基于混合LES/RANS方法的引水隧洞施工通风数值模拟

为了获取准确的水电工程引水隧洞施工通风瞬态流场信息并且提高计算效率,基于Realizable k-ε两方程湍流模型建立引水隧洞施工通风三维非稳态混合LES/RANS模型,并结合某引水隧洞施工通风过程进行数值模拟,借助现场实测风速数据对数值模拟结果进行验证,同时将混合LES/RANS模型的模拟结果与RANS模型和LES模型的模拟结果进行对比。结果表明:混合LES/RANS数值模拟结果与现场实测数据较为吻合,其平均相对误差仅为4. 9%。混合LES/RANS方法仅需1 163 996个计算网格即可获得准确的瞬态风流场扩散规律,而LES方法所需网格数量近似为前者的2倍。混合LES/RANS方法可以为水电工程引水隧洞的施工通风数值模拟研究提供重要的理论与技术支撑。

基于RANS方法的波流耦合数学模型

基于RANS水动力方程和k-ε双方程紊流模型提出波流耦合数学模型,研究稳定流条件下波浪传播特性。模型采用体积分数法(VOF)捕捉自由液面,在计算区域两端分别给定进口速度和出口压力边界条件来造流,同时使用内部质量源造波法造波。数值模拟结果与相关试验测量数据吻合,表明所建耦合模型可准确模拟波浪与水流相互作用。研究发现波浪周期和水流速度对规则波流相互作用所产生的波面线和速度分布有明显影响。

RANS方法预报对转桨非定常水动力性能研究

对转螺旋桨的非定常激振力直接影响着对转桨的噪声性能及振动特性,准确预报对转桨的非定常性能可以更好地为对转桨设计工作服务。基于计算流体力学(CFD)中雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方法,对对转桨非定常水动力性能预报方法进行研究。通过对前后桨区域及交界面处网格精细划分,结合滑移网格特点,考虑每一时间步内旋转角度的对应性,进行合理的计算设置,提高对转桨的非定常性能预报精度。进行了2对对转桨方案的非定常水动力性能数值模拟,与试验数据的比较分析验证了预报方法的准确性和可行性。

基于RANS/LES混合方法的箱梁气动导纳函数研究

为了研究RANS/LES(Reynolds-averaged navier-stokes/large eddy simulation)混合方法在桥梁非定常气动力的应用以及大积分尺度湍流中桥梁断面的气动导纳函数,首先选取3种典型的RANS/LES混合方法,即SBES(stress-blended eddy simulation)方法、SAS(scale-adaptive simulation)方法、WMLES(wall-modeled LES)方法,分别对3种方法的特点和适用性进行简要的概述,然后在均匀流中将其用于箱梁断面和分离式双箱梁断面气动力的计算,最后在提出的改进湍流合成方法基础上,实现了与实际桥位处积分尺度类似的大积分尺度湍流模拟,在此流场中识别了箱梁断面的气动导纳函数。数值计算结果表明,SBES方法适用于弱流动不稳定和强流动不稳定流场气动力的模拟,SAS方法仅适用于显著流动分离的断面,而WMLES方法对两种断面整体表现都较差。对于流线型箱梁断面,大积分尺度湍流场中识别的升力气动导纳在低频处大于Sears函数和小尺度湍流场中的结果,并显著大于节段模型风洞试验结果。在高频处大积分尺度湍流场的结果与小尺度湍流场以及风洞试验结果吻合较好。研究结果表明,将传统小尺度格栅湍流场风洞试验识别的气动导纳用于桥梁抖振分析时,会导致低频处的抖振力显著偏小。

用强耦合RANS方法模拟旋翼悬停流场

在旋转坐标系下,将Spalart-Allmaras(S-A)一方程湍流模型和Reynolds-averaged NavierStokes(RANS)方程耦合成一个新的RANS方程,并发展了基于多块重叠网格的强耦合RANS求解方法,用于直升机旋翼悬停流场的数值模拟.为了提高计算效率,针对多重网格方法在多块重叠网格上实施的困难,提出了一种基于重叠网格的多重网格实施方法.通过对Caradonna-Tung(C-T)和ONERA 7A旋翼悬停算例验证了发展的强耦合RANS方法和基于重叠网格的多重网格实施方法的有效性.研究结果表明:发展的基于重叠网格的多重网格方法有较高的计算效率,3层网格的加速比约为7.7;强耦合RANS法的计算精度明显高于传统的松耦合RANS方法,特别是在与阻力相关性能参数的预测中,强耦合RANS方法的预测结果更加精确.

