可压缩边界层的入口合成湍流生成方法

在壁湍流中开展RANS-LES方法混合模拟时,入口处添加合理的湍流脉动能够缩短流场向完全湍流的发展距离,提高数值模拟精度以及节省计算资源.采用SA-IDDES方法对槽道湍流和可压缩湍流边界层开展了数值模拟研究,对比了3种较为常用的合成湍流方法对流场发展的影响,包括合成湍流生成器(STG)、数字滤波法(DFM)和合成涡方法(SEM);研究了不同合成湍流入口条件下流场壁面摩阻、流场结构、雷诺应力的发展过程,评估了各方法在壁湍流中的表现.其中在不可压槽道湍流和可压缩湍流边界层的模拟中,STG方法展现了较短的摩阻恢复距离,流场结构与雷诺应力发展相比DFM也有一定的优势.在高马赫数湍流边界层的数值模拟中,忽略热力学量脉动可能会降低合成边界层脉动恢复到物理真实脉动的速度.因此,文章进一步基于STG给出的速度脉动,在入口处通过若干强雷诺比拟方法(SRA,GSRA和HSRA)添加热力学脉动量,对比研究了对可压缩湍流边界层流场发展的影响,结果显示是否添加热力学脉动对于流场摩阻和雷诺应力发展影响较小,但对流场中的热力学量影响显著,其中GSRA下流场热力学量恢复得最快.

合成湍流对空腔流动RANS-LES混合模拟结果的影响

合成湍流作为一种能够有效抑制"灰区"问题的手段,在RANS-LES混合模拟中得到了广泛应用。由于空腔流动中存在主导的自持振荡机制,添加合成湍流对其RANS-LES混合模拟结果的影响目前还不明确。本文详细比较了合成湍流对马赫数0.6空腔流动的分区和非分区混合模拟带来的影响:对于剪切层,合成湍流显著增加了旋涡结构的三维特性和湍动能的大小;对于腔内的流动,添加合成湍流增大了后壁附近环流区的尺寸,进而降低了靠近后壁区域的剪切层动量厚度和平均压力分布,模拟结果更接近实验数据。合成湍流的使用会诱导产生更高频的模态,但是对Rossiter模态基本没有影响。通过对不同位置展向波数谱的比较,发现合成湍流对模拟结果的影响是通过改变腔内流动的三维机制而产生的。对比研究说明,如果主要关注流动的三维特性(如展向失稳模态),则来流边界层中的合成湍流脉动将对空腔流动的RANS-LES混合模拟结果有重要影响。

一种改进的大涡模拟入口湍流生成方法研究

大涡模拟中的入口湍流的生成方法研究,是当前计算风工程领域国内外研究的热点问题。该文在NSRFG(narrowband synthesis random flow generation)方法的基础上,对其中重要参数无量纲长度尺度β、空间相关性和调谐因子γj进行深入理论分析,推导了调谐因子γj与无量纲长度尺度的函数关系,建议了一种改进的入口湍流合成技术——INSRFG(improved NSRFG)方法。利用该方法进行了与规范相对应的4类标准地貌湍流风场的大涡模拟数值仿真;通过对比分析,表明INSRFG方法模拟的大气边界层湍流风场,能较好满足脉动风速功率谱、空间相关性等湍流风场基本特性,并较好实现大气边界层风场模拟中的平衡态基本要求。研究表明,这种新的INSRFG湍流合成方法具有参数取值明确、数学模型简洁、计算效率相对较高的优点,是一种进行建筑结构大涡模拟研究的具有较好前景的通用入口湍流生成方法。

SIMULATION OF SHIP GENERATED TURBULENT AND VORTICAL WAKE IMAGING BY SAR

Synthetic Aperture Radar (SAR) imaging of ocean surface features is studied. The simulation of the turbulent and vortical features generated by a moving ship and SAR imaging of these wakes is carried out. The turbulent wake damping the ocean surface capillary waves may be partially responsible for the suppression of surface waves near the ship track. The vortex pair generating a change in the lateral flow field behind the ship may be partially responsible for an enhancement of the waves near the edges of the smooth area. These hydrodynamic phenomena as well as the changes of radar backscatter generated by turbulence and vortex are simulated.An SAR imaging model is then used on such ocean surface features to provide SAR images.Comparison of two ships' simulated SAR images shows that the wake features are different for various ship parameters.

大跨桥梁实测湍流风场的大涡模拟

为实现在大涡模拟(LES)中准确评估强风湍流对大跨桥梁的作用,关键难点在于生成符合桥梁真实强风特性的入口湍流。为此应用了一种新的规则化波矢量随机流生成方法PRFG~3(Prescribed-wavevector Random Flow Generator),该方法遵守连续性方程和泰勒假设,可准确模拟目标湍流的脉动风谱、湍流度和湍流积分尺度等风特性参数。首先利用西堠门大桥结构健康监测系统(SHMS)2016年内采集的风速数据,选取了该桥址区10 min时距平均风速较大但风特性不同的2个强风样本,分析得到相应的强风特性参数;然后采用PRFG~3方法合成了符合上述2个实测强风特性的均质各向异性湍流,同时为验证该方法用于主梁节段模型LES入口湍流的适用性,还模拟了缩尺比为1∶50的强风湍流场,并基于OPENFOAM平台,将3类风场赋予LES入口进行了数值计算;最后将LES流场中多个监测点的湍流特性与实测结果进行了对比。研究结果表明:2个实测风场在顺风向、横风向、竖风向的脉动风谱均与Von Kármán谱接近,顺风向湍流积分尺度最大约为192 m,各脉动风分量近似符合正态分布;PRFG~3方法产生的入口湍流在LES计算域内能正确传输,模拟的3类风场均有较好的均匀性,脉动风分量在各方向上的功率谱、湍流度和所有的9个湍流积分尺度均与相应的实测值吻合较好。相关湍流合成方法及LES设置可为大跨桥梁在实测强风湍流下的数值模拟研究提供参考。