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。

DES与DDES在湍流分离中的原理与性能研究

随着工程上流动结构的日益复杂,兼具雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法高效率与大涡模拟(LES)高精度的分离涡模拟(DES)类混合方法成为现阶段工程中最有效的湍流模拟方法之一。围绕DES类混合方法中的DES与延迟分离涡模拟(DDES)方法开展工作,分析二者开关函数构造上的不同,研究延迟因子作用机理,并考察DES与DDES方法的求解能力。研究表明:DES与DDES方法在模拟表现上存在一定差异,DDES方法通过引入延迟因子,保护RANS求解区域,改善模化应力不足,降低了DDES方法对交界面系数CDES敏感程度;DDES方法在计算过程中容易出现过度保护,导致求解瞬时涡结构能力不如DES方法,分析与延迟因子引入比重及开关函数构造形式有关。

基于改进混合长度尺度的机翼延迟分离涡模拟

对于中小迎角分离问题,延迟分离涡模拟(Delayed Detached Eddy Simulation,DDES)的方法在计算初期,流动分离区需要一定时间的发展,通常会延迟RANS模式到LES模式的切换,从而低估流动分离。本文采用改进RANS-LES混合长度尺度l_(hyb_new)的方法,对网格尺度和涡探测函数VTM进行修正,基于计算流体力学开源平台OpenFOAM,将修正后的混合网格尺度、涡探测函数VTM_(new)以及二维剪切层识别函数F_(KH)(VTM_(new))植入到S-A DDES模型中,研究了大迎角NACA0012翼型以及12°迎角下的NACA0012半展长矩形机翼绕流问题,并对比了采用原S-A DDES和改进RANS-LES混合长度尺度后的S-A DDES湍流模型计算的机翼背风区涡结构和翼尖涡。结果表明,采用本文方法可以在机翼背风区观察到剪切层的快速失稳,并且能够更加精细地模拟机翼背风区的大尺度非定常涡系结构以及翼尖涡的形成细节,有效地加快DDES方法的RANS模式切换到LES模式。此外,本文还计算了该矩形机翼在18°迎角的分离流问题,进一步验证了所提方法的有效适应性。

基于延迟脱体涡模拟方法对Gurney襟翼分离流动的数值模拟

采用基于k-ωsst湍流模型的延迟脱体涡模拟DDES(Delayed-Detached Eddy Simulation)混合算法对施加Gurney襟翼的两段翼进行了数值模拟,重点讨论了DDES与非定常雷诺平均方法 URANS(Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes)对Gurney襟翼分离绕流的数值模拟能力,并与试验结果进行对比。计算结果表明DDES方法结合了URANS与大涡模拟LES(Large Eddy Simulation)的优点,在分离流场脱体涡模拟方面具有优势,在Gurney襟翼的流场研究中体现出更强的模拟能力。

SST-DDES模型在大分离流动问题中的应用

采用基于SST k-ω湍流模型耦合延迟脱体涡模拟技术(Delayed detached-eddy simulation,DDES)的SSTDDES模型,数值求解Navier-Stokes方程。并针对低速流动问题,发展了基于隐式双时间步方法的低速预处理技术,用于数值模拟低速、高雷诺数湍流大分离流动问题。数值模拟了低速大迎角三角翼绕流及大迎角6∶1椭球绕流,观察到与物理现象相一致的旋涡特征,且得到的定量数值结果与实验数据相吻合。

并列三柱体风致干扰DDES模拟分析

采用基于SST k-ω湍流模型的延迟分离涡模拟方法DDES(Delayed detached eddy simulation),对三并列线性布置柱体的风荷载和流场特性进行了数值模拟。为验证方法的有效性,对单个三维方柱绕流进行了计算分析,比较计算值与试验结果的风荷载特征,两者符合较好。然后采用DDES研究了三并列方柱对称布置时,间距比对中间受扰建筑风致干扰的问题。数值结果表明,间距比较小时对受扰建筑风荷载分布有较大影响。总的来看,当间距比约为3.0时,受扰建筑的影响达到最大。同时,数值分析了三方柱周围瞬态流场特征,探讨了临近建筑之间的干扰机理。结果表明,SST-DDES方法能够较好地预测绕方柱流动分离问题,可为群体高层建筑气动相互干扰研究提供参考。

