基于湍流输运特性对S-A模型在压气机角区流动模拟中的改进研究

在非设计工况下,压气机叶栅角区的三维分离加剧,流场内的湍流处于较强的非平衡状态,因此必须对于非平衡状态的湍流的输运过程给出准确的预估.基于不同工况下压气机内角区分离流动的湍流输运过程的分析,提出了一种修正Spalart-Allmaras(S-A)模型中模拟湍流黏性生成和耗散关系的改进方法,经过数值研究发现改进的S-A模型对于静子角区分离的模拟更接近物理实际,从而提高了对非设计工况的预估能力.      

提高Spalart-Allmaras湍流模型对分离模拟能力的研究

为了提高Spalart-Allmaras湍流模型对分离的模拟能力,提出了两种改进方法.第一种是根据模型特点而提出的提高对雷诺正应力的模拟精度,第二种是基于湍流特性的理论分析而提出的对模型生成与耗散的关系进行修正.研究结果表明:第一种方法,由于没有明显提高对雷诺正应力的模拟精度,从而并没有提高模型对分离流动的模拟能力;第二种方法,由于改进了模型对强非平衡湍流的模拟能力,从而明显地提高了模型对分离流动的模拟精度.      

S-A模型在分离流动模拟中的改进

基于湍流不平衡性的分析,通过修正雷诺应力以及模型系数的计算,提高了S-A模型在二维边界层以及三维叶栅的分离流动上的预估能力。修正后的S-A模型给出了与实验吻合较好的结果,在对于分离流动的预估能力上优于原始模型。     

轴流压气机静子角区分离流动的DDES数值研究

为进一步加深对压气机静子角区分离流动非定常性和湍流特性的认识,以某台用于低速模拟的多级低速轴流压气机的第3级改型静子为研究对象,采用延迟脱落涡模拟(DDES)方法进行详细的数值研究.结果表明:压气机静子角区分离流动受到叶片几何参数和来流条件的综合影响;通道涡是引起静子角区分离的主要涡系结构,其发展过程伴随着大小尺度发簪...     

不同换算转速对高负荷风扇静子角区流动的影响

为了探究影响高负荷风扇的失稳机制,对风扇第二级静子叶根角区气流分离的形成原因进行了研究,分析了不同换算转速对角区的流动状态以及壁角涡形成与发展的影响。研究表明,经过静子叶根前缘的气流逐渐发展形成了壁角涡,而壁角涡的存在促使了静子吸力面角区的气流分离,且随着风扇工况向近失速点移动,更多的角区气流直接参与了壁角涡的形成。在所研究的范围内,换算转速增加会导致壁角涡强度增加、影响范围扩大;在95%~105%换算转速,壁角涡是引起角区气流分离的主要因素,而在85%换算转速,壁角涡已不再是引起角区气流分离和风扇失稳的主要原因。     

典型航空分离流动的雷诺应力模型数值模拟

先进飞行器设计对CFD方法的边界层分离模拟能力提出了更高要求,传统雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)涡黏性模型因建模和构造层面的理论缺陷导致其分离流动预测可信度较低。雷诺应力模型由于未对雷诺应力及其分量关系进行建模,对湍流非平衡、旋转以及雷诺应力各向异性等流动现象具有天然的理论优势。为验证与确认雷诺应力模型对典型航空分离流动的预测能力,基于SSG/LRR-g模型,以NACA4412翼型大攻角分离、M6机翼跨声速分离以及F6翼身结合区分离流动为例,探讨了雷诺应力模型对逆压梯度、激波诱导分离、二次流动分离等典型航空分离流动预测的适应性。通过与k-ω剪应力输运(SST)模型模拟结果对比发现,雷诺应力模型对分离泡大小、速度型分布、雷诺应力分布和激波位置等关键特征的模拟精度较涡黏性模型显著提升,基本验证了雷诺应力模型可在翼身接合区角区流动和三维强激波诱导分离等问题中得到正确的流动特征,而SST模型在此类流动中基本失效,显示了雷诺应力模型在典型航空分离流动中较涡黏模型的优势。同时,发现k-ω SST模型所包含的Bradshaw假设在三维激波诱导分离较强时严重影响了模型预测的准确性,是预测结果偏离试...     

