对二维分离流涡黏性系数非线性分布的新认识

以弱非线性涡黏性模型为出发点,对Delery分离流动实验结果进行分析并获得了非平衡态分离区涡黏性系数与形状因子J之间的非线性关系. 该非线性关系显示在分离起始阶段,涡黏性系数较平衡态先减小,后增大;再附阶段,涡黏性系数较平衡态数值逐渐增大,并在再附点位置接近最大,而后又逐渐减小,恢复到平衡态水平. 总结涡黏性系数的这种非线性发展数学关系式,并将它应用于BL模型,在不添加微分方程的情况下发展出一种适用于分离流动的改进代数湍流模型. 对低速平板流动,跨声速,超声速以及高超声速分离流动的计算结果表明,该改进湍流模型可以较准确地模拟各类复杂分离流动,计算精度明显优于传统代数模型以及一些两方程模型,而计算工作量仍与BL模型相当. 这表明所提出的涡黏性系数非线性发展规律是正确的,且应用在二维分离流动中具有一定的普适性.      

关于RNG代数湍流模式的研究

研究了ＲＮＧ代数湍流模型，提出的涡黏性方程根的识别方法对涡黏性的选择给予了合理的物理意义，它减少了模型使用中的经验性，缩短了计算时间。另外关于用外部涡函数的双峰平均法来确定分离区附近边界层的厚度也是有意义的，它继承了ＢａｌｄｗｉｎＬｏｍａｘ代数模型的长处，改进了其不足，可用于分离流动的工程计算．     

求解复杂湍流的非线性涡黏性系数模型和代数应力模型

非线性涡黏性系数模型和代数应力模型联系了线性涡黏性系数湍流模型和完整的微分 雷诺应力模型.随着它们受到日益关注,其形式也越来越多样化.本篇综述的目的是对这些模 型加以总结并比较它们之间的共同点及不同之处,指出它们与完整微分雷诺应力模型之间的 关系,以及相对于线性涡黏性系数模型而言它们在预报流场上所具有的优势.     

k-ω SST湍流模式三维激波分离流动修正

“激波?边界层分离”是航空气动领域的典型湍流非平衡流动问题, 准确模拟激波分离对于跨声速飞行器气动性能评估和优化设计具有重要意义. 然而传统涡黏性湍流模式中涡黏性系数的定义方式并不适用于非平衡流动, k-ω SST湍流模式为此引入的Bradshaw假设在应用于三维强逆压梯度和较大分离流动时反而限制了雷诺应力的生成, 导致包括k-ω SST在内的常用涡黏性湍流模式均无法对此类流动进行准确模拟. 同时, 现有的非线性雷诺应力本构关系也并不能有效提高模拟精度. 为此, 针对k-ω SST模式分别提出了基于Bradshaw假设和基于长度尺度的两种激波分离流动修正方法. 前者通过提高Bradshaw常数的方式放宽了对雷诺应力生成的限制, 后者则从湍流长度尺度概念出发, 利用混合长度理论、湍动能生成/耗散之比和一种新定义的长度尺度之比构造了ω方程耗散项修正函数, 提高了模式在三维激波分离流动中的建模长度尺度. 两种方法对ONERA M6机翼跨声速大攻角流动均能得到较雷诺应力模式更好的模拟结果. 进一步的雷诺应力分析表明, 三维激波分离流动中“主雷诺应力分量”的概念不再成立, 各雷诺应力分量大小接近. 网格收敛性分析、对其他攻角状态的验证以及湍流平板边界层壁面律验证进一步确认了所提出的两种修正方法的合理性、有效性和通用性.      

绕振荡水翼流动及其转捩特性的数值计算研究简

通过对比标准k-ω SST 湍流模型和基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型对绕振荡NACA66 水翼流动的数值计算结果与实验结果,对水翼振荡过程的水动力特性和流场结构变化进行了分析研究. 结果表明：与标准k-ω SST 湍流模型的数值计算结果相比,基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型能有效预测绕振荡翼型流场结构和水动力特性,捕捉流场边界层发生的流动分离和转捩现象;绕振荡水翼的流动过程可分为5 个特征阶段,当来流攻角较小时,在水翼前缘发生层流向湍流的转捩现象,水翼动力特征曲线出现变化拐点;随着来流攻角的增大,顺时针尾缘涡逐渐形成并向水翼前缘发展;当攻角较大时,前缘涡分离导致动力失速,水翼的动力特征曲线出现大幅波动;水翼处于顺时针向下旋转阶段,绕水翼的流动状态逐渐由湍流过渡为层流.     

