增高,边界层湍流脉动得到抑制,这是因为温度梯度形成的密度分层,湍流能量为了克服因为密度分层形成的法向浮力而被逐渐耗散,但是温度梯度对转捩影响与其它流动特性对转捩的影响相比较弱。     

涡轮叶栅流动和传热耦合计算

通过求解三维雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程和带转捩模型的二方程SST(Shear stresstransport)湍流模型,完成了带简单冷却的MARKⅡ涡轮导向叶栅流动和传热耦合计算.计算结果与试验数据的对比表明,发展的带转捩模型的数值方法明显地提高了叶栅温度和外换热系数的计算精度.同时研究发现,湍流模型对叶栅表面压力分布影响很小,而对叶栅表面温度和外换热系数影响很大;在其它边界条件相同的情况下进口湍流度对壁面压力几乎无影响,但对叶栅温度和外换热系数影响较大.      

进气道中激波-边界层干扰特性研究

针对高超进气道中激波/边界层干扰等现象,选取了24°压缩拐角及二维高超进气道DLR-GK01等算例,比较研究了混合网格并行数值模拟软件中SA、SST、TNT三种湍流模型对激波/边界层干扰等现象的模拟能力,主要考察了不同湍流模型对流场结构、壁面压强以及壁面摩阻的影响。结果表明:三种湍流模型在模拟大分离流场时存在不同的流动分离特性,TNT湍流模型较SST和SA湍流模型模拟的分离起始位置、分离区大小及边界层厚度与实验吻合度最好。     

Transition study of 3D aerodynamic configures using improved transport equations modeling

As boundary layer transition plays an important role in aerodynamic drag prediction,the proposal and study of transition prediction methods simulating the complex flow phenomena are prerequisite for aerodynamic design. In this paper, with the application of the linear stability theory based on amplification factor transport transition equations on the two-equation shear stress transport(SST) eddy-viscosity model, a new method, the SST-N TS-N CF model, is yielded. The new amplification factor transport equation for the crossflow instability induced transition is proposed to add to the N TS equation proposed by Coder, which simulates Tollmien–Schlichting wave transition. The turbulent kinetic energy equation is modified by introducing a new source term that simulates the transition process without the intermittency factor equation. Finally, coupled with these two amplification factor transport equations and SST turbulence model, a four-equation transition turbulence model is built. Comparisons between predictions using the new model and wind-tunnel experiments of NACA64(2)A015, NLF(2)-0415 and ONERA-D infinite swept wing and ONERAM6 swept wing validate the predictive quality of the new SST-N_(TS)-N_(CF) model.     

使用GAO-YONG方程组对可压湍流边界层的数值模拟

应用SIMPLE/SIMPLER方法及QUICK格式求解GAO-YONG可压湍流方程组,对二维零压力梯度可压平板湍流边界层进行了数值模拟。结果表明,不需要任何经验系数及壁面函数的GAO-YONG可压湍流控制方程组对较广马赫数范围(Ma=0.2～2.4)平板边界层各项参数(表面摩擦系数C_f,对数律,亏损律等)能做出良好的预测。      

基于γ-Reθt转捩模型的翼型气动特性计算精度改进研究

将结合SSTk-ω湍流模型的γ-Reθt转捩模型与二维雷诺平均NS（RANS）方程数值求解相耦合,发展了考虑转捩影响的翼型气动特性计算方法。得到的计算结果与没有考虑转捩影响的计算结果的比较表明,与实验更加吻合,计算精度得到了明显提高。     

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。     

Gamma-Theta经验转捩模型在DES中的应用

与RANS湍流模型相比,DES湍流模型的边界层外自由流部分存在LES区,该区域的涡粘性会有所降低。为了研究了这一特征对γ-Reθt转捩模型的影响,以平板实验为算例,选取基于k-w SST湍流模型的DES模型和DDES模型,检验γ-Reθt转捩模型在DES模型和DDES模型中的表现。结果表明：DES模型和DDES模型使转捩位置推迟,SST—DES模型由于对网格过度敏感而没有触发转捩,SST—DDES模型使转捩位置后移较少;DDES模型比DES模型更适合γ-Reθt转捩模型;转捩经验关系需要进行修正后才能将γ-Reθt应用于DDES模型。