基于当地流动结构的RANS/LES混合模型

针对传统雷诺平均Navier-Stokes/大涡模拟(RANS/LES)混合模型固有的RANS和LES区域衔接难题,借鉴Vreman提出的亚格子(SGS)模型,提取其中描述流动状态的判断函数,利用不可压缩槽道湍流标定模型系数,构造了一个新的RANS/LES混合模型。评估算例包括不可压缩槽道湍流、稳态超声速平板边界层、NACA4412翼型绕流和亚临界雷诺数圆柱绕流。该模型作为壁面模化LES,解决了传统RANS/LES方法中速度型偏离对数律(LLM)的缺陷,且拓宽了原Vreman模型在粗糙网格上的适用性,具有较高精度。该模型同时解决了模化应力折损问题,且对大尺度分离流动的模拟精度相较传统的RANS/LES混合模型如脱体涡模拟(DES)有进一步提升。     

基于人工神经网络的可压缩湍流大涡模拟模型

在国家数值风洞（NNW）工程项目的指导下，空间人工神经网络（SANN）模型被用于强可压缩湍流大涡模拟（LES）研究，其中流场的湍流马赫数分别为0.6、0.8、1.0。基于湍流的多尺度空间结构特性和人工神经网络方法发展的高精度空间神经网络（SANN）模型适用于不可压缩湍流和弱可压缩湍流。对于强可压缩湍流，流场中会出现激波结构，给大涡模拟带来了挑战。本文的研究结果表明：SANN模型适用于强可压缩湍流的大涡模拟。在先验分析中，SANN模型预测的亚格子应力和亚格子热流的相关系数超过0.995，远远高于梯度模型和近似反卷积模型等传统模型；传统模型的相对误差大于30%，而SANN模型在这方面有很大的改进，相对误差低于11%。在后验分析中，与隐式大涡模拟（ILES）、动态Smagorinsky模型（DSM）、动态混合模型（DMM）相比，SANN模型能更精确地预测能谱、各类湍流统计特性以及瞬态流动结构。因此，基于湍流多尺度空间结构特性的人工神经网络模型加深了人们对强可压缩湍流亚格子建模的认识，同时可以服务于NNW工程的流体力学模型构造。     

SLAU格式在大涡模拟方法中的应用

采用格心格式的有限体积法求解三维大涡模拟控制方程,成功地将最新改进的SLAU格式推广到大涡数值模拟方法中。SLAU格式的空间重构方式采用五阶WENO格式,时间推进采用LU-SGS隐式时间推进。湍流模式为最新提出的基于随机分析的动态亚格子模型。计算了圆柱绕流、NACA4412翼型绕流、NACA0012翼型绕流三个算例,分别从可压缩较大迎角翼型绕流、可压缩跨音速翼型绕流以及不可压缩低马赫数圆柱绕流三个方面验证了将SLAU格式应用到湍流大涡数值模拟计算中的可行性。结果表明,结合SLAU格式的大涡模拟方法可以达到较好的数值模拟效果,同时间接检验了基于随机分析的动态亚格子模型的数值模拟效果。     

超声速理想膨胀喷流噪声的大涡模拟

为探究亚格子模型和热效应对超声速喷流流场与声场的影响规律，采用LES/FW-H混合算法对超声速理想膨胀喷流开展了数值模拟参数研究。首先，通过对比数值模拟与实验数据详细验证了LES/FW-H混合算法的可靠性，并结合Tam相似谱理论确定了实验与数值模拟中声场出现偏差的原因在于实验中存在宽频激波噪声。之后，讨论了亚格子模型对流场平均量、湍流统计量和噪声特征的影响，数据对比表明动态Smagorinsky模型的模拟结果与隐式亚格子模型的结果一致，且均与已有实验和数值模拟结果相符；而采用常系数Smagorinsky模型将导致流场和声场结果出现明显偏差。最后，通过改变喷流出口总温研究了热效应对超声速理想膨胀喷流流场与声场的影响，研究发现喷流总温升高增大了无量纲的高频流向速度脉动，同时对远场高频噪声具有显著的增强效应。     

一种改进的类DES湍流模拟方法

构造了一种基于一方程S-A(Spalart-Allmaras)模型和一方程Yoshizawa亚格子模型的混合RANS/LES(Reynolds-averaged Navier-Stokes/large eddy simulation)湍流模拟方法.在涡黏假设的基础上,将Yoshizawa亚格子湍动能方程转化为等效的亚格子湍流涡黏性输运方程,并采用混合函数将其与S-A模型方程进行混合,从而改进了DES(detached eddy simulation)模型的亚格子行为,同时克服了其依靠网格控制模型转换的缺点.模拟了超声速的带斜坡凹腔流动,并与相同网格下的LES及DES结果进行了比较,结果表明该混合RANS/LES方法在远离壁面的自由剪切流区域与LES行为一致,而在附着边界层区域表现优于LES和DES方法.      

