基于组合神经网络的雷诺平均湍流模型多次修正方法

求解雷诺平均(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程依然是工程应用中有效且实用的方法,但对雷诺应力建模的不确定性会导致该方法的预测精度具有很大差异.随着人工智能的发展,湍流闭合模型结合机器学习元素的数据驱动方法被认为是提高RANS模型预测性能的有效手段,然而这种数据驱动方法的稳定性和预测精度仍有待进一步提高.本文通过构建一个全连接神经网络对RANS方程中的涡黏系数进行预测以实现雷诺应力的隐式求解,该神经网络记作涡黏系数神经网络(eddy viscosity neural network,EVNN).此外,也使用张量基神经网络(tensor basis neural network,TBNN)预测未封闭量与解析量之间的高阶涡黏关系,并利用基张量保证伽利略不变性.最后,采用多次修正的策略实现修正模型对流场预测的精度闭环.上述方法使用大涡模拟(large eddy simulation,LES)方法产生的高保真数据,以及RANS模拟获得的基线数据对由EVNN和TBNN组合的神经网络进行训练,然后用训练好的模型预测新的RANS模拟的流场.通过与高保真LES结果进行对比,结果表明,相比于原始RANS模型,修正模型对后验速度场、下壁面平均压力系数和摩擦力系数的预测精度均有较大提升.可以发现对雷诺应力线性部分的隐式处理可以增强数值求解的稳定性,对雷诺应力非线性部分的修正可以提升模型对流场各向异性特征预测的性能,并且多次修正后的模型表现出更高的预测精度.因此,该算法在数据驱动湍流建模和工程应用中具有很大的应用潜力.

第四届国际雷诺平均–大涡模拟混合方法学术会议纪要

1会议概况由清华大学、中国力学学会、德国宇航院和欧盟第七框架协议ATAAC项目联合主办,清华大学承办的＂第四届国际雷诺平均–大涡模拟混合方法学术会议＂（The 4th Symposium on RANSLES Hybrid Methods）于2011年9月28～30日在北京凯迪克–格兰云天大酒店召开.瑞典国防研究院（FOI）彭夏辉（Shia-Hui Peng）教授为大会组委会主席。

基于雷诺平均Navier-Stokes方程计算的惯性效应与波幅对船舶波浪增阻影响分析

在水池试验中测得的波浪增阻包含纯水动力(即因船体周围水流变化而作用于船体的水动力)和由波浪诱导的船舶运动产生的平均惯性力。论文基于OpenFOAM,采用雷诺平均方程预报油轮KVLCC2在规则波中迎浪直航时的运动和波浪增阻。通过计算证实了波浪诱导的船舶运动产生的平均惯性力不为零,尤其是在长波条件下,它对波浪增阻的贡献不可忽略。考虑惯性效应的波浪增阻的计算结果与试验数据吻合良好。此外,计算结果证实了波幅增大后无因次波浪增阻减小,波浪增阻与波幅的平方不成正比。

基于雷诺平均法的典型结构风荷载特性研究

基于FLUENT软件平台,对典型结构的风荷载分布特性进行CFD数值研究。以国家大剧院为例,基于雷诺平均法中定常的RNG k-ε湍流模型,对建筑物在不同风向角下的风压分布进行数值模拟研究。并探讨周围建筑物对风场的影响,特别是人民大会堂的影响。研究结果表明:国家大剧院在不同的风向角下表现出不同的风压系数变化情况,迎风面产生正压,侧风面和顶面为负压,背风面风压系数较小;在0˚风向角时,大剧院表面的风压系数达到极值,且周围建筑对风压分布具有重要影响;由于人民大会堂的狭道效应和阻挡效应,大剧院表面风压呈非对称分布。数值模拟结果与风洞试验结果基本吻合,可满足工程要求。本研究可为此类典型结构的抗风设计提供依据和参考,具有重要应用价值。

基于雷诺平均Navier-Stokes方程的表面传热系数计算

采用有限体积法数值求解控制二维绕流的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程组,计算了光滑和粗糙NACA0012翼型以及圆柱表面的局部表面传热系数.分析了近壁面网格间距、湍流模式和表面粗糙度模型对数值计算结果的影响.结果表明:切应力输运(SST)湍流模型能够区分层流和湍流边界层的对流传热特性,并能预测转捩的发生;采用Spalart-Allmaras(S-A)扩展模型能够计算粗糙壁面的对流传热系数,但采用忽略转捩函数的S-A模型不能有效计算层流边界层的传热系数.当近壁面网格间距接近10-5量级的黏性子层时,在光滑和粗糙壁面都能得到准确的传热系数分布.结合合适的近壁面网格间距,湍流模式和表面粗糙度模型可以得到与实验数据十分接近的表面传热系数曲线.通过与求解不可压缩RANS方程得到的结果比较后发现,不可压缩RANS方程主要忽略了压缩和黏性耗散效应,这种效应可以通过绝热升温项的形式并入总体热分析.