超声速流动中非线性EASM湍流模式应用研究

针对超声速复杂流动区域精确模拟的需要,发展了基于k-ω可压缩修正形式的非线性显式代数雷诺应力模式(EASM),提高了该模式对超声速复杂流动的数值模拟精度。通过对二维超声速凹槽和三维双椭球的数值计算表明,与SA和SST常规线性涡黏性湍流模式比较,非线性的EASM模式对大分离以及剪切层流动结构的刻画能力更精细,对剪切层再附区的压力及摩擦系数分布模拟更加精确;EASM模式能够准确地模拟二次激波引起的压强和热流分布情况。     

应用于激波/边界层相互作用的非线性湍流模式

选择8个近年来有代表性的非线性湍流模式，研究2个跨声速激波／边界层相互作用问题．采用的非线性湍流模式包括4个二阶模式和4个三阶模式．2个跨声速激波／边界层相互作用的流动是轴对称圆弧突起绕流和二维管道突起流动．通过数值计算结果和实验结果的比较，对有关的非线性湍流模式进行评估和分析．计算结果表明，非线性模式的模化系数与平均流动应变不变量以及涡量不变量有关，反映了湍流的各向异性，比线性模式优越得多．     

绕振荡水翼流动及其转捩特性的数值计算研究

通过对比标准k-ω SST 湍流模型和基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型对绕振荡NACA66 水翼流动的数值计算结果与实验结果,对水翼振荡过程的水动力特性和流场结构变化进行了分析研究. 结果表明:与标准k-ω SST 湍流模型的数值计算结果相比,基于标准k-ω SST 湍流模型修正的γ-Re_θ 转捩湍流模型能有效预测绕振荡翼型流场结构和水动力特性,捕捉流场边界层发生的流动分离和转捩现象;绕振荡水翼的流动过程可分为5 个特征阶段,当来流攻角较小时,在水翼前缘发生层流向湍流的转捩现象,水翼动力特征曲线出现变化拐点;随着来流攻角的增大,顺时针尾缘涡逐渐形成并向水翼前缘发展;当攻角较大时,前缘涡分离导致动力失速,水翼的动力特征曲线出现大幅波动;水翼处于顺时针向下旋转阶段,绕水翼的流动状态逐渐由湍流过渡为层流.      

超声速流动中非线性EASM湍流模式应用研究

针对超声速复杂流动区域精确模拟的需要,发展了基于k-ω可压缩修正形式的非线性显式代数雷诺应力模式（EASM）,提高了该模式对超声速复杂流动的数值模拟精度。通过对二维超声速凹槽和三维双椭球的数值计算表明,与SA和SST常规线性涡黏性湍流模式比较,非线性的EASM模式对大分离以及剪切层流动结构的刻画能力更精细,对剪切层再附区的压力及摩擦系数分布模拟更加精确;EASM模式能够准确地模拟二次激波引起的压强和热流分布情况。     

基于直接数值模拟的可压缩湍流模型评估和改进

对来流Mach数2.25和6的平板边界层湍流进行了直接数值模拟, 并通过与理论、实验及他人计算结果的对比对数值结果进行了验证. 基于直接数值模拟得到的湍流数据库, 对常用的湍流模型进行了先验评估. 评估的湍流模型有k-εvarepsilon模型(包括标准k-εvarepsilon 模型、可实现的k-εvarepsilon模型及低Reynolds数k-εvarepsilon模型)、SA模型及BL模型. 结果显示, 对于Mach2.25的平板边界层, 可实现的k-εvarepsilon 模型及低Reynolds 数k-εvarepsilon模型具有较好的预测能力, 而标准k-εvarepsilon模型预测的湍流黏性系数偏高; SA模型在边界层内层预测准确度较高, 而在外层预测值偏高. 而对于Mach6的平板边界层, k-εvarepsilon模型及SA模型预测的湍流黏性系数均偏高, 尤其是标准k-εvarepsilon模型. 对于Mach6的平板边界层, BL模型低估了内-外层交界位置, 造成湍流黏性系数预测值严重偏低. 作者通过修改模型系数及内-外层交界位置对BL模型进行了修改, 修改后模型预测的湍流黏性系数与DNS给出的值吻合较好.     

