基于DDES方法的叶栅分离旋涡的非定常流动数值研究

为了研究叶栅分离旋涡的非定常流动特性,选取亚声速叶栅为研究对象,进行了基于延迟分离涡模拟方法 (DDES)的非定常数值模拟。针对进口Ma0.3的情况,对比分析了进口攻角、叶栅稠度、叶片弯角、叶片中弧线弯度分布和叶片厚度等因素对于叶栅分离旋涡运动的影响。结果表明,当攻角增大时,尾迹附近流场会逐渐由定常模式转化为非定常对涡脱落模式,同时对涡脱落频率不断减小;随着攻角的进一步增大,叶背分离强度不断增加,叶背分离涡开始单独脱落,并主导流场旋涡运动。强烈的叶背分离涡脱落引起了叶片气动力的剧烈脉动,其幅值是小攻角状态下由尾迹对涡脱落引起叶片气动力脉动的30倍以上。叶栅几何参数的改变对于流场旋涡运动同样有很大影响,流场同样呈现出"定常尾迹"、"对涡脱落"、"叶背分离涡脱落"这三种主要的旋涡运动形式之一。叶背分离点的相对位置则是影响旋涡非定常运动形式和旋涡脱落频率的主要内在因素。

数值耗散对压气机流动分离涡模拟的影响研究

分离涡模拟DES是压气机流动模拟中常用的高保真湍流模式。为了使DES准确解析湍流,数值耗散必须限制在合理范围内。然而,当前的压气机流动DES类研究工作中仍然普遍采用高耗散的迎风格式。本文首先基于DES类方法计算的各向同性衰减湍流结果,定量比较了多种不同数值格式的耗散,证实了高耗散迎风格式严重低估中高波数湍流能量。高阶重构格式可以一定程度上改善该问题,但能量耗散仍然过高。本文在高阶重构的基础上,进一步引入自适应耗散函数修改Riemann求解器,构造了自适应耗散格式。该格式在全波数范围都能准确地预测湍流能谱。将该格式配合DES类方法模拟跨声速离心压气机流动,其预测的压比相比于三阶迎风格式,更加接近实验结果。此外,自适应耗散格式显著提高了中小尺度流动结构的分辨率。分析表明,在使用DES类方法模拟压气机流动时,有必要采用数值耗散较低的离散格式,以准确预测压气机总体性能和流动结构。本文构造的自适应耗散格式是一种良好选择。

分离涡方法对梢涡中脉动量的数值模拟

分别用RANS-SA方法和DES方法对NACA0012翼端梢涡进行模拟计算,分析了梢涡区域网格局部加密对梢涡计算结果的影响,并与实验结果进行了对比.相比于RANS-SA方法,DES方法在梢涡流场计算中具有更好的适用性,能够得到更准确的流动信息和更精细的涡结构;另外,网格局部加密对脉动量的计算影响很大.通过对脉动量的分析发现,在近尾缘处,几股涡的融合产生了比较强烈的脉动,随着梢涡的逐渐稳定,脉动量也逐渐减小;现有的实验结果显示在偏下游处会产生梢涡的振荡现象,使统计脉动量增大,而本文计算中未发现该现象.

非定常等离子体激励对大攻角流动分离控制的数值模拟研究

应用交流电(alternating current,AC)介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)等离子体流动控制由于其结构简单、响应频率快、可实现实时定量控制等优点,正在成为等离子体流动控制技术的重点研究方向。结合基于分离涡模拟(detached eddy simulation,DES)和等离子体唯象体积力模型的方法研究非定常等离子体激励对NACA0015翼型在攻角为20°情况下流动分离控制。结果表明:非定常等离子体激励在高雷诺数、大攻角下对翼型分离具有明显的控制效果,可以达到增升减阻目的,且流动控制效果比定常激励效率更高;非定常等离子体激励流动控制与定常等离子体激励流动控制机理不同,非定常等离子体激励通过促进分离区内速度脉动,对流场产生非定常的干扰,使得分离剪切层提前失稳,增强流场涡结构的掺混,从而抑制流动分离。