一种半潜式商用6 MW级风力机载荷数值模拟研究

针对海上漂浮式风力机在其运行状态下的叶轮气动载荷与平台运动状态难以预测的问题,本文以一种商用6 MW级漂浮式风力机为研究对象,基于非稳态的雷诺平均湍流模型,进行了全耦合数值模拟和水池模型试验研究。结果显示:浮式风力机自由衰减周期的模拟值在纵摇、横揺和垂荡上与实验值吻合度较高,而在纵荡、横荡和艏摇上,衰减周期的模拟值与实验值存在一定误差,这主要是由数值模型中对系泊系统进行悬链线简化时造成的。在静水工况下,风力机气动载荷的波动主要受塔影效应影响,机舱加速度的波动与叶轮推力系数变化呈正相关,浮式风力机纵荡和纵摇运动主要受叶轮气动载荷波动的影响;在规则波和非规则波工况下,叶轮推力的波动受浮式基础纵荡和纵摇的影响较大,叶轮推力系数变化和机舱速度呈负相关。浮式风力机的运动主要受波浪载荷的影响,气动载荷对其影响相对较小。

潮流作用下环礁断面的流动特征研究

本文首先通过循环水槽试验测量分析了正向和反向潮流影响下概化环礁断面的流动特性,试验结果表明:在正向流和反向流作用时,礁坪上仅存在亚临界流,并可观察到经典的壁面有界流动流速剖面特征;沿礁的平均水位与各个测线上的流速随潮流幅值的增大而增大。本文随后采用雷诺平均的Navier-Stokes方程并结合标准的k-ωSST湍流模型建立数值水槽,进一步研究了多种水动力与礁型因素影响下前后礁外礁缘处的流速变化规律。数值模拟结果表明:后礁外礁缘处的平均流速均大于前礁外礁缘处;平均流速随潮流幅值的增大而增大,随礁坪水深、礁坪宽度、潟湖宽度和礁前斜坡坡度的增大而减小;最后基于数值模拟结果提出了预测各种因素影响下前后礁外礁缘处流速的幂函数型经验公式。

水陆两栖飞机全机模型静水滑行水动性能预报

水面起飞性能是水面飞行器的基本性能,也是总体技术的核心,涉及多个学科领域。水陆两栖飞机水面高速滑行水动力性能与排水型船不同,具有速度高、运动复杂等特点,高速滑行时一方面受到较大的水动升力,另一方面受到机翼的升力。结合水陆两栖飞机水面高速滑行特点,利用雷诺平均法(Reynolds average navier-stokes, RANS)数值方法和重叠网格技术对水陆两栖飞机全机模型开展数值仿真模拟,分析了自由液面水气分布、机身底部压力分布特征,并将阻力、姿态和升沉与水池模型试验结果进行对比,验证了数值方法的准确性,为水陆两栖飞机静水滑行水动性能数值预报提供技术基础。

上海世博会气象馆平均风压数值模拟研究

采用数值模拟方法对上海世博会气象馆进行了平均风压数值模拟,比较了4种较适合于结构风工程的RNG k-ε,SST-k-ω,SSG-RSM和BSL-RSM湍流物理模型,包括体型系数、表面合力、合力矩及湍动能结果,同时结合风流动特性分析了其规律性和差别的原因,并得到SST-k-ω,BSL-RSM与SSG-RSM模型各有优势,而RNG k-ε模型稍差的结论.最后研究了有无干扰情况下的场馆表面平均风压系数,分析了风干扰的原因.