翼型与风洞侧壁交接角区分离流动研究

运用Navier-Stokes数值模拟对翼型模型试验时风洞侧壁和翼型模型结合部拐角区黏型分离流动进行模拟,并将简单代数湍流模型扩展用于机翼/风洞侧壁拐角区流动.计算格式在空间上采用中心有限体积离散,在时间上采用多步Runge-Kutta时间步长格式进行积分.结果显示,在翼型模型风洞试验时,模型/侧壁拐角区、模型表面、侧壁表面和模型后形成复杂的黏性分离流动和二次分离,对实验结果产生很大的影响.     

无壁面参数低雷诺数非线性涡黏性模式研究

建立了一个低雷诺数的非线性涡黏性湍流模式,该模式的一个显著特性是它不包含壁面参数（如y^ ,n等）,因而特别适用于复杂几何流场的计算,本模式在几种包括回流、分离、激波等典型流动中进行了验证,结果令人满意。     

用扰动涡方法模拟叶轮机内动静叶的相互作用

发展了一种研究叶轮机内动、静叶间的相互作用的新方法———扰动涡方法，它利用全三维的定常解为基础解，并由此给出非定常扰动场的初始解．为计算叶片对扰动场的响应过程，采用拉格朗日方法追踪扰动涡团的对流流动过程，用确定性涡方法来描述流体的粘性扩散过程．发展了代数湍流模型（Ｂａｌｄｗｉｎ Ｌｏｍａｘ湍流模型）在尾迹中的应用方法，克服了其它数值方法中无法准确捕捉尾迹中心线的运动轨迹，以及计算出的边界层外的湍流涡粘性系数偏大的缺陷．利用该方法计算轴流叶轮机内由于动、静叶间的相互作用而引起的非定常流动过程，与实验的对照表明，模拟结果与实验数据吻合得相当好，从而说明本文发展的方法是可信的，为更直观地描述尾迹等非定常因素的流动及叶轮机内的掺混问题提供依据．     

大涡模拟的壁模型及其应用

大涡模拟是研究湍流的非定常特性的重要方法.但解析壁面层的大涡模拟所需的计算量与直接数值模拟相当,是大涡模拟在高雷诺数壁湍流数值模拟中所面临的主要困难.解析壁面层所需的网格尺度与壁面黏性长度同量级,是引起壁湍流大涡模拟计算量增加的主要原因.壁模型通过模化近壁流动避免了完全解析壁面层,可以显著地降低壁湍流大涡模拟的计算量,是克服上述困难的有效方法.本文介绍了大涡模拟壁模型的主要类型;详细讨论了常用的壁面应力模型,特别是平衡层模型和双层模型的构建思路和特点;基于近壁流动的特征讨论了应力边界条件的必要性和适用性;指出了壁面应力模型的局限性以及考虑非平衡效应修正的各种方法;讨论了壁面应力模型的研究历史、最新进展和发展趋势,给出了常用的壁面应力模型的分支与发展关系图;并基于Werner-Wengle模型实现了周期山状流的大涡模拟.     

大涡模拟的壁模型及其应用

大涡模拟是研究湍流的非定常特性的重要方法. 但解析壁面层的大涡模拟所需的计算量与直接数值模拟相当,是大涡模拟在高雷诺数壁湍流数值模拟中所面临的主要困难. 解析壁面层所需的网格尺度与壁面黏性长度同量级,是引起壁湍流大涡模拟计算量增加的主要原因. 壁模型通过模化近壁流动避免了完全解析壁面层,可以显著地降低壁湍流大涡模拟的计算量,是克服上述困难的有效方法. 本文介绍了大涡模拟壁模型的主要类型;详细讨论了常用的壁面应力模型,特别是平衡层模型和双层模型的构建思路和特点;基于近壁流动的特征讨论了应力边界条件的必要性和适用性;指出了壁面应力模型的局限性以及考虑非平衡效应修正的各种方法;讨论了壁面应力模型的研究历史、最新进展和发展趋势,给出了常用的壁面应力模型的分支与发展关系图;并基于Werner-Wengle模型实现了周期山状流的大涡模拟.      

