k-ωSST湍流模式三维激波分离流动修正

“激波−边界层分离”是航空气动领域的典型湍流非平衡流动问题,准确模拟激波分离对于跨声速飞行器气动性能评估和优化设计具有重要意义.然而传统涡黏性湍流模式中涡黏性系数的定义方式并不适用于非平衡流动,k-ωSST湍流模式为此引入的Bradshaw假设在应用于三维强逆压梯度和较大分离流动时反而限制了雷诺应力的生成,导致包括k-ωSST在内的常用涡黏性湍流模式均无法对此类流动进行准确模拟.同时,现有的非线性雷诺应力本构关系也并不能有效提高模拟精度.为此,针对k-ωSST模式分别提出了基于Bradshaw假设和基于长度尺度的两种激波分离流动修正方法.前者通过提高Bradshaw常数的方式放宽了对雷诺应力生成的限制,后者则从湍流长度尺度概念出发,利用混合长度理论、湍动能生成/耗散之比和一种新定义的长度尺度之比构造了ω方程耗散项修正函数,提高了模式在三维激波分离流动中的建模长度尺度.两种方法对ONERA M6机翼跨声速大攻角流动均能得到较雷诺应力模式更好的模拟结果.进一步的雷诺应力分析表明,三维激波分离流动中“主雷诺应力分量”的概念不再成立,各雷诺应力分量大小接近.网格收敛性分析、对其他攻角状态的验证以及湍流平板边界层壁面律验证进一步确认了所提出的两种修正方法的合理性、有效性和通用性.