采用RANS/LES混合方法研究分离流动

采用结合湍流模式和大涡模拟(LES)的混合方法数值模拟Aerospatial A-profile翼型以及细长椭球体大迎角分离流动。该类混合方法比较适于模拟分离流动:近壁区附体流动采用湍流模式,而远离物面分离区域内的大尺度运动则用LES方法。通过计算和实验结果的对比,混合方法切实可行并具有很大的发展潜力。

联合RANS/LES方法数值模拟方柱绕流

在粗细两套网格上,采用联合RANS/LES数值模拟Re=2.2×104的非定常方柱绕流经典算例.以标准的k-ε模型为基础,采用两种亚格子湍流模化方法,分别为PRNS(partially resolved numerical simulation)和DES(detached eddy simulation).PRNS模型与计算网格无显式关联,而DES与网格有一定关联.计算结果表明,联合RANS/LES方法即使在较粗的网格上也能得到较好的结果,DES方法预测到了二维模拟中的"双周期"现象,整体表现优于PRNS方法;亚尺度湍流模化中与计算网格的关联程度对结果有较大影响.

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。

用RANS/LES混合方法研究超声速底部流动

在剪切应力输运和弱非线性k-ω模式中引入压缩性修正,并在此基础上构造RANS/LES混合方法,对包含丰富流动结构和复杂流动机理的导弹类超声速底部流场进行数值分析,发现压缩性修正可更好地描述流场特征,适于具有较强压缩性效应流动的数值分析;混合方法捕捉到丰富的流动现象及非定常特性.

嵌入式RANS/LES混合方法在槽道流动数值模拟中的应用

与传统整体式RANS/LES混合方法相比,嵌入式RANS/LES混合方法不再依靠改进后的湍流模型本身或网格疏密自动划分流场中的RANS区域和LES区域,而是通过对流动现象的预估,人为将LES区域嵌入到RANS区域,从而使RANS区过渡到LES区的交界面尽可能与流向垂直,方便合理附加额外的湍流脉动信息。这样做不但确保了LES在某些复杂流动区域彻底支配地位,更重要的是能够避免RANS区对LES区解析湍流发展的污染和抑制。将槽道流场划分为上游RANS区和下游LES区,在经典的SST-DES模型基础上,采用合成涡方法生成交界面的湍流信息,取得了良好的模拟结果。

基于混合RANS/LES方法的亚声速空腔流动主要影响因素的数值研究

随着计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术的发展,混合雷诺平均N⁃S方程(Reynolds averaged Navier⁃Stokes,RANS)/大涡模拟(Large eddy simulation,LES)类方法被越来越多地应用于航空领域的大分离流动及气动噪声的仿真分析中,并取得了很好的效果。本文选取M219空腔流动风洞试验模型,在Ma=0.85的情况下,进行了混合RANS/LES方法的验证,并进行了网格敏感性分析;然后针对影响空腔流动的几个关键因素进行了仿真研究,并给出了主要的研究结果;最后,针对L/D=7的大长深比空腔,研究了增加隔板形成前后两个L/D=3.5的串列空腔的流动特点。

二维激波/湍流边界层干扰的混合LES/RANS模拟

为了降低高雷诺数条件下大涡模拟方法的计算量,将两方程k-ωSST湍流模型与Yoshizawa一方程亚格子模型通过一个衔接函数相结合,构造一种混合大涡/雷诺平均NS方程模拟方法(混合LES/RANS)。使用这种方法及AUSM+-up格式对20°压缩斜坡的马赫2.85流动进行模拟,并考察了固定入口和在入口添加白噪声两种湍流入口边界条件对于结果的影响。模拟结果再现了边界层的分离、再附以及分离激波等现象,计算得到的分离区要显著大于试验结果,对于这种混合模拟方法的缺点进行了分析,并提出了可能的改进方法。

高速滑行艇阻力性能RANS计算中网格影响因素

为了准确预报高速滑行艇的水动力与阻力特性,本文基于RANS方法和重叠网格技术针对某50kn高速单体滑行艇的缩比船模阻力特性开展了数值计算研究。分析了网格类型、船体边界层网格分布、船体表面网格尺度、流场背景域网格加密等网格相关因素对艇底气水混合物分布、兴波形状、船体姿态以及船体阻力预报结果的影响,并与船模阻力试验结果进行了比较。通过研究认为:开展高速滑行艇的运动与阻力性能RANS预报时,网格因素对模拟高速滑行艇边界层流动、艇体周围湍流流动和兴波特性,以及预报艇底气水分布、艇体航行姿态与阻力性能具有显著影响。

基于RANS的水下潜器空间运动操纵水动力分析

操纵性是水下航行器重要的水动力性能之一,在水下航行器进行复杂任务以及强机动运动时,其具有非常复杂的流动结构.研究不同攻角下潜器的水动力特性对于评价其在不同操纵环境中的性能是必要的.而水下潜器进行强机动空间任务时,会出现水平面大漂角和垂直面大攻角相耦合的情况.文中旨在对这一运动进行模拟分析.首先采用RANS方法以及不同湍流模型对SUBOFF裸艇体在漂角为2°,4°,10°,18°下的斜航运动进行模拟并与试验结果对比,计算中采用两套不同网格:切割体网格和结构网格.在此基础上,选择结构网格和雷诺应力模型对不同漂角与不同攻角耦合的工况进行数值模拟,分析了其耦合水动力变化规律,并对其大角度运动的分离特性进行研究,捕捉到一定的涡旋结构.

