基于γ-Re_(θt)转捩模型的高雷诺数旋转圆柱绕流数值研究

采用γ-Re_(θt)转捩模型对高雷诺数下旋转圆柱绕流的壁面边界层的流动特征以及边界层的转捩现象进行数值模拟,用Re=5.0×10^(3)时的旋转圆柱绕流问题作为算例与直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS)的结果进行了对比,验证了γ-Re_(θt)转捩模型在模拟旋转圆柱绕流问题方面的准确性。然后分别对亚临界区、临界区和超临界区的旋转圆柱绕流问题进行数值模拟,分析了不同雷诺数和不同相对转速下旋转圆柱绕流的近壁面流动特征及表面时均压力系数、时均摩擦力系数,总结了圆柱表面绕流转捩位置相对转速的变化规律。结果表明,当自由来流雷诺数一定时,圆柱下表面来流与线速度方向一致处的转捩点随相对转速的增加而后移,圆柱上表面来流与线速度方向相反处的转捩点随相对转速的增加而前移。圆柱上表面来流与线速度方向相反处的流动分离是由于壁面黏性摩擦和逆压梯度共同作用下导致动能下降的结果,并且壁面的运动方向与主流方向相反更加剧了黏性摩擦对动能的耗散。圆柱下表面来流与线速度方向一致处的流动分离是由于背风面的逆压梯度致使壁面附近流体无法继续跟随壁面运动而产生回流的结果。

基于Fluent UDF的 γ-Re_(θt) 转捩模型高超声速修正初步研究

为了提高γ-Re_(θt)转捩模型在高超声速转捩预测中的精度,在γ-Re_(θt)转捩模型中引入了马赫数和雷诺数来反映高超声速流动的可压缩效应,并基于响应面法重新构造了涡雷诺数与动量厚度雷诺数之间的拟合关系式,使得γ-Re_(θt)转捩模型可适用于高超声速流动。考虑到实际应用,利用用户自定义函数(UDF)功能对商业软件Fluent中的γ-Re_(θt)转捩模型的Reθc和F length函数进行了修正,并采用高超声速平板和钝锥对修正的γ-Re_(θt)转捩模型进行了检验和验证。与原始γ-Re_(θt)转捩模型以及实验数据相比,改进的γ-Re_(θt)转捩模型可以成功地预测由边界层转捩引起的斯坦顿数的变化,并且对转捩起始位置的预测精度较原始模型有明显改善。

γ-Re_(θt)-SA转捩模型在翼型绕流问题中的应用研究

详细介绍了γ-Reθt转捩模型与S-A一方程湍流模型相结合组成的γ-Reθt-SA转捩模型及该模型中参数修正过程,并将Spalart为控制自由来流湍流度衰减而提出的环境源项法引入到该模型中。利用已有的RANS求解器平台实现了该转捩模型,对Aerospatiale-A翼型、S809翼型和30P30N三段翼的绕流问题进行了模拟,将计算结果与实验结果进行了对比分析,计算结果表面该模型可以较为准确地预测不同计算条件下的翼型流场中分离诱导转捩和自然转捩的位置以及再层流化等流动现象,其计算效率及精度能够满足工程应用要求。同时,该模型的研究与开发对于后续发展具有转捩预测能力的RANS-LES方法奠定了基础。

基于γ-■_(θt)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-■θt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。

基于Gamma-Theta模型的固定转捩数值模拟研究

采用γ-~Reθt转捩模型,对NACA0012翼型的固定转捩进行数值模拟,计算了不同雷诺数下刚好激发转捩又不引起过大局部压力扰动和附加阻力的最低粗糙带高度,说明了γ-~Reθt模型模拟固定转捩的能力。通过计算低雷诺数下固定转捩来模拟高雷诺数下自然转捩,计算结果表明固定转捩可以较好地模拟自然转捩。这两种计算结果对风洞试验都有重要的指导意义。

基于转捩/尺度适应模型与FW-H声学方程的气动噪声数值模拟研究

采用计算流体力学(CFD)同"声类比"相结合的方法进行噪声模拟,利用CFD数值模拟MD30P30N多段翼型失速攻角附近流场以及其气动特性来校核近场精度,进一步通过结合可穿透数据面的FW-H声学方程进行气动噪声分析。为了准确捕捉近场流场信息,为噪声预测提供可靠的声源精度,本文基于k-ω剪应力输运(SST)湍流模型,建立了尺度适应分离流(SAS)模型,并采用γ-Reθt转捩模型耦合k-ωSST湍流模型建立了边界层转捩数值模拟技术;充分利用尺度适应模型在边界层表现为雷诺平均(RANS)方法这一特点,将γ-Reθt转捩模型与SAS模型结合,建立针对包含转捩、分离现象复杂流场的数值模拟技术。文中以RANS为控制方程,分别采用全湍流k-ωSST模型、γ-Reθt SAS转捩/分离流模型对多段翼进行近场数值模拟计算,结合可穿透数据面的FW-H声学方程进行气动噪声预测,在分析其对流场及气动噪声影响的基础上,得出了几点结论。