前缘钝度和雷诺数对三角翼流场的影响

采用RANS方法实现三角翼前缘涡流场结构的数值模拟,计算采用全湍模式。通过数值模拟充分理解非尖前缘三角翼前缘涡的流场结构。数值模拟得到的三角翼表面压强分布与实验结果进行了对比,研究不同因素对三角翼前缘涡的影响。通过对比分析流场结构得到:尖前缘三角翼前缘涡是从机翼前缘拖出,分离位置固定;而钝前缘三角翼由于前缘分离点不固定,前缘涡流场结构变得更加复杂。对于钝前缘三角翼,当马赫数不变时,随着雷诺数的增加,三角翼前缘涡的分离被延迟。

匝道声屏障工程平均风压系数数值风洞模拟

基于FLUENT计算流体动力学数值模拟平台,采用雷诺平均法对匝道声屏障工程的复杂形体结构进行了数值模拟,计算区域的划分采用具有良好适应性的非结构网格,计算得到其表面的风压分布,并分析了结构多风向角下的结构风载体型系数。同时,探讨了屏障内表面风压对整个结构的影响,计算过程采用有限体积法对控制微分方程进行离散,并用SIMPLE压力校正算法来实现非线性方程的迭代求解。

低雷诺数多段翼型地面效应数值仿真

基于雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程结合Realizablek-ε湍流模型,采用流体动力学方法对30P30N多段翼型的低雷诺数地面效应进行数值研究,仿真验证30P30N多段翼型在不同高度、不同迎角状态下的气动特性。计算结果表明:低雷诺数条件下,迎角为0时,30P30N多段翼型的最大升力由尾部襟翼提供;受地面效应影响,总体上,翼型离地高度越低,升力系数及升阻比越大,失速迎角越大;小迎角状态时,30P30N多段翼型的中部主翼下翼面发生气流分离,产生层流分离泡,且随着离地高度的增加而出现非典型“哑铃”形分离泡结构;增大迎角后,下翼面气流分离现象消失而上翼面开始出现气流分离。

基于S-A模型的覆冰输电线绕流数值分析

基于Spalart-Allmaras湍流模型(S-A模型)封闭的雷诺平均N-S方程,采用沿均匀流线的三阶Runge-Kutta法和Galerkin法分别进行时间和空间离散,得到了湍流方程的有限元格式。采用自编Matlab程序,数值模拟了不同风攻角下覆冰输电线绕流问题,得到了覆冰输电线绕流瞬态和时均流场、气动力系数时程曲线和平均气动力系数随风攻角的变化关系,并与试验结果进行对比,验证了该算法的有效性。基于流场演化和平均压力分布,分析表明风攻角变化引起的边界层分离点转移是产生升力系数尖峰突跳现象的主要原因。

不同导流罩下基于RANS的高速梯气压变化规律

针对高速电梯导流罩的形状结构对轿厢内气压变化的影响,以高速电梯导流罩为研究对象,基于雷诺平均(RANS)法的流体动力学数值模拟,结合k-ε湍流方程,研究电梯在高速运行时,不同形状的导流罩对轿厢内部气压变化的影响。首先研究RANS理论,确定了描述湍流平均量的方程,以此为依据建立电梯井道及轿厢的三维简化模型;然后根据电梯井道的参数设置,确定电梯运行时的外部环境,并用Fluent对该三维模型进行流体仿真,进而分析了不同导流罩下轿厢内气体流动特性和气压变化规律。结果表明,轿厢在井道顶部和底部时气压变化较大,在井道中部时气压平稳。相比于锥形和梯形导流罩,椭球型导流罩的导流效果更好,气流更加稳定,运行阻力最小。经过实际测试验证,高速电梯运行时轿厢内气压变化与预测的结果相符合,验证了上述方法的有效性。

贝宁海滩上波浪传播演变特性研究

为分析贝宁海滩上波浪传播演变特性,基于开源波浪数值计算软件COBRAS建立了贝宁典型海滩剖面数值模型,模型中采用k-epsilon紊流模型求解雷诺应力,采用流体体积法捕捉自由液面,并采用斜坡上波浪破碎试验结果对数值模型进行了验证。基于该模型对常浪条件和极端波浪条件下海滩上波浪传播规律的模拟结果表明:常浪条件下波浪主要在沙坝附近发生破碎,极端波浪条件下波浪在沙坝外侧200 m处开始发生破碎;破碎区域内水质点速度较大,常浪条件下沙坝周围的流速可达7.5 m/s,极端波浪条件下破波带内水质点速度可达12.4 m/s,且波浪回流与入射波浪在沙坝周围相互作用会形成较强的涡旋;随着波浪非线性的增强,波浪爬高也逐渐增大,在极端波浪条件下,沙丘上会发生越浪。