导管桨近水平壁面流场特性DDES模拟

为研究导管桨受水平壁面影响的流场特性,并为处理港池或航道内的局部冲刷提供理论上的参考,本文采用延迟分离涡模拟(Delayed detached eddy simulation,DDES)和滑移网格AMI(Arbitrary mesh interface)相结合的方法对在水平壁面影响下系泊和进速系数J=0.4的水平导管桨和7°倾斜导管桨进行了数值模拟。通过模拟分析发现,水平壁面对导管桨尾流有吸附作用,且对于系泊状态下的水平导管桨影响更为明显。相较于水平导管桨,倾斜导管桨受壁面影响作用出现在尾流较后阶段。对于有进速的倾斜导管桨,其尾流受斜流的影响大于受水平壁面的影响。

基于DDES方法的汽油机进气流动湍流特性

采用基于切应力输运(SST)耦合延迟分离涡模拟(DDES)方法,对某汽油机进行了稳流试验条件下的数值模拟,并采用光学发动机上3D-粒子图像测速(PIV)试验数据对结果进行了验证,在此基础上研究了缸内湍流场的空间域及频域特征.通过与试验及雷诺平均(RANS)数值模拟结果的对比发现,DDES方法对发动机缸内复杂流动模拟有明显优势.结果表明:滚流中心面内高气门升程下缸内流动对称趋势较低气门升程工况更好,三维流动区域主要集中在燃烧室及进气门下方区域.平均流雷诺数决定了缸内流场湍流能谱的整体特征,平均流雷诺数越高的区域,湍流能量进入惯性输运的涡团尺度越小.湍流雷诺数主要影响惯性子区长度,湍流雷诺数越高,湍流发展越充分,惯性子区越明显.湍流脉动强度的平方代表湍流能谱所包围的面积;相对湍流脉动强度则影响低频湍流能量密度的高低.

分区参数对超声速湍流燃烧动态分区火焰面模拟的影响

文章基于动态分区火焰面模型(DZFM)和改进延迟分离涡(IDDES)湍流模型对DLR中心支板稳焰的超声速燃烧室进行数值模拟.对无反应状态燃烧室的模拟准备复现了燃烧室内复杂的波系结构以及中心射流失稳发展过程,燃烧状态下的模拟结果较好地捕捉了火焰推举、OH基团以及平均温度等火焰结构特征,由此验证了所采用数值模拟方法的适用性.此外,由反应状态标量(OH基)在混合分数空间中的分布可知,反应标量与混合分数在全场内不满足强相关性.通过增加流向坐标、马赫数以及燃烧热释放速率作分区参数可显著抑制反应状态标量在混合分数空间内的条件脉动,其中热释放速率的作用最显著.进一步对比采用不同多参数分区的DZFM模型所得火焰结构,发现对于处于预混燃烧状态的支板尾迹区以及高雷诺数剪切层区域火焰,采用包含燃烧热释放速率、流向坐标以及混合分数作为分区指标的三参数分区DZFM模型可显著提高模型的准确性.

基于分离涡模拟的对转舵桨水动力性能数值分析

基于OpenFOAM 软件平台,采用改进的延迟分离涡模拟(IDDES)模型,结合滑移网格方法,对一组对转桨和对转舵桨的水动力性能进行数值预报,并利用快速傅里叶变换(FFT)对推力系数进行频谱分析。对转桨数值计算结果与模型试验结果比较,推力、扭矩系数以及推进器效率的误差分别在3%、2%和5%左右,验证了该数值方法的可行性。对转舵桨数值计算结果提示:压差阻力是吊舱和立柱阻力的主要成分,在立柱的前端存在回流,对立柱的优化设计可以从这两方面入手;立柱和吊舱的存在能够减小轴承力导致的振动。

搅拌反应器气液两相流混合过程的涡旋效应数值模拟

为研究气液两相搅拌釜桨叶对釜内流动结构及气液混合性能的影响,本文以直叶片和推进叶片为研究对象,采用ICEM软件对搅拌釜流场进行六面体结构网格划分,基于SST-DDES湍流模型及欧拉-欧拉多相流模型对搅拌釜内部流场进行三维非定常计算,获得两种桨叶下搅拌釜内部涡结构及其演化过程,并分析搅拌釜内瞬态气相分布和瞬时流场的分布规律。研究结果表明:由于叶片旋转而产生的涡有撕裂、合并、衰减和耗散的演化过程;直叶片相较于推进叶片,其涡耗散速度较快,涡产生到消失的周期较短;由于叶片结构不同,主流的运动方向也随之改变,直叶片沿径向分布,推进叶片沿轴向分布。前者在釜内形成上下两层循环区,不利于气相扩散。后者在釜内形成一个大循环区,加剧釜内流动循环,造成后者的气相扩散能力大于前者。比较两者T0.95分布,推进叶片要小于直叶片,推进叶片搅拌釜T0.95近似为直叶片搅拌釜T0.95的50%。

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.