基于DES方法的螺旋桨尾涡演化数值研究

采用分离涡模拟(DES)方法对多工况下螺旋桨的尾流场特性及尾涡结构进行数值研究,应用滑移网格技术完成螺旋桨敞水试验模拟,采用Spalart-Allmaras湍流模型封闭N-S方程组。数值计算结果显示:采用DES方法得到的水动力特性结果与模型试验结果吻合度高,DES方法能够较好地捕捉到螺旋桨尾流场中复杂的尾涡结构,螺旋桨不同桨叶产生的梢涡之间的自诱导和相互诱导作用引起尾涡结构形态变化,4叶桨梢涡结构之间会产生2次融合重组,毂涡振荡与梢涡演化之间存在相互干扰作用,不同进速系数下尾涡演化规律基本一致。

利用DES方法对大迎角细长旋成体气动特性受俯仰振荡影响的数值研究

采用DES(Detached-Eddy Simulation)对大攻角下细长旋成体俯仰振动的气动特性进行了数值模拟,分析俯仰振动对细长旋成体流场与气动力特性的影响。通过对背风面分离涡的强度和位置,流场形态,截面压强系数和侧向力系数的观察与分析,发现施加小振幅、特定频率的俯仰振动对大迎角细长旋成体背风面流场有明显的控制能力,将改变流场结构,使背风面非对称流场趋于对称。

针对典型分离流动数值模拟的自适应耗散调节方法

分离流动是一种复杂湍流现象,其中微小尺度结构的发展演化有着重要的影响,但是湍流数值模拟中数值方法的固有耗散会抑制小尺度流动结构的发展.因此,本文结合延迟分离涡模拟方法,基于五阶耗散紧致格式,通过引入流场相关的调节因子,构造自适应耗散调节方法,使其在大涡模拟区域降低耗散影响以提高对小尺度流动结构的辨识能力,在雷诺平均区域恢复正常耗散水平以保持稳定求解.本文首先通过近似色散关系和涡输运算例说明该方法可有效降低数值耗散影响,同时具有更高分辨率的涡保持能力;随后通过各向同性衰减湍流和平板槽道流动展示了该方法可有效提高对微小流动结构的辨识能力,同时在存在大梯度的流场中可保持求解稳定性;最后求解Re=3900亚临界状态下的圆柱绕流,通过对比流场云图、时均速度和雷诺应力分布曲线,说明了该方法通过减小分离区耗散影响,可有效提高对典型分离流动求解的准确性.

分区Lagrangian涡方法及瞬时起动圆柱初期流动的模拟

本文提出一种分区Lagrangian涡方法:将附着流动和分离流动分开处理,在附着区解边界层方层,只在分离区用涡方法解N-S方程。由于将尺度不同的区域分开了,求解分离区流动的涡方法中,每一时间步上物面引出的涡数在较小程度上依赖于Re数。这样,求解高Re数流动时,流场内的涡数,因而计算机内存和时间得以大大减小。用该方法计算了瞬时起动圆柱的初期流动,与实验结果比较相符很好。

基于改进延迟分离涡方法的潮流能水轮机偏航水动力分析

为探究偏航工况对潮流能水轮机水动力及尾流场特性的影响,将改进的延迟分离涡模拟与滑移网格相结合,建立了偏航条件下潮流能水轮机水动力特性的数值模型。用潮流能水轮机的水槽试验结果验证了该数值模型的计算精度,并对水轮机在-50°~50°偏航角时的水动力及尾流场特性进行研究。结果表明:(1)水轮机的平均功率系数和推力系数随偏航角的增大而快速减小,且瞬时功率系数和推力系数的波动幅值逐渐增大;(2)随着偏航角的增大,尾流场速度分布的不对称性更加显著,同时尾流场速度衰减逐渐加快;(3)水轮机在正偏航角和负偏航角下的结果并非完全对称,正偏航角时的功率系数比负偏航角时大,这可能是由于水轮机的旋转效应更有利于在正向偏航时获取能量。

涡结构对小颗粒在圆管背风面碰撞分布的影响

针对锅炉管背风面飞灰沉积过程,采用数值模拟的方法进行了研究.对绕柱气相湍流的模拟采用了较新的分离涡模拟方法（detached eddy simulation, DES）,通过对粒径为1～10 μm的颗粒在圆管背风面碰撞分布规律的计算发现背风面近壁区存在的主涡、二次涡和分离点附近小涡对颗粒在背风面的碰撞均有一定的影响.当速度较小时,随着粒径的增大,颗粒在背风面碰撞的质量逐渐增加,大颗粒在主涡和二次涡作用下均有较大的碰撞质量流量,而且二次涡的作用明显强于主涡;速度增加后,由背风面3种涡结构引起的颗粒碰撞量均有不同程度的减少,此时主涡的作用较强,而且二次涡引起的大颗粒碰撞量有明显减少.通过与实验测试结果进行对比检验,证明了数值模拟结果的准确性.