基于OpenFOAM的螺旋桨紧急倒车工况数值模拟

螺旋桨在紧急倒车工况下的水动力特性与船舶的紧急制动能力密切相关并直接影响船舶的航行安全性.基于开源计算流体动力学平台OpenFOAM中的雷诺平均求解器对螺旋桨在紧急倒车工况下的水动力特性及绕流场开展数值研究.以5叶螺旋桨DTMB4381模型为研究对象,对其正车前进以及紧急倒车工况进行数值模拟.通过与国际上公开的模型试验结果进行对比,验证了所采用的数值方法在预报螺旋桨不同工况下水动力性能方面的有效性.基于数值模拟获得的水动力载荷及流场信息,探讨了紧急倒车工况下局部绕流场特征随进速变化的规律及其与螺旋桨整体水动力特性之间的关系,为船舶紧急倒车制动能力评估提供了理论依据.

含润滑介质的正交各向异性结合面接触特性研究

提出了一种含润滑介质的正交各向异性结合面法向接触刚度的分形模型。该模型基于含椭圆修正因子的Hertz接触理论,并根据考虑润滑介质的侧向泄漏的平均雷诺方程,推导出固体接触刚度与流体刚度之间的解析关系。通过分析不同因素对结合面的法向接触刚度的影响,发现当无量纲固体真实接触面积小于0.05时,结合面的法向接触刚度受流体刚度的影响较大。随着润滑介质发生侧向泄漏,固体真实接触面积逐渐增大,固体接触刚度对结合面的法向接触刚度的影响越来越显著。给定不同预紧力,对比试验与有限元仿真获得的前三阶固有频率,其最大相对误差为4.11%,证明本文构建的模型可以准确地预测结合面的接触性能。

下表面射流的超临界翼型气动性能分析

为探究下表面射流关键参数对超临界翼型气动性能的影响,采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程与Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型进行数值模拟。通过比较基准RAE2822翼型与下表面射流翼型的流场,验证下表面射流能够在翼型后缘诱导产生逆时针分离涡,带动流线向下偏折,增加了翼型的等效弯度,同时加大前缘的吸力峰,从而提高翼型的气动性能。进一步探究射流位置、射流动量系数、射流角度、马赫数等关键参数对RAE2822翼型气动性能的影响规律。结果表明:给定状态下,下表面射流的位置越靠后,动量系数越大,翼型的气动性能越优。下表面射流在α=0°和2°时的最优射流角度为110°,在α=4°时的最优射流角度为160°,且在最优射流角度下能有效提高翼型马赫数在0.3~0.6范围内的气动性能。

后桨桨距角对某共轴对转螺旋桨性能影响规律研究

共轴对转螺旋桨的桨距角对前后排桨的桨间气动干扰有重要影响,能够改变螺旋桨的气动性能。为了研究后桨桨距角对共轴对转螺旋桨的气动干扰影响,改善螺旋桨的气动性能,在来流马赫数0.453的情况下,通过调节后桨桨距角的方式对6×6构型的共轴对转螺旋桨进行数值计算,数值计算中使用非定常雷诺平均纳维—斯托克斯(URANS)方程结合SST湍流模型的方法,并采用T-Rex高质量网格生成技术研究桨距角对共轴对转螺旋桨桨间气动干扰的变化规律。结果表明:后桨在前排桨产生的预旋气流作用下,能够吸收一部分前桨的切向滑流能量,且气动效率高于前桨,前后桨的气动参数在一个旋转周期内出现12次周期性波动;共轴对转桨的前后桨转速相同时,前桨桨距角不变,减小后桨桨距角,前后桨的气动效率都会增加,后桨效率提升明显。

积冰对飞机飞行性能的影响

针对飞机飞行过程中出现的积冰所带来的不利影响,提出一种求解积冰条件下飞行性能的思路.基于二维有限基本解法对翼型前缘的积冰形状进行预测;在计算飞行性能时,利用数值模拟的方法求解RNG(Renormalization Group)k-ε湍流模型下的雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程,对飞机全机流场进行解算,从而得出积冰状态下飞机的升力、阻力特性.最终结果表明:积冰严重影响着飞机的飞行性能,这与由相关实验得出的结论一致.该方法可应用于工程领域,对积冰条件下飞机的飞行性能进行快捷、有效地求解,为研究飞机防冰技术、提高飞行性能提供参考.