不同湍流模型在低雷诺数流动中的应用研究

以SD7032翼型为研究对象,基于求解雷诺平均N-S方程的有限体积法,采用S-A、k-w、SSTk-w、realizable k-ε、transition SST和改进的γ-Re_(θ,t)转捩模型等6种湍流模型,对雷诺数为203 800时翼型流动进行了数值模拟,评估了不同湍流模型在低雷诺数流动中的升阻特性和收敛情况。结果表明:当不考虑流动转捩时,和其他湍流模型相比,SSTk-w湍流模型计算得到的升阻系数更接近实验值,能够较好地模拟低雷诺数流动。考虑转捩时,改进后的γ-Re_(θ,t)转捩模型的稳定性和收敛性都有较大提升,在小攻角范围内计算结果和实验值吻合。

转捩过程对旋翼悬停模拟的影响分析与研究

悬停状态是考察旋翼整体气动性能的重要状态之一。随着计算机技术及CFD技术的发展,基于“第一性原理”的数值模拟方法越来越多地被用于评估旋翼悬停性能。在使用基于RANS方程的数值模拟方法进行固定翼飞行器定常计算时,流动转捩现象对某些特定状态下流场及气动特性会产生巨大影响,因此在进行固定翼设计时要考虑流动转捩现象。然而转捩过程是否同样会影响旋翼非定常气动流场及气动特性,国内研究较少,因此有必要研究转捩过程对旋翼流场数值模拟的影响,为旋翼类飞行器的设计及评估提供参考。采用美国航空航天学会旋翼悬停工作组提出的PSP旋翼标模,利用结构化动态嵌套网格技术,在大拉力悬停和小拉力悬停状态下,分别进行全湍流模拟和转捩模拟计算并与试验结果进行了对比。对比结果显示,文中所采用的数值求解器对旋翼悬停效率的计算误差在5%之内。在考虑流动转捩后,由于桨叶表面存在层流区域,计算所得旋翼悬停效率高于全湍流假设下的预测值,而桨叶表面的层流区域与旋翼拉力大小有关。在流动转捩发生的区域,转捩过程会对桨叶截面压力分布以及桨叶展向扭矩分布产生明显影响,同时桨叶表面出现明显的流动分离现象。对于桨叶展向拉力分布和桨盘下方旋翼尾迹桨尖涡区域,转捩过程均不产生明显影响。

固定转捩和自由转捩流动预测方法验证

采用固定转捩位置和基于SST k-ω湍流模型的γ-Reθt转捩模型自由转捩模拟两种方法研究了RAE2822翼型流动转捩问题。先采用γ-Reθt转捩模型确定转捩位置,再采用所获得的转捩位置实施固定转捩位置计算,并与全湍流计算结果和其他软件计算结果进行了对比。表明两种方法均能有效捕捉超临界翼型流动转捩现象,固定转捩位置模拟结果基本上重现了自由转捩预测结果。

基于转捩SST模型的钝尾缘水翼绕流数值计算与分析

边界层转捩是影响水翼绕流水动力学特性的关键因素之一。为了探究γ-Reθt转捩模型在低湍流度来流下水翼边界层转捩及尾涡脱落预测中的适用性,本文基于耦合γ-Reθt转捩模型和SST k-ω模型的转换SST模型,对0°攻角的NACA0009钝尾缘水翼绕流进行了数值计算。分析了转捩SST模型对网格尺度的敏感性,预测了边界层和尾迹区流场及不同雷诺数下水翼尾涡脱落特征,并与实验数据和SST k-ω模型计算结果进行了对比。结果表明:随近壁面第一层网格尺度y+的增大,水翼边界层转捩位置沿流向后移,最大y+值小于1时,预测的转捩位置趋于一致;与SST k-ω模型相比,转捩SST模型可以求解层流边界层,避免了在边界层和尾迹区对涡黏系数的过高预测,得到的边界层厚度和水翼尾迹区流动参数与实验结果更为接近;转捩SST模型可以较准确预测水翼尾涡脱落频率随雷诺数增大而增加的变化趋势,水翼尾涡脱落频率预测值与实验结果的最大相对误差为6.2%。