守恒型可压缩一维湍流方法及其在超声速标量混合层中的应用

一维湍流（ODT）方法是一种能在一维计算域上遵循湍流基本物理规律的湍流建模方法。通过结合确定性和随机性求解方法,能够在一维计算域上准确捕捉到湍流统计规律,且降维建模可显著减小计算量。ODT方法主要被广泛用于不可压湍流和湍流燃烧研究,若要将其拓展用于模拟高速可压缩湍流,需对建模方法进行深度改进。相比于不可压ODT方法,本文基于欧拉参考框架,针对可压缩湍流的特性,将因变量由原始变量改为有利于减小可压缩湍流模拟误差的守恒通量,并加入了组分求解模块。对确定性和随机性求解模块均进行了相应的深度改进,开发出具有标量混合模拟功能的守恒型可压缩ODT方法。在确定性模块中改为求解以守恒通量为变量的一维截断控制方程,在随机性模块中构造一维涡时,将三联映射的作用对象也相应地由原始变量改为守恒通量,并选用了可保证变密度情况下动量守恒的双核变换。通过模拟空间发展超声速平面湍流混合层并将自相似阶段结果与实验结果比对,验证该方法对可压缩剪切湍流场中标量混合的捕捉精度。守恒型可压缩ODT方法模拟得到的速度场和组分场的平均剖面和脉动强度分布与实验结果准确吻合,精度明显优于传统的耦合梯度扩散亚格子模型的大涡模拟方法（LES-GRAD.DIFF.）以及耦合线性涡（LEM）亚格子模型的大涡模拟方法（LES-LEM）,且该方法的降维处理使其在降低计算成本方面具有显著优势。     

高超声速钝楔边界层转捩大涡模拟

 以五阶迎风和八阶对称格式混合差分格式求解三维可压缩滤波Navier-Stokes方程，对来流Mach数为6.0、半锥角5°的高超声速空间发展钝楔边界层转捩至完全湍流进行了大涡模拟。时间推进采用紧致存储三阶Runge-Kutta方法，亚格子尺度模型为Driest因子修正的Smagorinsky涡黏性模型。通过定常流场入口边界附近吹／吸引入不稳定扰动斜波的方法数值模拟得到了层流失稳转捩直至完全湍流的空间发展全过程。对扰动的线性、非线性增长以及湍流斑的形成和发展进行了分析，给出了转捩及完全湍流下的速度相关量统计并与实验、DNS结果进行了对比分析，计算结果与理论及实验吻合。     

连续尺度变换方程在稳态及非稳态流动模拟中的应用

为了提高涡粘性假设的湍流模型对于非稳态流动的求解精度,同时兼顾其对于稳态流动的求解性能,将雷诺应力项与连续变换方程(CSSE)结合而形成新的应力项,使其根据流场尺度、网格尺度及Kolmogorov尺度来自动调节当地的应力雷诺应力模化水平,避免网格因素在流场模拟中产生不利影响,改正了混合RANS/LES方法的速度型偏离对数率问题;同时,该方法并未引入显式亚格子模型(SGS),因此回避了亚格子系数确定对于流场模拟精度产生的影响,改善了湍流模型对于流动不稳定性的辨识精度。在湍流平板算例中,CSSE方法计算的边界层速度型精度与雷诺平均方法(RANS)相当,而对于圆柱尾迹的模拟则证明了CSSE方法具有混合RANS/LES方法的优点,即能够准确模拟流动的不稳定性特征。     

湍流大涡数值模拟进展

本文简要陈述湍流大涡数值模拟的原理、优点,着重讨论湍流大涡数值模拟方法的关键问题及其可能解决的途径,包括脉动的过滤、亚格子模型、近壁模型和标量湍流的大涡数值模拟中的特殊问题.文章强调大涡数值模拟中亚格子应力的本质是可解尺度湍流和不可解尺度湍流动量间的输运,并以作者最近提出的新型亚格子模型说明发展亚格子模型的正确途径.文章最后提出湍流大涡数值模拟近期需要迫切解决的问题和其他具有挑战性的方向.     

