基于喷流拟序结构预测的SGS模型比较研究

拟序结构是湍流机理研究的重要对象,而亚网格尺度(sub-grid scale,SGS)模型的准确性是高精度大涡模拟的关键,对正确预测湍流拟序结构有重要影响.本文对马赫数0.9的可压缩喷流开展大涡模拟,使用4阶空间截差和3阶时间截差的高精度有限差分算法,亚网格尺度模型分别采用了Smagorinsky模型(Smagorinsky model,SM)、拟序结构动能模型(CKM)、选择多尺度模型(selective mixed-scale model,SMSM)、局部动态Smagorinsky模型(localized dynamic Smagorinsky model,LDSM)和拟序结构模型(coherent-structure Smagorinsky model,CSM)以及对平均耗散、瞬时涡结构、脉动速度POD主导模态的分析表明,u′的主导模态呈带状,在下游分岔或破碎,呈现出多尺度特征,v′的主导模态则呈流向排列的肋状,矢量(u′,v′)两端呈环流模式,表征流动卷吸,w′的主导模态呈流向排布的脊状,表征流场受展向拉伸的模式.脉动速度的POD模态对亚网格尺度耗散敏感,其中CKM模型预测的峰值耗散区对应u′模态的低谷区,因而预测的环流模式不明显;SM模型则未能预测出w′的脊状模态.SMSM,CSM和LDSM模型均较好地反映了湍流中涡结构的多尺度特性,揭示了流动卷吸、脊状的展向拉伸等流动模式,其中CSM模型的计算效率较高.