壁湍流多尺度相干结构复涡黏模型的实验研究

在湍流相干结构动力学方程中,非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力的模型为涡黏性模型,即涡黏性系数乘以相干结构平均速度变形率的形式.基于非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构速度变形率之间存在相位差的事实,在理论上提出了非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力复涡黏性模型的假设.应用热线测速技术,在低速风洞中对湍流边界层非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构法向速度变形率之间的相位关系进行了实验测量.通过分析湍流相干结构猝发过程中非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构速度变形率之间的相位关系,研究了相干结构雷诺应力分量与流向速度法向梯度之间的相位差沿湍流边界层法向的变化规律,肯定了湍流相干结构复涡黏性系数模型的合理性.     

激励小尺度模式在湍流圆管射流中的应用

采用非涡黏性的激励小尺度（Stimulated Small Scale)模式对空间发展的轴对称湍流圆管射流进行了大涡模拟。以雷诺数为10000的流动为例,考证了激励小尺度模式在自由剪切流模拟中的可行性,描述了湍流强度、雷诺应力和湍流耗散量的变化,同时与标准的Smagorinsky涡黏性模式的计算结果进行了比较。数值结果显示,激励小尺度模式能够更为合理地描述湍流的耗散特性和能量传输特性,从而较为准确地展示出空间发展射流中由于流动不稳定而出现的旋涡产生、发展、破碎及合并等过程。     

弯度翼型大迎角时分离涡流场的多平衡态现象

基于kω的SST两方程湍流模型,在时间域求解雷诺平均Navier-Stokes方程,模拟弯度翼型大迎角时的分离流动。通过给翼型施加一定形式的扰动,重点关注了翼型弯度对大迎角分离涡流场平衡态转移的影响。研究结果表明:与相同厚度20%以上的对称翼型相比,2%弯度的翼型出现分离涡流场平衡态转移的起始迎角变小2°左右,迎角区间变宽约1°;在厚度相对较小的NACA2416翼型上也发现上述分离涡平衡态转移现象。由此说明翼型弯度在一定程度上促使了分离涡平衡态的转移。     

Experimental research on complex eddy viscosity modeling of multi-scale coherent structures in wall turbulence

在湍流相干结构动力学方程中,非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力的模型为涡黏性 模型,即涡黏性系数乘以相干结构平均速度变形率的形式. 基于非相干结构成分对相干结构贡 献的雷诺应力与相干结构速度变形率之间存在相位差的事实,在理论上提出了非相干结构成 分对相干结构贡献的雷诺应力复涡黏性模型的假设. 应用热线测速技术,在低速风洞中对湍 流边界层非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构法向速度变形率之间的相位 关系进行了实验测量. 通过分析湍流相干结构猝发过程中非相干结构成分对相干结构贡献的 雷诺应力与相干结构速度变形率之间的相位关系,研究了相干结构雷诺应力分量与流向速度 法向梯度之间的相位差沿湍流边界层法向的变化规律,肯定了湍流相干结构复涡黏性系数模 型的合理性.     

基于全局动态Vreman模型的复杂非定常湍流的大涡模拟

在湍流数值模拟方法中,大涡模拟方法可以提供丰富的大涡旋信息,已逐渐成为复杂湍流问题数值研究的重要方法。而大涡模拟中,最重要的一环是尽量准确地构建能反映流场物理本质特征的亚格子应力模型。基于该思想,将一种新型的大涡模拟亚格子应力模型-Vreman亚格子应力模型用于高雷诺数三维后台阶流动的求解,计算结果与实验结果进行对比分析结果较吻合,验证了该模型的可靠性。这是对该模型用于无任何均匀流动方向的高雷诺数复杂湍流非定常流动的首次检验,计算结果优于基于传统的Smagorinsky涡粘性的动态亚格子模型。