附面层抽吸对叶栅角区分离流动的控制研究

为研究附面层抽吸对叶栅角区分离流动的控制效果和机理,以高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同抽吸方案对叶栅角区流场的影响以及叶栅攻角特性随抽吸流量组合的变化规律。结果表明:不同抽吸方案对叶片通道中的分离流动的控制机理不同,进而会影响叶片负荷及扩压能力;将吸力面抽吸与端壁附面层抽吸结合起来的组合抽吸方案基本消除了位于叶栅吸力面的附面层分离和角区分离,叶栅叶型损失系数显著降低,在5°攻角下,当吸力面抽吸量为1.88%,端壁抽吸量为0.82%时,损失系数相较于原叶栅降低约63.8%;并且进一步研究发现各抽吸槽的抽吸流量均存在其最佳临界值;在进行组合抽吸时,应针对不同攻角工况,在其相应的临界值范围内选择合理的抽吸流量,以达到用较小的吸气量实现对叶栅分离流动的控制。     

圆柱-平板角区湍流流动控制的风洞试验研究

角区流动中马蹄涡系的存在通常会造成不良影响。对圆柱-平板角区流动,在圆柱上游放置一倾斜的小圆棒能够改变角区流动结构。利用油流法和平板表面压力测量方法探讨了湍流流态下不同的小圆棒对平板表面的摩擦力线和压力分布的影响。油流实验揭示了倾斜棒能够改变角区的三维分离,新的分离线由倾斜棒和圆柱共同作用引起;倾斜棒对角区的作用可归类为两种不同的物理现象;倾斜棒能够引起圆柱侧面的分离线向下游发生极大的迁移,导致圆柱底部区域尾迹变窄。平板表面压力测量实验揭示附加的倾斜棒能够极大地改变压力分布情况,角区的逆压梯度相应减小;由此,逆压梯度引起的三维分离必然被削弱。     

端壁射流对压气机叶栅角区分离控制的研究

为了研究端壁射流对压气机叶栅端壁角区分离控制的可行性和有效性,以压气机叶栅为研究对象,基于数值模拟方法对不同射流角和射流比控制参数下的计算工况进行了对比和分析。研究结果显示:端壁射流可以有效地控制角区的分离和降低叶栅损失,提高了叶栅的流通能力;控制效果受射流角和射流比的影响,只有射流控制参数大于临界射流角和临界射流比时,角区分离的控制效果才会显著,在10°射流角和0.23%的射流比条件下可以获得33.4%的相对叶栅损失增益;端壁射流在较大射流比下可以有效削弱通道涡、角涡的强度,阻断了其与尾缘脱落涡的接触,降低了涡系间相互作用导致的高损失影响;由于流道角区阻塞度的减小,叶展中部截面的损失和出气角会有少量增加。     

轴流压气机角区分离的研究进展

角区分离是一种常发生于轴流压气机"吸力面-端壁"角区的三维分离现象,该现象以及随之产生的流场堵塞和流场损失会对压气机的稳定工作和效率造成不良影响,严重时会发展为"角区失速"。随着现代轴流压气机单级负荷的提升,角区分离所产生的负面影响日益突出,严重阻碍了高负荷压气机的发展,各种主动、被动流动控制方法也因此被广泛应用于角区分离的流动控制。首先,从角区分离对轴流压气机性能的影响、角区分离的流场特征和角区失速的判别准则3个方面对轴流压气机角区分离的流动机理研究进行了回顾,详细讨论了角区分离的影响因素、角区分离的流动拓扑分析以及角区失速的定义与判别方法。其次,对三维叶片设计、翼刀与凹槽、旋涡发生器、非轴对称端壁造型、射流式旋涡发生器、等离子体气动激励以及附面层抽吸与附面层射流7类流动控制方法的研究进展进行了回顾,重点探讨了这些流动控制方法在抑制角区分离方面的应用,并给出了这些流动控制方法的对角区分离的作用机制。最后,对角区分离领域的研究现状进行了简要地总结,指出了现有角区分离的机理研究和流动控制研究所存在的不足,并对该领域未来的发展进行了展望。     

A study on turbulence transportation and modification of Spalart–Allmaras model for shock-wave/turbulent boundary layer interaction flow

It is of great significance to improve the accuracy of turbulence models in shock-wave/ boundary layer interaction flow. The relationship between the pressure gradient, as well as the shear layer, and the development of turbulent kinetic energy in impinging shock-wave/turbulent boundary layer interaction flow at Mach 2.25 is analyzed based on the data of direct numerical simulation(DNS). It is found that the turbulent kinetic energy is amplified by strong shear in the separation zone and the adverse pressure gradient near the separation point. The pressure gradient was non-dimensionalised with local density, velocity, and viscosity. Spalart–Allmaras(S–A) model is modified by introducing the non-dimensional pressure gradient into the production term of the eddy viscosity transportation equation. Simulation results show that the production and dissipation of eddy viscosity are strongly enhanced by the modification of S–A model. Compared with DNS and experimental data, the wall pressure and the wall skin friction coefficient as well as the velocity profile of the modified S–A model are obviously improved. Thus it can be concluded that the modification of S–A model with the pressure gradient can improve the predictive accuracy for simulating the shock-wave/turbulent boundary layer interaction.     

