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基于可压缩流方法的大涡模拟及其工程化应用

李雪松  
【摘要】:在将大涡模拟(LES)应用到工程实际时,面临着两个主要难点:LES对格式要求高和计算量大。为了克服这些困难,本文进行了理论分析,改进了计算格式与收敛加速方法,编写了计算程序,将LES应用到高负荷叶轮计算中,得到了满意的结果。 本文采用MILES方法,认为保单调格式的数值耗散可以取代亚格子耗散,研究了Harten-TVD与MUSCL-TVD格式应用于LES的可能性。研究发现Harten-TVD格式的校正通量包含不必要的几何参数,通过几何改进,在非均匀非规则网格下得到了更好的精度。 LES需要准确模拟诸如边界层这样的低速区。为了将TVD格式应用到低速流动中,采用预处理技术,推导出了任意曲线坐标系下预处理方程的特征值与特征矩阵,以及Harten-TVD与MUSCL-TVD格式的预处理修正,并在低速Euler计算中取得良好效果。 然而,对于粘性流,预处理计算稳定性较差,从而影响了计算精度。分析指出原因在于特征矩阵中包含不稳定的结构。借用低速流下的两个假设,消除了不稳定的结构,推导出了低速Roe格式。计算表明低速Roe格式比一般预处理格式更适合低速流MILES计算。 为了减少计算时间,研究了并行、隐式DP-LUR方法、双时间步长法等计算加速技术。为了使隐式方法在低速流动下具有更好的加速效果,本文将预处理技术与DP-LUR方法相结合,推导出了PDP-LUR方法。 使用上述基于可压缩流计算的方法,以及若干编程技术,独立开发了三维非定常并行CFD程序HPPD。 使用HPPD对典型高负荷叶片T106进行了LES计算,结果表明,计算时间合理,可以准确预测层流分离、转捩、湍流再附的位置,同时还研究分析了层流分离泡的非定常现象。


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