基于RANS的拉式吊舱推进器敞水性能尺度效应研究

吊舱推进器具有模块化程度高、环保、机动性强和噪音低等优点,广泛应用于科研、军事和商业领域。目前吊舱推进器水动力性能研究工作主要基于模型试验及数值计算展开,但是吊舱推进器的复杂结构给其敞水性能由模型尺度外推到实尺度带来了困难。本文基于CFD方法研究了拉式吊舱推进器敞水性能的尺度效应。文中采用Rayleigh-Averaged Navier-Stokes(RANS)方法,结合两方程湍流模型,对拉式吊舱推进器的敞水性能进行数值模拟。通过计算不同尺度的吊舱推进器敞水特性,分析和总结了不同部件受力时的压力成份、摩擦成份和合力随尺度的变化规律,基于相关尺度效应规律提出了一种重点考虑非旋转部件摩擦阻力尺度效应的吊舱推进器敞水性能尺度效应修正方法,并将采用该修正方法的基于模型尺度数值的大尺度外推结果与大尺度RANS结果进行了对比验证。

基于RANS的三维山地风场数值模拟研究

基于RANS湍流模型,通过对坡度α=0.375的光滑三维山体进行不同湍流模型数值模拟研究,并将结果与风洞试验进行对比探索了Realizable k-ε模型为相对经济、高效的山地风场RANS数值模拟方法。在此基础上验证了水平均匀性调整是采用RANS模型计算的必要前提。

简化伴流中螺旋桨空泡性能数值模拟方法

为实现船后螺旋桨空泡性能的快速预报,简化伴流,采用RANS数值模拟方法,结合SST k-ω湍流模型及基于Rayleigh-Plesset方程的空泡输运模型进行螺旋桨空泡性能数值模拟。提取船后标称伴流作为简化伴流方法的入流边界条件,获得空泡形态随桨叶旋转角度的变化特征及空泡诱导脉动压力特征,与船后螺旋桨空泡预报结果及试验结果进行对比分析,均能吻合较好,采用简化伴流方法开展螺旋桨空泡性能预报,可以快速可靠地获得船后螺旋桨空泡性能,提高螺旋桨空泡性能预报效率。

基于粘性修正的单体复合船型运动预报方法研究

为提高单体复合船型耐波性预报精度,分别利用势流理论源汇分布法和RANS方法对某单体复合船型水动力系数进行了计算,其中RANS方法采用k??RNG和k??SST两种湍流模式,将利用势流理论和RANS方法计算的水动力系数与试验结果进行了比较。进而对该船型在规则波中18节航速下迎浪航行的运动响应和零航速下正横浪的运动响应进行了预报,并开展了模型试验验证。水动力系数的计算结果表明RANS方法能够较合理地反映出半潜体的粘性效应;运动预报的结果表明基于RANS粘性修正的势流理论计算结果更接近试验值,能够体现出附体粘性效应对船体耐波性所起的作用。

数值水池船模自航试验方法研究

同时考虑自由液面、真实螺旋桨的旋转运动,在数值水池实现了船/桨整体流场的数值计算。在既定航速下,推力与船体阻力为螺旋桨转速的函数,通过变化转速得到自航点。文中数值计算得到的自航点与物理水池试验自航点吻合良好。根据数值自航试验结果,不仅可通过积分的方法计算伴流分数与推力减额分数,还可详细分析螺旋桨进流与桨叶的速度、压力分布,判断易发生空化位置等,获得桨叶的脉动推力与力矩等参数。

轮缘推进器叶梢间隙流动预报方法研究

为研究转子转速和进速系数对轮缘推进器间隙流道流量和轴向压差的影响,采用Fluent软件对轮缘推进器模型进行不同工况下的CFD计算。轮缘推进器叶梢间隙流场通过雷诺平均(RANS)方程计算,通过MRF方法模拟推进器转子的转动。针对推进器模型,先进行了推进器的敞水性能计算,并将计算结果与试验值比较,吻合较好。在此基础上,进一步分析了不同转速和不同进速系数下推进器间隙流道流量和轴向压差情况。研究结果表明:该方法可以准确地预报轮缘推进器叶梢间隙流道中的流体的流动。