Numerical study of transonic separation flow using an anisotropic turbulence model

A transonic turbulent separation flow in a converging-diverging transonic diffuser was studied, when there existed a separation bubble on the top wall of the diffuser triggered by strong shock-wave-boundary-layer-interaction (SWBLI). To capture the essential behavior of this complex flow, the current study utilized an anisotropic turbulence model developed on the basis of a statistical partial average scheme. The first order moment of turbulent fluctuations, retained by a novel average scheme, and the turbulent length scale, can be determined from the momentum equations and mechanical energy equation of the fluctuation flow, respectively. The two physical quantities were readily used to construct the nonlinear anisotropic eddy viscosity tensor and to significantly improve the computational results. Comparisons between the computational results and experimental data were carried out for velocity profiles, pressure distribution, skin friction coefficient, Reynolds stress as well as streamline vectors distribution. Without using any empirical coefficients and wall functions, the numerical results were in good agreement with the available experimental data, further confirming that the nonlinear anisotropic eddy viscosity tensor is the decisive factor for the success of the computational results.     

等离子体气动激励抑制压气机叶栅角区流动分离的仿真与实验

进行了等离子体气动激励抑制低速压气机叶栅角区流动分离的数值仿真研究,并进行了实验验证.小攻角情况下,叶片吸力面角区流动分离导致显著的尾迹总压损失.来流速度为50 m/s(雷诺数为223 000)时,等离子体气动激励可以有效的抑制角区流动分离,降低总压损失.激励电压、频率分别为10 kV和22 kHz时,50%叶高处的尾迹压力分布基本不变,60%和70%叶高处的最大总压损失分别减小了13.83%和10.74%.增加激励电极组数或激励电压,可以增强抑制效果.      

压气机静叶栅层流分离泡转捩与角区分离数值模拟与实验

采用γ-Reθ转捩模型对某可控扩散叶型(CDA)平面叶栅全攻角范围进行了三维数值计算,通过对比数值计算结果与叶栅实验吻合较好。在此基础上,分析了进口来流湍流度和雷诺数变化对叶栅表面层流分离、转捩以及角区分离的影响。结果表明:进口湍流度低于5%时,吸力面存在层流分离,当进口湍流度大于5%后,层流分离移除,但转捩会一直存在;随着进口湍流度或雷诺数增加,吸力面和压力面转捩位置均会前移;随着进口湍流度增加,吸力面角区分离会有所减小,雷诺数增加对角区分离的影响不大。      

端壁等离子体气动激励抑制高负荷压气机叶栅角区流动分离实验

为揭示端壁等离子体气动激励抑制高负荷压气机叶栅角区流动分离的影响规律和流场特征,在不同流场参数和激励条件下分别开展了微秒脉冲和纳秒脉冲等离子体气动激励抑制叶栅流动分离的实验研究.结果表明:端壁等离子体气动激励可以有效抑制叶栅角区的流动分离,其作用效果在攻角为3°时最佳,随攻角的增大逐渐下降;微秒脉冲激励的流动控制效果随来流速度的增大而降低,随激励电压和占空比的增大而提高,最佳非定常脉冲频率为500Hz;在较高来流速度下,微秒脉冲激励的作用效果十分微弱,但纳秒脉冲激励能够有效抑制角区流动分离;纳秒脉冲激励的流动控制效果随激励电压增大而提高,激励频率对控制效果至关重要,作用效果随激励频率的增大而不断增强,但当激励频率为5kHz时,作用效果有所下降.      

应用S-A模型的自由射流和冲击射流数值模拟

为探索轴对称射流准确的数值模拟方法，根据可压缩的轴对称N-S方程，利用二阶精度的有限体积法对轴对称的自由射流和垂直冲击射流进行数值模拟。结果表明采用Spalart-Allmaras湍流模型，可很好描述射流流动。收缩喷嘴射流计算应从出口上游的内流开始，而不能在出口截面上给定声速条件。计算结果与实验吻合较好，所获得的喷嘴内外部流场的流动状况以及冲击射流参数分布，可用于优化喷嘴内部结构设计。     

一种强耦合Spalart-Allmaras湍流模型的RANS方程的高效数值计算方法

在工程实际中,一方程湍流模型或两方程湍流模型的求解通常和雷诺平均Navier-Stockes (RANS)方程的求解是解耦的,也称之为松耦合求解.在松耦合求解过程中,RANS方程和湍流模型方程通常采用不同的数值方法异步求解.这种求解方式很容易产生因两者计算精度不一致而引起的额外数值耗散.为了消除这种耗散,将RANS方程与Spalart-Allmaras模型方程耦合成一个系统方程——强耦合RANS方程,并发展了一种用于求解该系统方程的高效强耦合算法,其中对流项离散采用了Roe格式,时间项的离散采用了隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式,为了提高计算效率,采用了三层V循环多重网格方法.通过翼型/机翼和振荡翼型/机翼等算例验证了本文发展的强耦合算法不仅具有较好的收敛性,而且计算精度明显优于松耦合算法,特别对于阻力的预测,强耦合算法更加准确.