DES模型在压气机亚音转子中的应用探讨

本文运用分离涡模拟(DES)方法研究了不同工况下压气机亚音转子的流动情况,分析了其时均与瞬时流场中顶部间隙泄漏流动和根部角区的流动分离。通过与S-A模型计算结果的对比表明,DES模型在模拟顶部泄漏流动及二次泄漏、泄漏流在转子下游与尾迹的干涉时能够捕捉到更强的旋涡结构,在模拟转子根部角区的分离时也能获得更为丰富的流动现象.对不同工况的DES计算表明负荷的上升会使泄漏涡形成的位置向上游移动,从而导致并加剧二次流动,并对叶栅下游泄漏涡与尾迹的干涉产生影响。对设计工况下瞬时流场的分析表明,泄漏涡在叶栅下游体现出周期性的强弱变化,近叶根分离区也体现出明显的非定常性。

圆球绕流场的尾涡分析和升阻力研究

采用自编的分块算法程序模拟了雷诺数在20～1000之间的圆球绕流场。在Re=25时捕捉到流动分离,与试验结果一致。对Re=250时稳态非对称尾流区内流体的输运情况进行研究,证实圆球绕流场中纵向对称面的存在。对于非稳态流动,主要研究了阻力和横向力的时间变化规律,并分析了频谱特征。计算发现横向合力主要在横截面上两个很窄的区间内偏移。经过几种不同涡定义方法的优劣测试,本文采用Hunt等人介绍的Q-定义方法对非稳态绕流场的尾涡结构进行了直观描述。

宽速域RANS-LES混合方法的发展及应用

传统的雷诺平均方法(RANS)已经不能满足大范围分离、激波振荡、压力脉动、动载荷等极端工况下的流动预测需求;大涡模拟(LES)、直接数值模拟(DNS)等方法资源耗费多、效率低,离工程湍流问题仍较为遥远。RANSLES混合方法结合了RANS高效率和LES高精度的特点,近期有望大规模应用到工程湍流问题中。首先对现有的RANS-LES混合方法进行了归类,对各自的构造思想、特点进行了分析。然后报告了脱体涡模拟(DES)类方法的发展历程和现状,讨论了使用DES类方法计算分离流动时,对流项离散格式对分离特性、小尺度结构及频谱特性等的影响,并构造了自适应耗散函数。最后介绍了近年来国内外RANS-LES混合方法在宽马赫数范围(马赫数从0.1到20)内的机理研究和工程应用。现有的以DES类方法为代表的RANS-LES混合方法能够较为精细地模拟非定常大分离流动中的复杂现象,但在计算效率等方面还有较大的改进空间;植入式DES方法在模拟全机带部件流动上具有较高的效率和模拟精度,是重要的发展方向。RANS-LES混合方法在动态失速、燃烧、气动弹性、气动噪声、气动光学等与非定常流动密切相关的方面也有广阔的应用前景。

水力旋流器内组合涡运动的量化研究

为了深入分析旋流分离技术基础理论的机理,采用CFD技术的雷诺应力湍流模型,对旋流器内部流场关键特征参数进行三维数值模拟并验证其正确性,与相关报道的相对误差均在5%以内。在此基础上采用统计平均法对关键区域参数数据进行统计平均处理,相关数据和分布曲线表明,流场可划分为组合涡运动(包括强制涡、准自由涡)及边界层两大区域,得出其相应的运动特性,并量化出每个区域对应的半径位置;分析同时得出重要结论:组合涡运动指数(n)在流场中不是原有理论认为的一个常数,而是分两段与其沿半径具体位置(r)相关的函数,并根据数据线性回归给出定量经验公式。通过与原有理论计算及相关报道的对比分析,验证了上述经验公式的正确性,进一步完善了原有的流场基础理论,对指导旋流器的设计计算具有实际应用意义。

复杂湍流流动的混合RANS/LES方法研究

混合RANS/LES方法是近年来复杂湍流模拟的重要方法。简要回顾了混合RANS/LES模拟方法的发展历程,着重总结和分析了分离涡混合模型、类Menter SST混合模型以及湍流能量谱一致混合方法三类混合模型的构造方法和发展历程,对这三种方法的应用以及优缺点进行了简要评述,最后指出了混合RANS/LES方法发展应该兼顾的问题,为下一步的混合RANS/LES模拟提供了参考。

