资源描述：
《用DES数值模拟分离绕流中的旋涡运动》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、计算物理第25卷第6期Vol.25,No.62008年11月CHINESEJOURNALOFCOMPUTATIONALPHYSICSNov.,2008[文章编号]1001246X(2008)06068306用DES数值模拟分离绕流中的旋涡运动邓枫,伍贻兆,刘学强(南京航空航天大学航空宇航学院,江苏南京210016)[摘要]脱体涡模拟(DetachedEddySimulation,DES)是近年来出现的一种结合雷诺平均方法和大涡数值模拟两者优点的湍流模拟方法.采用基于SpalartAllmaras
2、方程模型的DES方法,数值求解NavierStokes方程,模拟绕流发生分离后的旋涡运动.其中空间区域离散采用有限体积法,方程空间项和时间项的数值离散分别采用Jameson中心格式和双时间步长推进方法.通过模拟圆柱绕流以及翼型失速绕流,观察到了与物理现象一致的旋涡结构,得到与实验数据相吻合的计算结果.[关键词]旋涡运动;脱体涡模拟;NavierStokes方程;湍流模拟[中图分类号]V2113[文献标识码]A0引言分离流和旋涡运动是经常会遇到的流动现象,如飞机做大攻角飞行时所形成的复杂流场.旋涡是分离流[1]动的肌腱,分离
3、形成旋涡,旋涡的运动、发展和破裂反过来又影响着分离流场.由于分离流以及旋涡运动在工程实践中的重要作用,因此开展对它们的研究一直是流体力学的重要任务.在数值计算方面,近年来通过数值求解NavierStokes方程,对旋涡运动进行模拟.求解NavierStokes方程的关键之一在于对湍流进行模拟.目前,根据精细程度的不同,可以将对湍流的数值模拟分为直接数值模拟(DirectNumericalSimulation,DNS)、大涡数值模拟(LargeEddySimulation,LES)和[2]雷诺平均方法(ReynoldsAveraged
4、NavierStokes,RANS)三类.其中RANS在工程中应用最为广泛,它完全采用湍流模型模拟湍流流动,只给出湍流流场的统计平均量,可以有效地模拟附体边界层流动,但对大范围的分离流动很难得到准确结果.DNS直接从流体控制方程出发,可以模拟湍流流场中各种尺度的脉动,但受计算机条件所限,目前只用于研究低雷诺数简单湍流物理机制.LES将湍流流场中大尺度脉动用数值模拟方法计算,小尺度脉动对大尺度运动的作用做亚格子模型假设,适合模拟大范围分离流动.但实际的工程问题往往具有很高的雷诺数和很薄的边界层,边界层内小涡的尺度往往比边界层的厚度小很多
5、,这使得要完全采用LES模拟薄边界层内的流动仍然需要很大的计算机资源,到现在为止还是不大现实.[3,4]针对这一情况,Spalart提出了DES方法.DES对附体的边界层完全采用RANS湍流模型模拟,利用RANS可以有效处理附体边界层流动的优点,不需要耗费很大的计算机资源;在远离物面的分离区域内,小尺度涡采用亚格子模型模拟,对大尺度涡进行直接模拟,利用LES可以比较有效地模拟分离流动的优点.通过结合RANS和LES各自的优点,DES可以比较快速而有效地模拟工程应用中常见的大范围分离流动.本文利用有限体积法和Jameson中心格式,采用基
6、于SpalartAllmaras方程模型的DES方法模拟湍流,数值求解了NavierStokes方程.并以此为工具,模拟圆柱绕流以及翼型失速绕流在离开物面后所卷起的旋涡在流向以及展向方向的运动.计算结果显示了旋涡的运动、发展和破裂,所得到的定量数据和实验相吻合,表明采用DES方法可以较好地模拟出分离绕流中的旋涡运动.1数学模型与数值离散11流体控制方程对于粘性流动,采用NavierStokes方程作为控制方程,它的积分形式为[收稿日期]2007-06-25;[修回日期]2008-02-17[作者简介]邓枫(1982-),男,
7、湖南邵阳,博士生,从事计算流体力学方面的研究.684计算物理第25卷,Wd+(Fc-F)dS=0(1)t式中W,Fc和F分别为守恒矢量、对流通量和粘性通量,它们的具体含义见文[5].12DES方法SpalartAllmaras方程模型的积分形式是d+(Fc,T-F,T)dS=QTd,(2)t式中Fc,T=Vr,(3a)1∀LF,T=(+)(nx+ny+nz),(3b)!#xyz2cb22QT=(cb1S!+∃!V)-cw1fw()+(∃),(3c)d!分别为湍流涡粘系数的
8、对流通量、粘性通量和源项,它们的具体含义以及其中的计算常数参见文[6].[4]基于SpalartAllmaras方程模型的DES方法是将式(3c)中的d,即当地网格单元中心到物面的最近距离,修改为*d=m