Detached-Eddy Simulation方法模拟不同类型翼型的失速特性

 应用DES(Detached-EddySimulation)方法数值模拟了3种不同失速类型的翼型的升力特性。DES方法结合了RANS(Reynolds-averagedNavier-Stokes)和LES(LargeEddySimulationapproaches)的优点。基于Spalart-Allmaras湍流模型,在近壁面DES体现为RANS模型的特点而在远离物面处又具有LES的亚格子模型的特性。对此模型使用了LU-SGS隐式格式求解。通过和实验结果对比,显示这种方法可以有效地预测翼型的失速特性。     

支板喷射超声速湍流燃烧的大涡模拟

为了发展可行的超声速湍流燃烧大涡模拟方法,将设定型PDF(Probability Density Function)模型与LES(Large Eddy Simulation)相结合以封闭亚格子湍流-燃烧相互作用,并将模型用于支板喷射超声速湍流燃烧流场的数值模拟。分别对冷流及燃烧流场进行了模拟,计算结果与实验测量符合较好,表明了所采用方法及模型的可行性。冷流条件下,大尺度湍流涡通过卷吸、拉伸运动主导支板尾迹区的近场混合,并通过破碎过程影响远场混合。燃烧条件下,回流区尺度扩大,剪切层中形成的高温燃烧产物通过大涡卷吸以及回流区末端对流作用进入回流区并与其中的燃料喷流相互作用,使部分燃料预热升温并进入回流区两侧剪切层与主流空气混合、燃烧,从而实现火焰稳定。在薄反应剪切层及大尺度反应涡的边界区域,LES网格不足以直接求解湍流与燃烧的相互作用,PDF模型给出了较强的亚格子脉动。     

关于约束大涡模拟方法的一些思考

高雷诺数壁湍流是工程设计和应用中非常重要的问题之一,其高效高精度的模拟方法一直是湍流研究的重要研究方向。约束大涡模拟方法(CLES)是近些年提出的新模拟方法之一,和传统的RANS/LES混合方法不同,CLES在全场做LES计算:在靠近壁面的内区,它采用带约束的亚网格模型,而在外区,它使用传统的亚网格模型。经过近10年的努力,CLES方法已经在不可压/可压缩附着流、不可压缩/可压缩分离流等经典算例中得到了验证,并成功应用于航空气动中复杂流动的模拟。本文在介绍CLES方法基本原理的基础上,对CLES方法应用中的一些问题进行了讨论,最后对CLES方法的未来研究方向也做了一些概括。     

多段翼型大迎角分离流动的DELAYED RANS/LES混合算法

多段翼型的大迎角绕流发生大范围附面层分离,具有明显的三维与非定常流动特性。RANS/LES混合算法继承了LES对流动分离区大尺度漩涡准确模拟的优点,避免了纯LES算法需求网格量巨大与亚格子模型壁面函数不成熟等问题,对分离流动的模拟效果优于RANS算法。以S-A湍流模型与Smagorinsky亚格子模型为基础,借鉴DDES的附面层延迟控制思想,构造了可用于对接网格、重叠网格的DELAYED RANS/LES混合算法。研究了GA（W）-1多段翼型的大迎角分离流动及其气动特性。     

旋转槽道湍流的格子Boltzmann方法模拟

基于多松弛格子Boltzmann方法的大涡模拟对雷诺数为194,旋转数从0~5.0的旋转槽道湍流进行数值模拟.采用动态亚格子应力模型模化滤波后的不封闭项,修正二阶矩作用力模型计算压力梯度、哥氏力.对平均速度、均方根脉动速度、雷诺应力以及湍流结构进行了计算.结果显示哥氏力使流场平均速度呈现不对称性:在压力面,随着旋转数的增加,湍流度增强;而在吸力面湍流脉动减弱,具有层流化的趋势.将格子Boltzmann模型与直接数值模拟求解进行对比,结果验证了格子Boltzmann方法在旋转湍流模拟中的可行性.      