基于γ-Re_(θt)转捩模型的低雷诺数翼型数值分析

通过综合运用Michel转捩判据和γ-Re_（θt）转捩模型的方法实现对低雷诺数翼型的气动分析。首先通过Michel转捩判据和层流分离位置分别估算转捩动量厚度雷诺数,然后分别用Langtry和Tomac提出的经验关系式计算转捩动量厚度雷诺数和转捩区长度,通过UDF（User-Defined Functions）将不同组的3个经验关联值写入Fluent软件对E387翼型（雷诺数为3×10~5）进行数值分析,并与试验值进行了对比。结果表明：基于Michel转捩判据比基于层流分离更能准确预测转捩位置,基于层流分离预测的转捩位置过于靠前,但是2种方法的气动力计算结果与试验值都比较吻合,Langtry和Tomac的经验关系式计算结果之间差别不大,Tomac方法能够计算出分离泡,且与Selig油流试验吻合较好。

适用于可压缩流动的γ-Re_(θt)-f_(Re)转捩模型

基于γ-R_(eθt)转捩模型的框架,发展了考虑流动可压缩性的γ-Re_(θt)-f_(Re)转捩模型。针对已有的转捩准则引入可压缩性修正,并利用基于参考温度法获得的雷诺数可压缩性比拟关系fRe修正现有基于不可压缩流动的转捩关联函数。为实现模型的局部性,构建了额外的雷诺数可压缩性比拟关系fRe输运方程。利用所发展的γ-Re_(θt)-f_(Re)转捩模型对不同流动条件的转捩算例进行考核并和基本γ-R_(eθt)转捩模型进行对比,结果显示,γ-Re_(θt)-f_(Re)转捩模型实现了从低速至高速的无缝统一模拟能力。在低速流动条件下,γ-Re_(θt)-f_(Re)转捩模型自动恢复为基本γ-R_(eθt)转捩模型;在超声速和高超声速流动条件下,γ-Re_(θt)-f_(Re)转捩模型显著改善了流动转捩的起始位置和转捩区发展的预测。

γ-Re_(θt)转捩模型在微通道流动特性研究中的应用

应用ANSYS CFX对矩形微通道中的流动进行了数值研究。通过与实验数据的对比检验了层流模型、γ-Re_(θt)转捩模型和剪切应力输运模型在微通道流动转捩模拟中的适用性,并在此基础上探究了微通道长径比以及截面宽高比对临界雷诺数的影响。结果表明:3种模型中,只有γ-Re_(θt)转捩模型捕捉到了转捩的趋势,并较为准确地捕捉到了临界雷诺数。当微通道的长径比不小于200,进口段对整体流动特性产生的影响可以忽略。当微通道的当量直径和长径比一定,宽高比由1增加到5时,临界雷诺数呈逐渐增长趋势。

低压涡轮叶栅流动中转捩模型的校验及改进

为评估并提高现有转捩模型的预测精度,采用计算流体力学(CFD)软件FLUENT 12.1,选取层流模型、全湍流模型、剪切应力输运(SST)低雷诺数模型、k-kl-ω模型以及γ-Reθ模型对低压涡轮叶栅T106-EIZ进行数值模拟,通过与实验数据的对比校验了后3种模型对于转捩以及相关参数的模拟能力,并对结果以及模型的作用机理进行分析,校验结果表明所有模型都不能准确地预测分离流转捩以及尾迹诱导转捩。选取预测效果较好的γ-Reθ模型进行了修正,提出通过修改间歇因子输运方程中的参数ca1和ca2的方法来修正该模型,结果表明该方法可以提高模拟精度。

微通道流动转捩数值模拟

应用CFD计算软件ANSYS CFX对水力直径为0.4mm的矩形截面微尺度通道中的气体流动进行了数值模拟.采用了3种流动模型,即γ-Reθt转捩模型、层流模型和剪切应力输运(SST)模型,并将模拟结果与实验结果进行了对比.模拟结果表明:层流模型及SST模型不具有预测转捩的能力;γ-Reθt转捩模型捕捉到了临界雷诺数且摩擦因数相对误差在20%以下.在未达到临界雷诺数之前,通道后部已经出现局部湍流区,且局部湍流区随着雷诺数的增大而增大.壁面摩擦因数的最低点对应的流向位置与通道中前后湍流区的交结位置几乎一致.

无限展长后掠翼边界层定常横流不稳定转捩分析

采用γ-Re_(θt)横流转捩拓展模型对NLF(2)-0415无限展长后掠机翼进行数值模拟,重点分析来流雷诺数、机翼表面粗糙度及后掠角对边界层横流不稳定性的影响.研究发现γ-Re_(θt)横流转捩拓展模型能够准确预测边界层定常横流不稳定转捩,计算结果与试验数据吻合较好.结果表明来流雷诺数越大、机翼表面越粗糙,横流转捩位置越靠前;随着机翼后掠角的增加,转捩位置先前移随后逐渐靠后.