基于DDES的有/无舱门腔体气动噪声仿真分析

采用延迟分离涡仿真(DDES)的方法研究了空腔和带有舱门的腔体的气动噪声特性。仿真在自由来流M=0.85下,长宽深比值为5:1:1的矩形开放腔体展开。空腔仿真的声压级幅值结果与试验数据相比误差在4%以内,频率位置的预测较好。DDES方法对于气动噪声问题具有很好的仿真准确性。空腔仿真结果和带有舱门的结果对比后表明,舱门迫使剪切层气流更多的撞击后壁进入腔体内部,使腔体内部尤其是中部压强波动增大,声压级在低频部分增量显著,达到了5 d B左右。

基于非稳态模拟的SAE车模气动减阻降噪研究

以20°后背倾角阶梯背式SAE(Society of Automotive Engineers)模型为参考模型,基于改进延迟分离涡模拟(Improved Detached Eddy Simulation, IDDES)湍流模型,研究了分别在车模后倾斜面顶部和尾部添加涡发生器(Vortex Generators, VGS)和沟槽(Riblets, RTS)时的非稳态流场结构,分析了两种被动减阻装置的减阻机制.同时通过提取流场声源信息,利用计算气动声学方法(Computational Aeroacoustics, CAA)和Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)方程对汽车噪声进行分析,研究了两种附加装置的声学特性.结果表明,两种附加装置减小了尾部涡结构强度,降低了气动阻力,同时降低了脉动压力,不仅实现了减阻还具有降噪的效果.减阻率分别为2.41%、2.76%,总声压级最大降低值分别为9.55 dB、5.46 dB.

七叶大侧斜螺旋桨空泡特性及梢涡演化数值模拟研究

为研究七叶大侧斜螺旋桨尾流场及梢涡特性,基于延迟分离涡方法(DDES)建立了螺旋桨空化流场数值预报模型,为验证所建立数值模型的准确性,进行了多套不同尺度网格的不确定性分析,同时将非定常流动中螺旋桨(VP1304)螺旋桨空泡及梢涡特性计算结果与试验结果进行了对比。基于该模型对七叶大侧斜螺旋桨的尾流场及梢涡特性进行了数值分析,计算结果表明:本文所建立的数值模型精度较高,可以准确地捕捉到梢涡空泡及梢涡尾流场特性;同时DDES方法相比RANS方法在对复杂湍流流动的捕捉能力更强,更适用于螺旋桨梢涡捕捉;尾流场网格加密对尾流场模拟及准确捕捉梢涡十分重要,但对螺旋桨水动力性能影响不大;尾流区域的轴向速度场可以分为加速流动区和自由流动区,进速系数越小,自由流动区与加速流动区之间的界限向外扩张越明显;E1619桨在重载工况有明显的梢涡空泡产生,而轻载工况空泡面积较小且无梢涡空泡发生;梢涡在向下游发展过程中会发生相互融合,进速系数越大,融合发生得越晚,梢涡强度也越小;七叶大侧斜螺旋桨在尾流区域会产生一个分支涡,分支涡起始于吸力弯曲面下缘,且与梢涡呈一定的夹角,进速系数越大,夹角越小。

基于DDES算法的腔体气动噪声被动控制分析

使用延迟分离涡模拟(DDES)方法研究了来流马赫数0.85的矩形开放腔体气动声学环境并对三种被动控制措施进行分析。流场控制措施包括锯齿形、平板形和圆柱形三种前缘扰流装置。通过空腔仿真结果和带有被动控制措施的结果对比后表明:三种前缘装置均可以有效的降低腔体内部的声压等级,尤其是低频段的第二阶主导噪声的声压级幅值降低7～10 dB。三种被动控制措施对全局声压级的抑制平均达到了5 dB。