基于湍动能谱的自适应大涡模拟方法

为了在计算量有限的前提下实现对不同尺度上湍流燃烧结构的直接求解,提出了新的基于湍动能谱的自适应大涡模拟的概念。在这一概念下,利用湍动能谱和自适应网格技术建立了跨尺度算法,从而实现DNS和LES两种方法的耦合。在湍流非预混氢气射流火焰的模拟中,该方法既能捕捉大尺度湍流结构,又能分辨小尺度燃烧结构,计算出的物理量的瞬态和时均分布和DNS结果吻合得较好。计算偏差主要体现在DNS和LES区域的过渡处,这与亚格子湍动能在过渡处的变化不够平滑有关,表明跨尺度算法需要优化,以完善对不同尺度间湍动能传输的模拟。      

NNW-HyFLOW高超声速流动模拟软件框架设计

NNW-HyFLOW在国家数值风洞（NNW）工程支持下,由风雷开源软件提供基础框架支撑,将建设成为基于结构/非结构混合网格,面向高超声速应用领域的国产自主工业CFD软件,具备高温气体热化学非平衡效应模拟及其相关气动力、气动热和气动物理特性计算分析等主要特色功能。本文从框架设计、数据结构、耦合方法、并行计算方法以及接口设计等方面对软件设计思想和框架特点进行了介绍,给出了求解器采用的理论模型、核心数值算法及其实现方法,结合HEG风洞试验、RAM-C飞行试验、Electre飞行试验以及航天飞机OV102飞行试验等典型算例开展了数值模拟。研究表明：NNW-HyFLOW具有底层代码复用、功能兼容性好、扩展能力强和接口灵活等优点,其当前测试版本已经具备了较好的高超声速非平衡流动数值模拟能力,在热化学非平衡效应及其影响的气动力特性、气动热环境和等离子体分布特性预测与评估方面,具有较高的数值计算精准度,初步满足了高超声速复杂飞行器高温非平衡流动数值模拟的需求。     

有限体积格子Boltzmann方法用于近空间连续流区绕流模拟

针对航天器再入解体形成残骸碎片的近空间绕流计算问题,拓展了格子Boltzmann方法在可压缩流动模拟的能力。引入有限体积隐式格式求解耦合双分布函数格子Boltzmann模型方程及采用圆函数为基础构造的D2Q13离散速度模型;引入IMEX-RK格式进行了时间项离散解决模型方程的源项刚性问题;对Riemann问题、平板双马赫反射问题、RAE2822翼型跨声速绕流等近空间连续流区、可压缩典型案例进行了数值模拟。通过比较分析,初步验证了耦合双分布函数有限体积格子Boltzmann方法对连续流区、可压缩流动的模拟能力;进一步开展了方柱形解体残骸的超声速绕流模拟,得到与N-S方程计算结果吻合一致的绕流结果,证实经改进的耦合双分布函数有限体积格子Boltzmann方法对解体残骸碎片绕流问题具有较好的模拟能力。     

高超声速湍流高效模拟算法

采用了直接过滤的Navier-Stokes(N-S)方程组对高速可压缩湍流进行研究。针对高超声速湍流的非线性流动特性,对N-S方程直接过滤推导了大尺度湍流流场的控制方程,更精确地反映高速湍流的可压缩性,建立了可压缩湍流的大涡模拟TDM模型。使用传统的Smagorinsky模型的非线性推广,采用基于非Favre过滤的超声速可压缩湍流的大涡模拟模型,应用Caylay-Hamilton定理,建立可压缩湍流大涡模拟的非线性亚格子模型,并发展为动力学模式,模型中的两个常数通过当地流场动态的确定,消除了可调经验常数的影响。针对构造的高超声速湍流大涡模型开发相应的高效并行算法。     

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。     

可压缩湍流边界层近壁区马蹄涡的演化

采用大涡模拟方法对可压缩槽道湍流进行了数值模拟.通过给定扰动波方法确定进口边界条件,很快得到了完全发展的湍流.利用动态亚格子模型、预处理技术以及高阶格式和方法,得到了精确的数值结果.计算得到的速度剖面和脉动分量与直接数值模拟的解进行了对比,验证了计算结果的可靠性.结果清楚地展示了湍流场中马蹄涡的生成和演化过程,包括对称涡腿、单侧涡腿的马蹄涡结构,以及流场中存在由亚谐波引起的拟序结构的交错现象.分析了湍流边界层近壁区可能出现的复杂的马蹄涡结构,及其涡结构形状也不严格对称的现象.