基于LES和DES的定日镜结构风致响应分析

定日镜作为典型的风敏感结构,设计中必须考虑其动力特性和风致响应。选用大涡模拟(large eddy simulation,LES)和分离涡模拟(detached eddy simulation,DES),结合一种新的湍流脉动流场产生方法(discretizing and synthesizing random flow generation,DSRFG)模拟风场的湍流边界条件,计算得到了0°风向角下0°、30°、60°镜面仰角下定日镜的流场分布和风荷载时程数据。建立了定日镜整体结构的有限元模型,进行了定日镜整体结构在不同镜面仰角下的风致响应分析。结果表明,通过与风洞试验结果对比,LES和DES能较好地预测出顺风向等效风荷载,但LES的结果更接近试验值;随着仰角增大,定日镜下部的共振峰值能量逐渐减小,上部的共振峰值能量逐渐增大;定日镜下部的最不利工况为仰角0°时,风振系数为3.1,中上部的最不利工况发生在仰角为60°时,风振系数分别为2.0、3.4;LES和DES能较好地模拟出流场中的紊流与涡旋,且随着仰角增大,尾流区变得狭长。结合风洞试验,为定日镜以及相似结构的数值模拟以及抗风设计提供了参考。

风洞尺寸对高速列车气动性能的影响

采用单因素变量法则,研究风洞尺寸对高速列车气动性能的影响。基于DDES湍流模拟方法采用不可压缩Navier−Stokes方程求解三维非定常流场,得到不同风洞尺寸下1꞉8缩比的高速列车气动性能,并通过与风洞试验结果的对比验证仿真结果的可靠性。研究结果表明:随着风洞尺寸的减小,风洞的阻塞比增大,列车周围气流加速效应更加明显,导致列车表面正负压强均增大,涡强度增加,所受气动阻力、升力增大,当风洞阻塞比从0.61%增加到4.17%时,列车气动阻力增加15%。为获得更好的试验结果,应尽量在大尺寸风洞中进行风洞试验,以减小风洞阻塞效应对实验结果的干扰。

改进DES法和SA模型的发动机喷流影响距离研究

为评估起飞飞机发动机喷流的影响范围及程度,分析后侧穿越方案可行性,在SA湍流模型基础上,结合脱体涡模拟(DES)方法,数值模拟后侧穿越方式下的起飞飞机发动机喷流影响距离;选取热喷状态下的高亚音速喷管模型进行数值模拟,对比模拟结果与文献参考值,验证该方法的正确性和有效性;在此基础上,结合B737-800机型发动机实际边界条件,数值模拟发动机喷流效应,得出B737-800机型发动机喷流的影响距离,并与飞机特性手册对比,验证其准确性。结果表明:用改进的DES方法结合SA模型数值模拟B737-800发动机,可得出喷流在速度44、22及16 m/s时的影响距离,DES方法可较好模拟发动机喷流效应。

基于DES的舰船空气尾流场特性分析

舰船上层建筑后方产生湍流尾流场会对舰载直升机的操纵产生严重威胁。采用CFD方法对舰船空气尾流场的特性进行分析研究,突破了雷诺时均方法的局限性,使用分离涡模拟(DES)方法求解瞬态舰船尾流场,按照一定频率采样流场数据,得出的平均流场明显比RANS方法的结果更贴近实验数据,证明了此方法的有效性。同时,运用DES方法直观地观察尾流场的涡特性、流动分离和再附着等特征,发现涡结构及其不对称性是舰船空气尾流场的主要特征,涡强度在烟囱处突然增强,可能对直升机的操纵产生不利影响。

任意滚动角极小展弦比组合体的气动力计算方法

本文分析了在任意滚动角下,极小展弦比翼身组合体的绕流模型,揭示了原有的气动力计算方法的缺陷,即,只考虑翼片之间的附着流干扰;提出新的翼片之间的干扰模型,除了考虑附着流干扰外,更要考虑侧缘分离涡对翼片的干扰,并引进涡干扰因子,于是,基于不可压的绕流理论,应用非线性面元法,计算该因子,与实验比较表明,本文方法不仅适用于小迎角的亚、跨、超音速流动,也适用于中等迎角的流动。