基于动态分区概念的高超声速燃烧大涡模拟

本文基于动态分区概念开展了亿级网格的高马赫数全尺寸超燃冲压发动机内外流耦合一体化改进延迟分离涡(IDDES)模拟研究.研究建立了包括动态分区火焰面湍流燃烧模型(DZFM)、分区自适应化学(ZDAC)和分区并行自适应建表(Z-ISAT)的完整动态分区燃烧模拟框架,并通过1.15亿网格的马赫数12 REST标准高超声速燃烧室模型初步验证了分区模拟框架的保真性.DZFM通过分区解耦的思想既准确表征了当地湍流化学交互作用关系,又有效提升了整场湍流燃烧的计算效率.Z-DAC和Z-ISAT通过在分区框架内对化学反应机理进行动态实时简化和建表查询,可进一步提升当前分区内化学反应的求解效率.基于1.25和1.4亿网格动态分区框架对比分析了马赫数10条件下中心支板(strut)和壁面撑挡型(pylon)两类构型氢气高超声速燃烧室特性.支板或撑挡结构均诱发了明显的边界层分离和头部回流区,由此两种燃烧室均出现了较长区域的喷注点前部燃烧现象.基于Borghi图的数值分析表明当前氢气高超声速燃烧室中广泛存在扩散控制为主的火焰面模式,效率提升的瓶颈在于高效增混.壁面撑挡燃烧室具有较高的穿透深度和近场混合效率,因而燃烧效率高于净推力准则80%,相应的比冲1234 s也远高于中心支板燃烧室的437 s.分区自适应化学方法在将近一半的计算域上降低了反应求解计算代价,特别是在无燃料区反应机理的简化幅度更加明显.相比与传统的有限速率PaSR模型,DZFM模型实现了高达11倍的加速比.

吹风比和肋板对叶片尾缘开缝气膜冷却特性的影响

为了阐明吹风比和肋板对燃气透平叶片尾缘开缝区域气膜冷却性能的影响,采用延迟-分离涡模拟方法求解了尾缘开缝模型的流量系数、非定常流场结构和气膜冷却效率,采用实验数据考核了延迟-分离涡模拟方法对流量系数和气膜冷却效率预测的有效性,获得了使尾缘开缝壁面气膜冷却效率最佳吹风比。结果表明:流量系数随吹风比增加而增大,但吹风比大于0.65后,流量系数几乎不受吹风比影响;在吹风比0.20~0.65范围内,尾缘开缝壁面气膜冷却效率随吹风比增加而增加;在吹风比0.80~1.25范围内,冷热气掺混剧烈,冷却效率略微下降;肋板结构增加了冷气通道的阻塞效应,并限制了开缝区域冷气旋涡的发展,导致展向涡提前扭曲、变形和分解;相对于无肋板结构,带肋尾缘开缝结构的流量系数下降了约5%,气膜冷却性能提升了约10.8%。开缝下游的旋涡脱落和冷热气流间的掺混是影响开缝壁面冷却效率的主要原因,综合考虑冷气消耗和气膜冷却效率,无肋板时最佳吹风比为0.65,带肋板时最佳吹风比为0.5。

使用RANS/LES混合方法对钝前缘三角翼进行数值模拟(英文)

阐述了建立在一方程湍流模型基础上的分离涡模型(DES)和延迟脱体涡模型(DDES),它们很好地模拟了壁面附近的小尺度流动。该方法在大攻角分离流区域,使用了亚格子应力的Smagorinsky大涡数值模拟,模拟亚音速旋涡流动。使用大攻角下的钝前缘65°大后掠三角翼模型,研究了CFD对涡的发展、破裂以及复杂涡的发展和演变的模拟能力。研究结果说明了方法对模拟分离流动是可行的。

后置定子泵喷推进器压力脉动特性分析

基于改进的延迟分离涡模型对后置定子泵喷推进器瞬态流场进行数值模拟,所得推力计算值与试验值最大误差为4.68%,验证数值模拟的可靠性。分析泵喷推进器近流场压力脉动时频域特性,研究多工况下后置定子表面压力系数、声压脉动时均值的分布规律。结果表明,泵喷推进器内压力脉动主要受转子影响,脉动周期与转子旋转周期一致,频域峰值出现在低频段且均为转子叶片通过频率的整数倍;后置定子平衡转子扭矩的做功区集中在定子前缘,并沿弦向贡献逐渐降低,尾缘约1.8%定子弦长位置对平衡扭矩近乎无贡献;前缘是定子噪声的主要贡献源,在高进速系数下,尾缘表现为定子噪声的次要贡献源,随着进速系数的降低,尾缘对定子噪声贡献逐渐降低。